往复式压缩机曲轴的失效分析.doc

工程失效分析往复式压缩机曲轴的失效分析J.A.贝塞拉，FJ希门尼斯，M.托雷斯，DT桑切斯，E卡瓦哈尔西班牙塞维利亚大学工程学院一个R T I C LI N的F o文章信息文章历史：2010年12月6日收到2010年7月13日接受可在线2010年12月15日关键词：曲轴往复式压缩机失败超载摘要对巴士空调中使用的相同型号的复式压缩机中的曲轴进行了大量的失效分析。这个分析包括外部检查，曲轴的化学成分和硬度分析，系统的动力学模型。模拟包括几个子抗剪弹性极限的模型。：制冷循环的热力学模型。压缩机扭矩动力学模型。曲轴的有限元模型（FEM）。动态集总系统模型。从集中模式的结果，以评估由于曲轴的扭转动态应力的有限元分析。从这项研究可以得出几个结论：压缩机的分析表明，扭转动力控制在曲轴的应力和曲轴应力的气体力的影响只是轻微。断口的形貌符合扭矩过载从获得的有限元法和集总模型，曲轴的最大应力位于键槽，曲轴大部分是在这个位置断裂的，这种几何因素对应力集中影响非常高。压缩机的转速范围不断跨越三个较低的共振频率 。压缩机的排气阀应重新设计，以减少气力，功耗和压降。简介我们知道第一辆汽车上配备了空调是在1939年的惠普公司。随着这一技术已的不断发展，事实上，现在世界上大约70的新车使用了这个系统。几乎所有的公交车辆都配备了这项技术。在这个系统中最重要的部件是压缩机，在最常见的一种是往复式容积压缩机。虽然曲轴故障不常见，但在这种类型的设备，当曲轴发生故障，它可能会影响运动链的所有组件（连杆，缸盖等）。本篇所描述的往复式压缩机于巴士空调系统的故障分析，压缩机组成，通过V带的公交车的柴油发动机的四个气缸（五安排）。压缩机通常在1000和2000转之间的变速运行。 压缩机的位置由客车发动机动力通过V带连接决定，如图。1压缩机电磁离合器位于曲轴的自由端开启/关闭。 曲轴失效的最常见的原因是疲劳。在疲劳的顺序出现，循环拉伸应力和裂纹的INI分化网站是必要的。结合循环弯曲应力，由于传输从活塞和连杆气缸压力的径向载荷谐波扭转曲轴运行 - 要添加的惯性载荷。虽然曲轴一般都具有较高的安全边际设计，为了不超过材料的疲劳强度，高循环荷载和局部应力集中，可能导致裂缝的形成和生长，即使疲劳强度不超过平均值。潘迪1分析了两缸35马力拖拉机使用的发动机，在断裂面位于主轴承和杂志之间的曲轴故障。裂纹开始形成在45L左右的平面旋转轴曲柄针的网络区域。裂纹表明beachmarks典型的疲劳失效。疲劳的发病有关的压力，估计是175兆帕，这远远低于从曲轴作了球墨铸铁拉伸应力（约680兆帕）。TAY-LOR等。2开发了球墨铸铁，其中有一个拉伸强度为440兆帕的四缸发动机曲轴疲劳试验：一个实验是扭转和弯曲等。曲轴下了扭转和弯曲的循环加载，直到在这两项测试的失败和45L同样骨折的旋转轴的角度观察。这里介绍的工作，涉及一种方法，使一个要考虑扭转和弯曲载荷，建立曲轴失败的原因。该方法通过动态分析的曲轴参与von Mises应力的评价。这种方法是基于一个动态集总模型与有限元模型3共同开发的结果。2。曲轴材料及故障描述2.1。曲轴的描述和物质组成34CrMo4（EN 10083-3:2002数字：1.7220，BS 708M 32）低合金结构钢淬火和回火之前，作为一个单件伪造的曲轴。每个曲柄连接两个连杆。曲轴的照片如图。2和各个组件的标记。获得三个破曲轴的化学分析数据，使用一台光谱仪，结果如表1所示。在测试中的化学成分得到的结果是一致的，具有典型的34CrMo4值碳的比例虽然略低于预计34CrMo4钢。图1。压缩机的运行位置。J.A. Becerra et al. / Engineering Failure Analysis 18 (2011) 735746737Fig. 2. Compressor crankshaft with common failure surface.表1曲轴断裂的化学成分（重量）。曲轴标识。0 0 10 0200334CrMo4钢碳（）0.360.330.380.30-0.370.02锰（）0.730.840.780.60-0.900.04二氧化硅（）0.230.240.230.400.03含硫量（）0.0200.0200.0160.035+0.005磷（）0.0170.0120.0160.025+0.005铬（）1.020.850.970.90-1.20.05钼（）0.230.200.310.15-0.300.03断曲轴的布氏硬度值进行了测定，结果如表2所示。