（光学工程专业论文）检修工艺对球铁曲轴疲劳断裂的影响及其对策研究.pdf

摘要 f 、 曲轴是内燃机车中最重要的零部件之一，提高曲轴的疲劳强度， 堰诞其使用寿命是保证铁路运行可靠性的重要研究课题。由于铁路 提速，柴油机中的一些大部件故障率明显提高，曲轴断裂问题尤为 突出。在目前铁路内燃机车运用的曲轴中，大多数曲轴的材质是球 墨铸铁，因此，研究影响球铁曲轴疲劳强度的各种因素，提出提高 曲轴疲劳强度的具体措施十分必要。 本论文对球铁曲轴的使用状况、检修工艺、结构特点、表面加 工状态、材料的化学成分与机械性能以及表面强化处理等情况进行 了介绍和分析，并指出这些因素对曲轴疲劳强度的影响。结合厂修 后球铁曲轴的非正常断裂实例进行了失效分析。通过对断口、金相 组织、机械性能试验、疲劳性能试验结果的分析，找到球铁曲轴非 正常断裂的直接原因是曲轴解体时采用乙炔火焰进行局部加热，使 其组织和性能发生变化，特别是造成了其疲劳性能的降低，从而大 大缩短了曲轴的使用寿命。最后从生产实际出发，提出了提高曲轴 疲劳寿命的具体措施，经实践验证该措施是行之有效的。 文章还建议：为适应高速重载的需要，应对曲轴这一重要件实 行寿命管理，使用寿命可定为12 年。 主题词：球铁曲轴检修工艺疲劳强度 影妪素 ， t h ea n a l y siso fi n f l u e n c et h a to v e r h a u l t e c h n o l o g yp l a y sf o rn o d u l a rc a s ti r o n c r a n k s h a f to ff i t i g u ea n dt h e i rm e s u r e s s u m m a r y c r a n k s h a f tiso n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h e d ie s e ll o c o m o t i v e s ，i n c r e a s i n gt h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h e c r a n k s h a f t ，e x t e n di t sw o r k i n g1 i f et oe n s u r et h er e l i a b i l i t y o ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nis av e r yi m p o r t a n tt a s k b e c a u s e o ft h er a i l w a ys p e e dr a is e d ，t h er a t i oo ft r o u b le f o raf e wb i gc o m p o n e n t so ft h ed i e s e lh a so b v i o u s l yi n c r e a s e d a m o n g t h e me s p e c i a l l yt ot h i n kh i g h l yo ft h ec r a n k s h a f t b r e a k i n g t h em a t e r i a ls o fm o s t l yc r a n k s h a f tu s e di nt h e r a i l w a yd i e s e l1 0 c o m o t i v e sa tp r e s e n ta r en o d u l a rc a s ti r o n t h e r e f o r e ，a n a l y s i st h ev a r i o u sk i n d si n f l u e n c ef a c t o r sf o r f a t i g u es t r e n g t ho ft h en o d u l a rc a s t i r o nc r a n k s h a f ts oa s t or a i s ec o n c r e t es t e p sf o ri m p r o v et h ef a t i g u es i r e n g t his v e r yn e c e s s a r y i nt h ea r t i c l e ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e sa n da n a l y s e st h e u s i n g c o n d i t i o n ， r e p a i r i n g t e c h n 0 1 0 9 y ， s t r u c t u r e c h a r a c t e r is t i c ，p r o c e s s i n g s t a t eo nt h e s u r f a c e ，t h e m e c h a n i c a lf u n c t i o na n dt h ec h e m is tf a c t o ro