两三个曲轴（0 0 10 0 3）显示出类似的值，但第三个结果是较低的。这些值估计在最后一排的抗拉强度秀开车。2.2。曲轴故障描述在工作时间范围4000-6000小时，这是在保修期内，压缩机高曲柄轴断了，这种故障导致制造商重新评估设计。常见的破坏面位置显示图。2。一个破碎的曲轴如图3沿着故障区域。破坏面是在约45L曲轴的旋转轴的角度。这个值出现在几乎所有的断曲轴相同，并扭转超载或疲劳的失败负责是一致的。断口通常跨越键槽几何应力集中，并以这种方式肯定会影响裂纹。的beachmarks没有观察周围面积故障，它也显示了脆的外观。3。制冷循环的热力学模型一个系统的静态和动态分析提供了曲轴的应力水平的洞察力。基于这一分析的结果，它是可能的，以确定是否超载可能是负责的故障或疲劳的主要因素是负责。表2布氏硬度和拉伸强度的估计。曲轴标识。001 002 003布氏硬度286252289拉伸强度（MPa）979855993J.A. Becerra et al. / Engineering Failure Analysis 18 (2011) 735746Fig. 3. Appearance of the failure surface.三股势力作用于曲轴：由于气体的压力缸的摩擦力力量惯性力为了评估部队由于气缸内的气体压力对曲轴，气缸内的压力，在一个周期需要估计。用于此目的的制冷气体的演化的热力学模型。汽缸容积评估使用的曲轴和连杆方程4。惯性力计算从曲轴活塞和连杆的几何形状和材料。重新zeka 5和适应这种压缩机开发了一个模型估计的摩擦力。热力学模型中包含的参数如下：气瓶的数量4每汽缸148立方厘米容量缸径68.0毫米连杆长度105.0毫米中风40.0毫米几何死体积总容量的2流体134A高压19.0巴低气压2.5巴进气和排气阀门的流量特性进行测量和1 0.70排放系数在试验台上测量。该模式是依赖于压缩机的转速。气缸内的流体压力的估计，质量和温度（1600转）的演变图表示为_。4。为静态分析压缩机的经营范围内的几个速度进行了研究。在所有研究的情况下，超压排气过程中观察到（如图4所示）。这个增加额外的压力强度对压缩机效率的不利影响，因为它会导致“公约”缔约方会议在制冷循环和在整个系统中的过载系数cient减少。在排气阀的截面积不足是respon可能对这种行为，并要求重新设计。此外，在排气阀的截面积不足，导致在进气压力下降，这最终降低缸进气质量，通过降低容积效率。这种效果是更重要的环境温度和工作增加了系统的高度。压力在Fourier级数的第一至第四次谐波的振幅代表图。5。4。压缩机扭矩动力学模型必须添加一缸和曲柄及其相关的扭矩内的气体压力的演变，在气瓶为了得到总扭矩，由于所有四缸。此值，摩擦和惯性力矩相结合，使整体曲轴扭矩。如图气体压力和惯性力矩。如图6A，需要克服摩擦力的转矩。如图6B和总扭矩。6C。J.A.贝塞拉等人。/工程失效分析18（2011）735-746 739Fig. 4. Estimated evolution of temperature, mass and pressure in the cylinder for a speed of 1600 rpm. Max pressure 19.0 bar. Intake pressure 2.5 bar.Fig. 5. Harmonic amplitudes of the gas pressure inside the cylinder at 1500 rpm.平均转矩，需要克服气体压力和惯性力为57.8nm和克服摩擦力的值是7.2米（总平均转矩的11）。需要最大瞬时扭矩为120牛米。热力循环发电，机械的功率损失和螺柱-IED的速度值的总功率的结果如表3所示。压缩机气缸的相图如图。7可以看出，在第四次谐波，在第一阶段的所有共青团-inders。虽然第四次谐波的振幅是不是非常高（图5），这第四次谐波和它的倍数会产生最高曲轴扭矩。