ft h em a t e r i a l ， t h es t r e n g t h e nt r e a t m e n to fs u r f a c e ，a n ds oo n h ep o i n t so u t t h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r sf o rt h ef a t i g u es t r e n g t ho f t h ec r a n k s h a f t m o r e o v e rh ed o e ss o m ec o n c r e t ee x p e r i m e n t s a n da n a l y s e st oc o m b i n et o g e t h e rw i t ht h ec r a n k s h a f tb r e a k i n g a f t e ro v e r h a u l t h r o u g h o u tt h eb r e a k i n gs u r f a c ea n a l y s is ， o r g a n iz a t i o na n a l y s is 。h a r d n e s st e s t ，m e c h a n i c a l f u n c t i o n 儿 t e s ta n dt h ef a t i g u et e s t ，f i n dt h er e a s o nist h eh e a t i n ga s t h ec r a n k s h a f tb e i n gd isj 0 i n te d ，i tm a k et h e o r g a n iz a t i o n c h a n g e d ，a sw e l la st h es t r e s sc o n d i t i o nc h a n g e d ，s 0t h a t t h e w o r k i n gl if e 0 ft h ec r a n k s h a f tw a ss h o r t e n e d f i n a ll y t h e a r t i c ler a i s es o m ec o n c r e t es t e p st ol e n g t h e nt h ef a t i g u el i f e o ft h ec r a n k s h a f t ，t h e s es t e p sa r ep r o v e dt ob ea y a il a b il it y a d v ic ei nt h i sa r t i c l e ： a st h ed e m a n do ft h e h i g hs p e e da n dh e a v yl o a d ，m u s t p r a c t i c et h ew o r k i n gl i f em a n a g e m e n t ，t h ew o r k i n g1 i f e0 ft h e c r a n k s h a f ts h o u l db ed e f i n e da s1 2 y e a r st e m p o r a r il y k e yw o r d ：n o d u l a rc a s ti r o nc r a n k s h a f t ，o v e r h a u lt e c h n 0 1 0 9 y f a t i g u es t r e n g t h ，i n f l u e n c ef a c t o r s i i i j ! 塑銮望盔堂堡! 兰竺堡苎三! 生! ! 生 第一章概述 1 1 曲轴的使用概况 从t 9 5 8 年仿制内燃机车到l9 6 9 年试制出我国自行设计的大功 率交一直流电传动东风4 型内燃机车，我国先后试制出东风型、东 风2 型、东风4 型、东风7 型、东风8 型、东风l o 型、东风1 1 型电传动内燃机车和东方红( 1 ) 型、北京型、d f h 2 型、d f h l 型液 力传动内燃机车。在这些内燃机车柴油机中，曲轴是最重要的零部 件之一。活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的旋转运动，从而实 现柴油机功率的输出。曲轴并直接或间接地驱动配气机构、喷油泵、 机油泵、水泵、静液压系统等零部件。 曲轴在运用过程中，主要受到以下三个方面的作用力： 1 曲轴受到周期性变化的燃气压力和运动质量惯性力所产生 的外力和力矩的作用，这些交变的力矩使曲轴既产生弯曲又产生扭 转。 2 由于曲轴轴系是一个弹性系统，从而会受到轴系扭振振动和 横向振动引起的附加载荷。曲轴轴系在周期性变化的扭矩作用下产 生扭转强制振动，因而使曲轴产生附加应力。 3 如果不能保证轴承的同轴度，则由轴承与轴颈的摩擦以及机 体主轴承座弹性变形等原因引起曲轴轴线不正，又产生附加作用 力。 通过对曲轴的受力分析可知，曲轴上受到的作用力和力矩，不 仅使曲轴各部分产生交变应力，而且还会使曲轴变形，当曲轴刚度 不足时，变形会更为严重。因此要求曲轴应具有足够的疲劳强度； 尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度；轴颈应具有合理的硬度；具有足 够的加工精度和表面粗糙度。 北方交通入学硕l 学位论文 第一章概述 由于曲轴本身结构复杂，承受各种载荷，形位公差要求比较严 格，因此在曲轴的检修过程中应该采取适合的工艺和严格的质量控 制。 1 2 球墨铸铁曲轴的构造特点及主要失效形式 1 2 1 球墨铸铁曲轴的构造特点 目前，东风4 型内燃机车柴油机曲轴材料有资阳内燃机车厂采 用的4 2 c r m o a 合金钢和大连机车车辆厂、戚墅堰机车车辆厂采用的 稀土钼铜球墨铸铁两种。现在使用的东风4 型内燃机车中由于大连 厂内燃机车占了很大比重，所以进厂大修机车中遇到的曲轴大多数 为球墨铸铁曲轴。 东风4 型内燃机车应用的球墨铸铁曲轴的主轴颈直径为巾 2 2 0 o o0 2 9m m ，连杆颈直径为中1 9 50 00 2 9m i l l ，轴颈表面粗糙度为r a = 0 8 。 球墨铸铁曲轴经热处理后的机械性能要求为：抗拉强度7 8 5 m p a ， 延伸率1 ，冲击韧性1 5 0 3 c m2 ，硬度h b 2 6 9 3 3 l 。 曲轴在精加工后，表面进行氮化处理，“1 单拐对称循环弯曲疲 劳实验结果表明，氮化处理的单拐疲劳强度可达到2 4 0 m p a ，经过 曲轴圆根滚压强化处理的单拐，疲劳强度可达到2 4 5 2 9 4 m p a 。 从该曲轴几十年的运用情况来看，它的结构强度能够满足机车 安全运行需要。 1 2 2 球墨铸铁曲轴的主要失效形式 曲轴是典型的疲劳破坏零件，它在运用过程中主要受到弯曲和 扭转载荷。东风4 型内燃机车作为大型曲轴其最常见的疲劳破坏形 式是弯曲疲劳断裂。它本身对一次大能量冲击韧性的要求并不高， 它在运转中受到较低的连续的冲击负荷作用，即小能量多次冲击。 因此，当曲轴由于某种故障受到非正常的大负荷冲击时，往往会发 北方交通人学碳| 一学位论义 第一章概述 生疲劳断裂问题。常见的曲轴的疲劳破坏形式和主要原因如表l 。 12 3 厂修后曲轴的故障情况 9 7 年以来的四次大提速给零件本身带来的损害是显而易见 的，因为机车从起动开始，一直到进站停靠柴油机基本上都处于满 负荷状态，这使一些零部件的故障率明显增高。其中曲轴断裂尤为 突出，带来的经济损失也很大。 表1 曲轴的典型破裂破坏形式与原因 破坏形式特征主要原因 裂纹最初 1 由于- 曲轴过渡圆角太 常发生在主轴小，曲柄臂太薄，过渡 二n 领或连杆颈与圆角加工不完善。 骆 曲柄臂过渡圆2 机体刚度不够、机体 角处应力集中主轴承孔刚度不够或主 严重点，随后轴承孔同轴度的阶梯度 逐渐发展成横 太火，引起附加弯矩过 断曲柄臂的疲大，造成主轴颈不均匀 劳裂纹。磨损。 裂纹起源1 由于过大的扭转振 _ l n 于油孔，沿与动，引起较人的附加麻 型l轴线呈4 5 。方力。 罗h _ 一件并向发展。2 油孔边缘加工不完 l ll _ 旦 善，或孔口过渡圆角太 小，引起过大的应力集 中。 北方交通人学硕 学位论文 第一帚概述 裂纹起源 1 由r 不对衬的交变抖i 丁过渡蚓角或矩引起较人应力，致使 ，- l n 油孔，且只有疲劳破坏。 叶卜矗一| _ 历j 广 一个方向裂 2 圆角加l 不女r ，及热 影斗一捭毒 纹，裂纹丁轴处理l ：艺不完善，造成 l刎 、，y 线簪4 5 。材料组织不均匀。 3 油孔孔口剧角加1 不 完善。 4 连杆轴颈太细。 裂纹在过由于圆角太尖锐，引 渡圆角周向同 起过人的应力集中。 挑 时发生，断口 节 寻= 向锯齿 形。 根据调查，在2 0 0 0 年i 7 月份，一大修厂检修内燃机车段外 质量问题反馈中，有关曲轴的质量投诉共有10 件。其中，因为曲 轴断、裂而发生的投诉有7 件。详细情况见表2 。 根据表2 中的数据进行分析可知，不考虑序号l 戚墅堰厂的新 轴，对大修后的曲轴而言，苏家屯机务段4 17 6 机车上应用的9 4 一l5 9 曲轴和吉林机务段4 0 9 8 机车上应用的9 6 一l8 2 曲轴，大修后运行时 间只有短短八个月，总的使用时间也只有4 6 年左右：其它曲轴， 大修后的使用时间也只有1 2 年时间。这表明，这些曲轴发生断、 裂故障是十分不正常的。不管是从铁道部其它机务段机车的应用情 况调查结果看，还是从其它机车大修厂厂修的机车曲轴应用的调查 北方交通人学硕士学位论文 第一章概述 结果看，出现这么多的曲轴提前发生断、裂问题都是非常少见的， 因此，有必要对厂修后的曲轴检修、组装工艺进行分析研究，从中 找到解决问题的措施。 