J.A. Becerra et al. / Engineering Failure Analysis 18 (2011) 735746Fig. 6. Mean torque related to gas and inertia forces (A), friction forces (B) and total forces (C) at 1600 rpm.Table 3Power results obtained from the torque acting on the crankshaft for several shaft speeds.RPMThermodynamic cycle power (kW)Mechanical power losses (kW)Total power (kW)10005.40.45.816009.71.210.9200011.21.312.5Fig. 7. Phase diagram for compressor cylinders and for the first to fourth harmonics.5。动态扭分析为了估计由于该系统的动态行为，在曲轴的应力水平，扭转集中用5个自由度（自由度）与有限元（FE）模型，系统的动态模型。遵循一个过程的示意图如图评估在曲轴的应力水平。8。每个曲柄转矩的主要贡献是由于发达国家在每个气缸的活塞顶部的压力。这种压力是通过模拟的制冷气体的热力学模型的发展，如在上一节所述。摩擦4产生的机械损失和惯性力矩也考虑。J.A.贝塞拉等人。/工程失效分析18（2011）735-746741 图8。由于该系统的动态行为，在曲轴的应力水平的方法来评估。在这一步中获得激励扭矩被合并到一个集中的系统模型。这集中模式要求都被分裂被包括在这个过程中曲轴的曲柄刚度。曲轴的有限元模型的刚度值，获得通过。这一步使相邻的自由度相对角位移。随后，沃尔沃曲轴（自由度2，3和4）的结果（角位移）的有限元模型，并应用于冯米塞斯在曲轴的应力轮廓，以这种方式可以得到。5.1。有限元模型的描述曲轴的有限元模型，利用MSC / NASTRAN开发。曲轴的模型中使用的材料的特性（第2尾）如下：材料34CrMo4钢杨氏模量210 GPA泊松系数0.3产量门槛550兆帕用来评价曲轴的刚度有限元模型的网格如图。9。在最后一步同样的模型也被用来评估在曲轴的应力水平。在EVAL-uation刚度采用的边界条件为空地区轴承的径向位移。5.2。扭集总模型一个计划在这里开发的集总模型如图。10和所涉及的数据列于表4。每个自由度的惯性直接从曲轴的尺寸和材料特性进行了评估。通过以上所述的曲轴静态有限元分析评估，为每一个曲柄段的等效刚度。V带的刚度值通过Kozesnik模型评估，钾= AE / L时，其中一个是皮带的横向面积，E为弹性模量相当于年轻的皮带，L为有效长度。这种模式使压缩机的驱动皮带值（= 162 mm2的，L = 1.075毫米）和发电机带（一个= 110 mm2的，L = 370毫米）。相当于年轻模值估计在96-140范围内的两个安全带的兆帕是由生产商。图9。曲轴的有限元网格。图10。集中模式的系统。Table 4Stiffness and inertia parameters in the lumped model.Degree of freedomInertia (kg m2)Stiffness (Nm/rad)1Engine pulleyVery high2Crankshaft end (clutch side)0.1017K12= 183.1261.13Crankshaft intermediate0.00177K23= 59,5004Crankshaft end (oil pump side)0.00177K34= 978005Alternator pulley0.006K25= 90.3132.0解决这个系统的分析模型得到的结果是相邻自由度的角位移。这些数据，然后应用于外部角位移的有限元模型，从而获得von Mises应力等高。扭转集中的系统模型，制定如下：_JH总的Kh：Mfrict：DH; H; L;geometryMeffectiveMcompressorMinertia其中J是惯性矩阵与旋转系统（公斤平方米）的元素，每个H欧元的加速度矢量程度自由（rad/s2），K为刚度矩阵（NM / RAD），h为每个自由度（RAD）的角位移矢量，C的阻尼矩阵（NM / RAD），_每个自由度的速度矢量（弧度/秒），L的油润滑动力粘度（N s/m2）的，Hmfric。