表22 0 0 0 年1 7 月段外曲轴断裂质量反馈情况 序投诉段别出厂 断裂简况备注 号时间车号日期 q s 9 5 2 7 戚墅 12 0 0 0 2 集宁1 4 0 3 9 9 3 曲轴有裂纹 堰厂新轴 第一连杆颈柄部油 9 4 18 0 曲轴，0 22 0 0 03 南岔7 13 2 9 8 2 堵孔处有3 m m 长 级手r 修 裂纹 苏家屯 第四连杆颈掉下， 9 4 1 5 9 曲轴0 32 0 0 039 9 7 两处断面均包含油 4 1 7 6 级手工修 堵孔 鱼儿沟曲轴从第三连杆颈9 3 1 15 曲轴，0 4 2 0 0 069 9 5 7 2 8 0 油堵孔处开始断开 级手工修 曲轴从第五连杆颈 9 6 ，18 2 曲轴，0 52 0 0 0 7 吉林4 0 9 89 9 1 1 油堵孔处开始断开 级手 ：修 曲轴从第五连杆颈9 3 4 4 3 曲轴，0 6 2 0 0 0 7 柳园7 1 8 6 9 9 4 油堵孔处开始断开级手工修 曲轴从第八连杆颈 9 0 2 15 曲轴，0 7 2 0 0 0 7 介休0 0 1 0 9 9 5 油堵孔处开始断开 级手j ：修 北方变通大学硕士学位论文 第一章概述 1 3 本论文研究的内容及其工程意义 本论文研究的主要内容是首先对曲轴的使用条件、受力情况、 化学成分、表面加工状态、热处理、检修组装、表面强化处理等影 响曲轴疲劳寿命的诸多因素进行了分析，以便有针对性地提出提高 曲轴疲劳寿命的措施。然后对运用中的案例，通过宏观分析、会相 组织分析、机械性能试验和疲劳性能试验等手段对裂断曲轴进行失 效分析，找到了造成曲轴提前失效的根本原因，最后对改进曲轴检 修工艺，提高检修质量，延长曲轴的使用寿命，提出了切实可行的 对策。 对于机车大修厂来说，质量是其生存之本，是企业的永恒主题， 只有质量才能赢得用户的信赖。根据对各机务段机车运用情况的调 研可知，曲轴断裂近年来较之以往发生率明显提高，而且，曲轴断 裂带来的不仅经济损失很大，而且返工工作量大，维修周期长，其 后果也比较严重。因此，提高曲轴疲劳寿命，增加机车运行可靠性 是一个值得深入探讨的课题。 北方交通大学硕一l - 学位论文 第一二章影响球铁曲轴疲劳寿命的因素 第二章影响球铁曲轴疲劳寿命的主要因素 影响零件疲劳寿命的因素很多，归纳起来有材料、零件结构与 工艺以及工作条件三个方面。材料方面的因素主要有化学成分、金 相组织、纤维方向和内部有无缺陷等。零件结构与工艺方面的因素 主要有结构尺寸及其工艺性、表面加工和表面强化处理状态等。工 作条件方面的因素有载荷特性、环境介质和使用温度等。前两个方 面的因素中，有些因素是固定的，有些因素可以在检修过程中采取 措施进行加强和优化。 2 1 化学成分和夹杂物的影响 根据d l c 8 - o o , j - t ( i i ) 一卜3 1 6 7 2 4 0 z 柴油机曲轴检查铸造技 术条件的规定，曲轴材料的化学成分如表3 所示。 表3 球墨铸铁曲轴化学成分 成碳硅锰 钼 铜镁硫 磷 稀土 分 cs im nm 0c u m g sp r x o y 3 52 oo 3o 20 70 0 4 o 0 2 5o 0 80 o l2 4 o2 8o 80 41 oo 1 2 11 主要元素的影响 含碳量在化学成分中对疲劳极限的影响是主要的，疲劳极限随 含碳量的增加而升高。硅能有效地减少缩松，硅在球铁中可固溶于 铁素体而使强度与硬度增加，但同时也使脆性增加，因此含量过高 会降低材料的疲劳强度。含硅量对抗拉强度和冲击韧性的影响比较 北方交通人学颁卜学位论文 第一二币蟛响球铁f f f 轴疲劳寿命的吲素 大，当含硅量超过3 5 时，机械性能有下降的趋势，含硅量过高 会造成铁原子晶格的严重歪曲，从而使脆性增加，疲劳性能降低。 碳和硅在球铁中是主要石墨化元素，其含量多少对球铁收缩影响很 大，碳尤为明显，因为每1 的碳析出时可使体积增加2 。“ 磷在球铁中以多种状态存在，最常见的是磷共晶，磷共晶对形 成裂纹敏感，主要与其大小、数量及分布有关。若磷共晶面积较大， 或数量较多，或分布不均匀，都容易造成裂纹，使疲劳寿命缩短。 锰是碳化物稳定元素，能起到强化基体的作用，适量加入能提高球 铁的强度与耐磨性，但锰元素在大截面球铁件内易富集于球墨一奥 氏体共晶团的晶界上，使球铁的塑性、韧性降低。钼是碳化物稳定 元素，溶入铁素体内，能提高铁素体和珠光体的强度和硬度，但含 量过高，易形成钼的碳化物富集晶界，而使性能变脆。铜能使珠光 体细化，提高淬透性，改善材质的均匀性。 2 12 稀土元素的影响 稀土元素在我国有丰富的资源，用途广泛，在冶金工业生产中， 它具有脱气、精炼、变质、细化晶粒、提高机械性能等作用。根据 大连机车车辆厂生产球墨铸铁曲轴的经验，在未加稀土前，经常发 现球化不完善，断口组织黑斑严重，导致机械性能低劣。经选用稀 材料试验，在加入微量包钢l 号合金( 稀土) 后，球化程度得到 了改善，断口呈银白色，基本上消除了黑斑，金相组织片状石墨减 少到5 以下，曲轴机械性能和疲劳性能有明显的提高。 2 1 3 夹杂物的影响 夹杂物可以看作是微缺口，它能够引起应力集中，从而导致疲 劳强度下降。夹杂物对疲劳强度的影响不仅取决于夹杂物的数量及 化学性质，更与夹杂物的某些物理特性密切相关，如夹杂物的可变 形性、线膨胀系数和弹性模量，这些物理性能与母材的相应的物理 北方交道大学硕士学位论文 第二章影响球铁黥轴缓势垮鑫抟域索 性能之阈的蓑异，促使局部应力升高，严重者产生内部微裂纹。 般愤况下，夹杂物的数量愈多，尺寸愈大，对疲劳强度的 影响愈大。从大量的疲劳失效零部件的断口分析可知，其疲劳裂纹 极易在表嚣或次表陋的大块夹杂物处尘核。其原因一方面是因为央 杂物瑚基体的热胀系数不同；另方短是弹性模量不同，造戏界面 应力集中。般认为，当夹杂物豹弹性系数越小，外彤越尖锐时， 应力集中理度裁越大，从聪就越易成为疲劳破坏豹起源。夹杂物对 疲劳性能的另一个影响因素悬夹杂物的变形枣，当变形事较低时， 基体金属受铃力对，由于变形不铷调便容易在界聪上产生微裂纹， 这些徽裂纹常掌有聪能发展成为疲劳裂纹源，号l 起零部传的嫂坏。 2 2 表涎蚋王状态的影响 1 6 v 2 4 0 柴浊枫越轴几趣彩状复袈，既承受弯曲载萄又承受翅 转载旖，其表屡应力最寒。加工粮糙款余属表蘸媚当予存在蓑很多 微竣鞠，宅翻是撅王中豹甥利刃瘦秘打印标记等，蒡在此产生应力 集中，傻疲劳极艰下降。一般的机械掘工表嚣，即使经过糖密加工， 表嚣蠢起来 # 常必潺，但惑会存在蜂和谷。为了考虑加工状态对疲 劳掇羧静影响，在疲劳设计孛弓! 入了表嚣加工系数，它定义为菜 秽表嚣熬工状态试样戆疲劳极限( 一，) 。与纛削试榉躲疲劳极艰 6 ；鲍比篷，嚣t 3 = ( 6 ；) 。6 越小，疲劳强度降低越大。 表露越耀糙，疲势极限降低藏越严重。材料的强震水乎越礴， 袭夏状态驰影穗越大。1 6 v 2 4 0 柴油极戴轴要求主孝垂颈和连挺颈豹 袭瑟糨糕度为r a = 0 ，8 ，这种要求经过露削是比较容爨达到熙。但 爨摄处臻难傈谣表嚣稷糙发r a = 0 8 ，毽它又是应力集孛系数较大 匏建险截嚣，搿以为提藤藏轴豹疲劳强度需簧采熙专耀刀具帮特爨 豹切削液。 因此，兹轴表瑟甥削热王过程中貔甥剀耀鬟、切削工具等与甥 北方交通大学硕士学位论文第二章影响球铁曲轴疲劳寿命的困素 削加工有关的因素，都会对曲轴的疲劳强度产生影响。 在对曲轴进行表面加工时，主要会产生三种现象：( 1 ) 表面层 的塑性变形；( 2 ) 表面层温度的提高；( 3 ) 表面层的粗糙度。它们 所涉及到的疲劳强度的影响因素是： ( 1 ) 表面层的塑性变形 反映加工过程中表面层的塑性变形对疲劳强度的影响有下面 三个方面： a t 一应变硬化程度，应变硬化程度越高，疲劳强度越高。 b t 一应变硬化层的厚度，硬化层越厚( 但不能超过塑性变 形区的厚度) ，疲劳强度越高。 c 一残余应力的大小，残余拉应力使疲劳强度降低，残余 压应力使疲劳强度提高。 ( 2 ) 表面层温度的提高 反映加工过程中表面层温度的提高对疲劳强度的影响有下面 三个方面： az 一软化程度，软化程度越高，疲劳强度越低。 b t 一时效程度，中温下时效疲劳强度升高，温度过高使疲 劳强度降低。 c 。一残余应力大小 ( 3 ) 表面层的粗糙度 反映加工过程中表面层粗糙度对疲劳强度的影响有下面二个 方面： a 。一刀痕的深度，深度越大对疲劳强度的影响越大。 b 。一刀痕的锐度，锐度越大对疲劳强度的影响越大。 上述因素对拉压、弯曲和扭转疲劳强度的影响见表4 ：切削用 量对加工表面层的影响见表5 。阳1 北方交通大学颁卜学位论文 第二二章影响球铁曲轴疲劳寿命的闻索 表4 表面加工对疲劳强度的影响 切削时发生 影响因素 疲劳强度 的现象拉压弯曲扭转 a 提高 提高 提高 表面层塑 b 提高提高提高 性的变形 c 。降低提高降低 az降低降低降低 表面层受热 b 2提高提高提高 c ：降低降低降低 a 3降低 降低降低 表面粗糙度 b ，降低降低降低 表5 切削用量对加工表面层的影响 塑性变形温度增加凹凸不平 切削用量 a 。b c 、a ! b2c 2a ；b 切削速度增大降低降低降低降低降低 降低降低降低 增大进给量提高提高提高降低降低降低提高提高 切削深度增大提高提高提高提高 提高提高 提高 提高 2 3 表面强化处理的影响 疲劳破坏大多起源于零件的表面和次表面，通过表面强化处 理，不仅可以改变金属表层的组织结构，而且可以使金属表层获得 较高的残余压应力，能够显著的提高零件的疲劳性能。目前比较常 用的表面强化处理手段有表面化学热处理( 主要有渗碳、氮化和碳 氮共渗三种) 、表面淬火、表面形变强化( 喷丸、滚压、挤压等) 北方交通太学颅：t 学位论文 第二萝蟛嫡球铁躲辘踱劳澎念越渊索 以及几种表颈强化措施的综合运用。东风4 型内燃机车柴油机球墨 铸铁曲轴的表面强化方式般采用表面喷丸、表面滚联和表磷氮化 处理。 2 3 1 表面喷丸强化 表面喷丸是用压缩空气将直径为0 4 2 m m 的钢丸或铸铁丸以 很高的速度，喷向零件表面，使表层材料产生加工硬化，以提高零 件的疲劳强度的方法。喷丸改变了零件表面的显微几何形状，使零 件衰层产生残余压应力，可降低零件承受载荷时袭层的最大拉应 力，因此提商了疲劳寿命。 1 6 v 2 4 0 柴油机曲轴在绝坯铸造完成后，对曲梗进行喷丸强化。 由于曲轴的曲柄属于非加工面，不可避免地存在表颟粗糙和缺陷等 现象，喷丸处理后，表面强化的效果比较明盟，可以有效地增加疲 劳寿命。 2 3 2 表面滚压 表面滚压是广泛用于撮高农面粗糙度及褒西强化的措施之一。 滚子由一个或几个硬度很高的滚轮组成，用它对零件的袭馘施加压 力。在滚压过程中，工件表层产生残余压应力，从丽提离零件的表 面光洁度和疲劳强度。 研究滚压强化工艺的各项参数表明，影响零件疲劳强度最大的 因素，是滚子作用在零件表面上的压力。滚子直径的大小对被滚压 工件的疲劳强度不是主装的影响因素；滚压的次数般不超过两 次，超过两次时效果不明显，但当压力较小时，增加次数可以提赢 强化效应。 