每个自由度（NM），Mcompressor压缩机扭矩（Nm），Minertia惯性力矩，由于系统的替代部分（NM），Mindicated机械损失是平均有效扭矩在发动机轴端（NM）假定一个最大功率为5千瓦发电机，包括发电机充电。在此值变化的若干决议也进行了，并没有观察到明显的修改在系统输出。5.2.1。临界转速分析考虑没有作用力，即一个自由振动系统，该系统是解决（假设K12的= 200牛米/ RAD）和赫兹得到扭转的临界频率如下：J.A.贝塞拉等人。/工程失效分析18（2011）735-746 7436; 14; 612; 1814由于带刚度（K12的）评估的不确定性，敏感性分析进行了轻微修改了前两个临界频率高达25带刚度的变化观察。这样的修改并没有观察到的第三次和第四次临界频率。前两个临界频率相交的主要谐波（4转），和它的倍数，在速度低于和远从下限范围（1000 RPM）的运行速度移动 - 除了启动和关闭过程。只有在这样的临界频率，后者在这些过程可以显着影响的系统。另一方面，第三次和第四次临界频率相交压缩机的标称工作范围内的主要谐波倍数（20，24等），图中可以观察。11。与这些谐波（特别是对那些影响第四届关键的速度）低振幅意味着 - 即使这些谐波最具影响力的 - 他们会不会产生高响应系统中的一个。力响应模型中下段允许每个谐波的倍数的响应级别的估计。5.2.2。部队响应系统解决包括发动机，压缩机，惯性和最后的摩擦力矩施加的扭矩模型，每个自由度，可以预计在整个曲轴的扭转载荷产生的瞬时角速度的振荡。在1500转速之间的属于毗邻曲轴自由度相对角位移如图。12。这些值随后被应用到曲轴的有限元模型，以获得在应力水平产生在这个rpm一级。为了评估在最坏的情况下曲轴的应力水平，这两个自由度与范围400-3000 RPM最大振幅分别计算。结果如图。13（3-4）2-3自由度和自由度。三种速度，观察高反应扩增，即1311（28 1311 RPM = 3临界速度），1530（24 1530 RPM = 3临界速度）和1836 RPM（20 1836 RPM = 3临界速度），最大变形OC-curred之间3-2个自由度，其中出现了裂痕。一个约2-3之间的自由度0.4L的最大变形可能是足够接近材料的屈服点。然而，单靠这种现象并不说明裂缝，因为纳入到模型中的阻尼会导致较低的变形值。5.3。有限元模型网状模型，采用4节点四面体固体元素。每个杂志的支持，它允许自由旋转的轴承。在这样的力量时，适用于每个曲柄销，怨妇内部的轴承通过非线性差距元素挂钩，可以考虑适当的反应。这些元素开发的径向力，只有当两个表面被压缩。同类型的元素被用来传输的力量，每个曲柄销从连杆大端。两个不同类型的负载，同时适用于曲轴：扭转载荷。这些都源于上述集总模型。被强加给每个属于曲轴的自由程度是指飞机的最大角位移产生的动态集总模型。表示在图上的两个曲柄角位移。13。图12。在1500转系统的动态响应图13。工作转速r曲轴相邻自由度之间在最大角变形径向载荷。连杆大端传输气体压力从每个气缸每个曲柄销部队沿引脚表面分布。这些部队可以分解成切线，从而产生发动机的扭矩，径向，生产曲轴的弯曲。第二类武力也必须施加到曲轴。图14。0.4L最大的自由度2-3之间的角变形的Von Mises应力轮廓上面描述的扭转载荷应用的有限元模型如图9。这些负荷，当应用同时可由径向的，代表了整个曲轴的动态载荷的估计，因此，有限的结果是接近系统的应力行为。 假设整个键槽的侧面积的受力均匀传输。因此在此区域获得的压力将不可低估。等效von Mises应力分布的有限元分析只包括扭转载荷，如图14。模型估计的最大应力是425兆帕，这是接近材料的屈服点（550兆帕）。此外，负载集中区接近键槽，断层通常在这些区域。径向载荷同时施加压力水平的扭转，但也出现了增加的现象。获得的最大应力值的不确定性有两个主要来源：被高估的最大应力不包括在内，因为阻尼效应。键槽地区的边界条件（在一旁的切向位移为零）用于静态，可能会导致低估的最大应力值。这是因为备用键和键槽侧面之间的接触面的动态效果，不能纳入到静态模型。有两个因素可能会显着增加曲轴的最大应力水平：在材料的局部缺陷由于发动机加速/减速和离合器接合压力瞬态增长此外，由于系统的动态扭转载荷是在曲轴的应力水平的主要控制因素，这个问题结合键槽几何应力集中系数，并带来额外的压力，由于瞬时扭矩，可能是负责超载，导致骨折。为了证实上面列