东风4 型内燃机车柴油机曲轴的嘲根处是整个工件的危险截 面，圆根处表面粗糙低并有应力集中，因此曲轴豳根应该进行滚压 处理。滚压后，不但在此处形成一个残余压应力，而且可以提斑表 北方交通凡学颂l ：学位论文 第一章始响球铁【f l 轴拔劳寿命的索 面粗糙度，对提高曲轴的疲劳寿命大有益处。 2 3 3 氮化处理 曲轴氮化就是把氮渗入曲轴表面，在表层形成富氮硬化层的化 学热处理。工厂一般是把n h ，加热到4 0 0 以上，使之生成的活性 氮原子( n ) 渗入零件的表面，过剩的活性氮原子便结合成分子( n ：) 从废气中排出。活性氮原子具有足够的能量之后，克服零件表面的 阻力，就进入零件表层，先溶解形成氮的饱和固溶体，若继续不断 有活性氮原子“冲”入零件表层，便进一步形成铁的氮化物。曲轴 氮化时要求氮化深度0 1 8 m m ，氮化硬度h r c 4 5 。氮化工艺如图 l 所示。 曲轴在铸造和热处理等生产过程中，不可避免地产生这样或那 样的缺陷和裂纹；在零件的切削加工过程中，表面残留有切削刀痕； 在使用过程中，环境影响和循环应力作用都会使材料局部脆化而形 成裂纹。因此，曲轴可以看作是带有很多微细缺陷的一个零件。曲 轴氮化的目的是使轴颈及过渡圆角处表面形成一层具有残余压应 力的硬化层，以降低曲轴对表面缺口的敏感性，提高其疲劳强度、 耐磨性和耐腐蚀性，从而保证曲轴在柴油机上耐久可靠地工作。 温度( ) 图1 曲轴氮化工艺曲线 北方交通人学硕士学位论文 第一章影响球铁曲轴疲劳寿命的斟素 曲轴氮化后可以提高疲劳极限及降低裂纹扩展速率。根据文 献介绍，采用的试样取自曲轴的曲柄及中2 4 0 4 0 0 0 m m 、内孔中 8 0 m m 实物试样，在试样上加工出切口，并把有些试样进行氮化， 然后在疲劳试验机上进行试验，试验结果见表6 。 从表6 中可以看出： ( 1 ) 对于光滑试样，氮化的作用很微弱。6 一。* m 6 一。= 1 2 1 。 ( 2 ) 对于缺口试样，氮化后的效果十分明显，疲劳极限显著提 高，6 一i n 6 一= 1 6 8 2 1 。 ( 3 ) 氮化缺口试样都在非缺口处断裂，而未氮化缺口试样都在 缺口处断裂。可见氮化后缺口处疲劳极限大于非缺口处疲 劳极限。 另从曲轴连杆颈上取试样，比较氮化和不氮化试样对裂纹扩展 速率d a d n 的影响，结果表明卜“，氮化提高了裂纹扩展的门槛值 约2 0 3 5 左右：在相同载荷条件下氮化后裂纹穿越氮化层深度 ( 约0 1 8 m m ) 的扩展速率比未氮化的裂纹扩展速率低大约5 倍： 氮化后允许的原始缺陷的尺寸可比未氮化前允许的原始缺陷尺寸 放宽一倍还多。由a n 曲线( 见图2 ) 可见，在同样的循环次数 下，氮化比未氮化疲劳裂纹扩展慢，使疲劳寿命提高。 由以上的分析可以看出，氮化是延长球墨铸铁曲轴寿命的有效 方法，特别是对改善表面缺陷的不良影响有很好的效果。尤其是对 于铁路机车大修厂来说，运用曲轴不可避免地存在这样或那样的缺 陷，利用氮化减轻或消除这些缺陷的影响，实践证明是切实可行的。 北方交通大学硕卜学位论文第二章影响球铁曲轴疲劳寿命的因素 表6 氮化与未氮化切口试样疲劳极限比较 试 样 试样l 艺 氮化术断口 切口疲劳极限m p a 桌 编号处理氮化 部位 源 断l 未氮化2 4 8 2 5 8中部 未切口 轴2氮化中部 取3 未氮化 o1 2 7 切口处 2 i 倍 样4 氮化 = 00 6 5 2 6 5 非切口处 3 2 未氮化 2 0 0 2 3 0 中部 未切口1 2 1 倍 3 2 氮化2 4 4 2 7 8 中部 实 2 未氮化 p1 4 4 切口处 1 7 3 倍 物 2 氮化 = 00 6 5 2 5 0 非切口处 试5 未氮化1 4 4 切口处 p 011 6 8 倍 样 5 氮化 2 5 0 1 切口处 4 未氮化15 8 切口处 p + = o 2 5 1 8 6 倍 4 氮化 2 9 4 非切口处 6 未氮化 p + 0 11 4 3 5 切口处 9 0 。直缺 17 0 倍 实7 氮化2 4 4 非切口处 口 物 8未氮化1 6 5 切口处 试 = 00 7 5 样 1 6 9 倍 9 氮化4 5 。斜缺2 7 3 1 e 切口处 口 注：p 为切口半径( m m ) - 1 5 北方交通大学硕士学位论文 第二章影响球铁f f l 轴疲劳寿命的圜素 图2 氮化与未氮化试样的a n 曲线 2 4 结构、尺寸对疲劳寿命的影响 1 6 v 2 4 0 柴油机球墨铸铁曲轴属于整体式大型曲轴，结构复杂， 铸造及加工都十分困难，因此曲轴的结构和尺寸需要严格控制，以 保证有一个良好的铸造工艺性来减少缺陷的产生。 2 4 1 轴颈重叠度 所谓轴颈重叠度是指曲轴主轴颈直径与连杆颈直径重合部分 的厚度。根据生产球墨铸铁曲轴的经验，随着轴颈重叠度的增加， 产生缩松的倾向减小，从而提高了曲轴质量。这是因为浇铸曲轴时， 曲轴由下而上顺序凝固，冒口最后凝固。这样补缩就是由上而下， 即处在上面的轴颈能起到补缩作用，最后由冒口来补缩。显然，随 着轴颈重叠度的增加，补缩的通道就加大，这样补缩的效果就越好， 曲轴就越不易产生缩松等铸造缺陷，曲轴的寿命就会延长。1 6 v 2 4 0 柴油机曲轴的轴颈重叠度是7 0 m m 。 ! ! 查銮望查兰堡：! 兰垡堡苎 笙= 翌堂塑竺墼些塾些蒸查堂堂i ! 生 ( 旺) ( 亡) 固3 轴颈的= ：同缩 匈 f b ) 2 4 2 轴颈的结构 结构形状对铸造球铁曲轴的抗疲劳性能具有很大的影响。曲轴 轴颈采用空心结构可增加曲轴疲劳强度，减轻轴重。因为铸件截面 厚度越大，外部与中心的冷却速度差别也会越大，在组织和性能上 的差别也就越大。而且由于冷却慢的中心部分容易造成组织疏松， 使机械性能降低。当采用空心轴孔( 见图3 ( a ) ) 后与实心曲轴轴 颈( 见图3 ( b ) ) 相比，曲轴各部分厚度趋向均匀，从而减少了热 节，有利于避免产生缩孔、缩松，还可减少铸造内应力，防止裂纹 北方交通人学颂卜学位论文 第二章影响球铁f f f i 轴披劳寿命的索 的产生，因此可以显著提高曲轴的疲劳强度。由文献”3 可知，具 有腰鼓形轴孔的连杆颈，其疲劳强度是实心连杆颈的3 倍( 见图3 ( c ) ) 。 曲轴断裂最常见的部位主要有主轴颈圆根到连杆颈圆根的连 线上( 俗称危险断面) ，因为圆根处是应力集中比较严重的一个部 位。为了改善圆根处的应力集中状况，在不增加轴颈长度的情况下， 采用内圆弧圆根，过渡圆弧半径为r 7 m m 。另一个常见的断裂部位 是曲轴轴颈的油孔附近，在曲轴加工和检修过程中，轴颈油孔的倒 角质量十分关键，倒角既要过渡自然，又要保证粗糙度，从而可以 减小应力集中。在油孔和轴孔交叉处进行局部加厚也可以减低该处 的应力集中，提高曲轴的疲劳强度。 24 3 曲柄的结构 改变曲柄的形状可使其上的“力流线”分布更均匀，减少应力 集中，从而可以提高曲轴的疲劳强度。l6 v 2 4 0 柴油机曲轴的曲柄 是带有平衡重的，原设计如图4 ( a ) 所示，曲柄上带有斧型平衡 重。这样在铸造时，由于平衡重部分先冷却，使缩松等铸造缺陷容 易转移到轴颈部位( 该部分比平衡重冷却要晚一些) ，难以保证曲 轴铸造质量。同时，这种斧型平衡重，在有些曲柄上也妨碍取模。 后来，改变了平衡重的形状，如图4 ( b ) 所示，这在造型时既不 会妨碍取模，又有利于防止轴颈产生缩松，使铸造质量得到保证， 曲轴的使用寿命大大提高。 北方交通大学坝i 。学位论文第一币影响球铁m 轴城劳寿命的附素 ( q ) ( b ) 圈4 球墨铸铁曲轴的曲柄结构 2 4 4 尺寸的影晌 n 牵芎科的疲劳极限6 一。通常都楚用小试祥在疲劳试验丰几上测定 的，试祥直径一般为6 l o m m ，丽实际零件的截面尺寸往往大子此 值。疲劳试验表明，随着零件的截面尺寸夯讨大，疲劳极限下降，如 图6 所示。原霞有以下凡个方面： 1 如果标准试样蔻觚不同截面的毛坯上联下，由于大截丽毛坯 的机械往能眈小截面毛坯的丰凡械性能低，所以静使在工艺条件相同 的情况下，从前者取下的试样的疲劳梭限要沈葳者取下的试样的疲 谚t 一 锄掣 北方交通大学颂l 学位论义第一帚影响球铁曲鼾i l 拔劳舟命的索 劳极限低。球铁曲轴出于零件尺寸比较大，在铸造过程中因表面和 心部的冷却速度不一样，致使各部分的晶粒粗细和合金成分等也不 一样，所以，象这样大截面的零部件形成夹杂、偏析、缩孔和裂纹 等缺陷的机会要比小截面的毛坯多一些，因此，球铁曲轴的疲劳极 限要小于标准试样得到的疲劳极限值 2 零件上的应力梯度是造成尺寸效应的主要原因之一。如图5 所示，当零件承受的最大正应力6 相同时，在截面尺寸发生变 化处，在同一表层厚度6 范围内，小截面处的表层材料所承受的最 大应力平均值5 。，要比大截面处的表层材料所承受的最大应力平 均值6 。小些，这是由较陡的应力梯度造成的。大截面处的表层承 受较高水平的应力平均值，从而造成疲劳强度下降。 图5 截面尺寸对应力梯度的影响 2 5 检修及组装工艺的影响 曲轴检修过程中，要经过解体、清洗、探伤、手工修理机械 磨修( 粗磨、车圆根、精磨、氮化、抛光) 、装油堵、配齿轮等工 艺过程。在这些工艺过程中，如果某些工艺不合理，或者在工艺的 具体操作上出现了误差，如曲轴在磨修过程中表面粗糙度太差，那 北方交通大学顶i j 学位论义第一帚 影l 啊球铁曲轴疲劳寿命的圳索 么就相当于在轴颈表面存在很多的微缺口，这些微缺口能够使疲劳 强度显著下降，影响曲轴的疲劳寿命。柴油机组装曲轴时，主轴承 螺栓的紧固力矩、主轴瓦和连杆瓦的紧余量是否合适，曲轴主轴颈 跳动的阶梯度和机体主轴孔同轴度的阶梯度是否良好，都会对曲轴 的使用寿命带来影响。 2 5 1 曲轴解体工艺 内燃机车大修时，入厂机车解体后，柴油机送柴油机车间进行 二次解体，曲轴拆下后按以下流程进行拆卸、检测：( 1 ) 解体：曲 轴油堵在解体时，按照解体工艺，先用拆卸曲轴挡圈的专用工具拆 下油堵( 也称铝堵) 外部的挡圈，然后用乙炔火焰稍微烘烤一下铝 堵，由于热涨冷缩率的不同，就可以很容易的取下铝堵。( 2 ) 清洗 探伤：清洗后由分解检查员进行检测，并确定应修范围。探伤时要 根据探伤工艺，由探伤工对曲轴轴颈进行磁粉探伤，对于铸造缺陷 按d l c 8 0 0 j t ( i i 1 ) 3 1 6 v 2 4 0 z j 柴油机曲轴铸造检查技术条 件有关规定进行处理，非铸造缺陷按有关技术条件处理。同时， 对拆除铝堵后的曲轴的铝堵孔专门进行着色探伤，发现裂纹或其它 缺陷时按相关技术条件进行处理，当缺陷不能消除时，该曲轴报废。 ( 3 ) 检测确定修程：分解检查员根据探伤情况、各轴颈的表面拉 伤情况以及轴颈的跳动、圆度、圆柱度、平行度等技术要求对曲轴 进行全面鉴定，确定是进行手工修还是进行机械磨修。( 4 ) 修理： 手工修的曲轴用6 0 0 粒度中软油石打磨主轴颈和连杆颈后，不再进 行热处理，而是在检修合格后直接进行装车；机械磨修的曲轴在精 加工后进行氮化处理，以提高表面硬度和疲劳强度。 通过对以上曲轴检修工艺的认真分析和跟踪调查，发现在铝堵 拆卸时存在问题。工艺上要求先拆挡圈，然后用乙炔火焰对铝堵进 行低温烘烤，然后拆下铝堵。但在实际工作中，操作者为了简便省 事，不是先拆掉挡圈，而是直接把乙炔火焰调到温度很高，把焊枪 ! ! 查銮望盔兰堡：! 堂竺堡苎 兰= 量堂堕壁堡堕塑垄墨兰塑塑! 堕 静止地放在曲轴上，对着挡圈和铝堵较长时矧烘烤，直到挡圈发红、 变软，能够很容易的拉出为止，接着再拆下铝堵。根据现场调查， 铝堵旁边的部分金属已经熔化，这表明加热温度己超过8 0 0 。在 这个操作过程中，曲轴油堵孔出于较长时间烘烤的原因，也同样受 热达到了很高的温度，使油堵孔处金属的会相组织发生了变化，残 余应力状态也发生了变化，导致曲轴的疲劳强度降低、使用寿命缩 婚。 25 2 氮化弯曲变形 曲轴在氮化时，由于加工应力和本身重力的作用，都不可避免 地要产生一定程度的变形。为了消除变形，工厂在曲轴磨修工艺中 规定，曲轴主轴颈的磨削过程分为粗磨和精磨两个工步，在粗磨和 精磨中间安排氮化工序，粗磨为精磨留量0 2 0 m m ( 直径) ，曲轴在 氮化后把这部分留量磨掉。由于曲轴的氮化深度为0 18 m m ，这样 做的结果就是有大多数的氮化层被磨掉了，使氮化层厚度降低，而 表面强化零件疲劳强度的提高与硬化层厚度之间的关系是( 。一 。一。) o 。= 2 t d 式中：。一+ 。为表面层强化后的材料疲劳极限 0 一为非表面强化的材料疲劳极限 t 为硬化层厚度 d 为材料直径 由以上公式可以看出，零件的疲劳极限的提高与硬化层的相对 厚度t d 成正比。而相对于曲轴主轴颈来说，d = 2 2 0 m m ，设t 为 原始氮化层厚度，取t = 0 2 0 m m ，t ：为磨削后剩余的氮化层厚度， 一般情况下则t 。= 0 1 0 m m ，因此可以认为，现行的磨修工艺磨掉了 大约一半的硬化层，也就是说，使疲劳强度没有得到有效的提高。 因此有必要对这种检修工艺中的氮化处理工序进行调整，使氮化起 到相应的作用。 北方交通大学倾_ 上学位论文 第一二章蟛响球铁黼轴城劳寿命的谢案 2 5 3 柴油橇缓装瓣的装醚屡量 紫油梳缀装时，妇辘主辖琰熬直线度和橇体主睾建承孔媳网轴发 静配合阶梯废对潼辕的使用寿余翼有显蔫豹影# 彝。囊玲梯发比较大 时，橇俸主辘承盖会给趋辍辖颈带寒缀大懿瓣掘盛力，载蔹增搬， 加速了辘矮的破坏，谨貉辕疲劳寿余缩戆。 此外，在梳体主辘承嫘栓紧鑫过程中，如果嫘检恕紧力矩不够， 或主辅瓦静紧余量不是，都会造成主辙瓦在枧俸主辍承孔内发生转 动，使益轴主辖颈热静瓣鸯嚣应力剧增，缀快裁会造成麴轴叛裂。铡 妇经邋大修嚣静郑矧铁路筠宝丰枫务段0 4 8 4 枫车，2 0 0 1 年3 羁投 入运鬟，2 0 0 1 年9 胃鞠辕发生戮裂。该橇车返厂后解体发瑗，柴 油机第三位蔓轴承羲有一个圭辘承螺栓紧晷不列搜，造成主辘瓦转 动，蘸轴在第三主辜蠹颈霾校与第三连稃瑟瑟根连线处叛开。 戳诧，在柴灌橇缀装过程中，必须傈证虢辘主鞋琰跳动豹除梯 度笳橇体主鞴承讫瓣辅度静狳梯发，羚梯度越夸越姆。露辩，严格 按工艺要求繁固主辕承擦检，缝装对加强对主轴瓦紧余量靛检套， 以免主轴瓦发生转动。 在柴油橇组装辩，舅终一个严重影螭篷辘搜臻寿余款濯素是维 装零部件静清洁度i 季曩整枫清灞度。警满滑溃中存在一些襁槭鬏粒 时，这霄酶润淆状态会变成辍为恶劣翡黪料蘑按，使麴轴豹表瑟状 况严蘩瑟纯，表蘑捉伤出璇一些沟痰，这些海痰会造成盛力集中。 蘑擐严重薅，荣灌极会发生碾瓦，导致潼路堵塞镬盛辙辖暝表嚣严 重缺漓舔产生横向裂纹。 当然检修过程中影响癌辘俊用寿余翡英它因索还有很多，如 辖瓦、活塞遘拇、气链套等懿缝装矮蹩帮会对热辖往爝产生囊接影 难 。 影确球爨铸铁赭辅疲劳强度熬因素跫多方蕊酌，除以上提到翁 一些艨西之静，榜瓣静磊粒凄、热处理与组织形态欲及强度、塑牲 北方交通人学硕士学位论文 第一章影响球铁曲轴疲劳寿命的吲素 与韧性的配合是否合理：曲轴受到的工作载荷的频率和工作应力波 形；曲轴在柴油机上装配后与机体和活塞连杆组的配合情况以及曲 轴在柴油机上的使用条件等都会影响到曲轴的疲劳强度，哪一方面 存在不足，都将引起曲轴的提前破坏。 北方交通夫学坝 + 学位论义 第二章j 缮石赫轴菲萨常黼震的失效分柝 第三耄- - 修后曲轴非正常断裂的失效分板 扶表2 中可以纛出，除集宁极务段1 4 0 3 孝几车艟轴为戚墅堰机 车车辆厂耨制蘧辖外，其余均为经过厂修( 手工修理) 的0 级魑轴； 盈多为9 9 年出厂载橇车，运粥聪溺不长；嚣虽这六条蝗秘的凝裂 及裂纹位鬻均和硅墙孔联系在一起，聪此我们把油堵孔 乍为磺究豹 重点，逶避对蓝转解体工艺豹分摄，已经蒸本找到同题发生的缀慰。 为了遴步凑定凝裂戆蹶因，选敬9 0 一2