柴油机曲轴失效分析及改善方法

柴油机曲轴失效分析及改善方法摘 要：本文介绍了曲轴的材质、几何尺寸、成形工艺等，同时对出现的失效曲轴进行分析，包括断裂形式、部位及塑性变形情况，并按失效的不同部位进行分类，找出了失效的规律，确定了被动方式如化瓦或失油造成曲轴失效，另外是由制造和装配质量原因引起的曲轴失效。关键词：曲轴；失效分析；影响因素；提高寿命一、 绪论1.1 引言曲轴是柴油机重要的零部件之一，曲轴质量的优劣直接影响着柴油机的性能和寿命。曲轴受到周期性不断变化的交变载荷作用，产生扭转和横向与纵向振动，承受弯曲、扭转、冲击等多种应力以及高温及腐蚀的作用，工作环境十分恶劣。曲轴在发生断裂之前往往没有先兆，是一种突发性事故，一旦发生将造成极大的危害。失效不仅给企业带来不少的直接经济损失，同时也造成更大的间接损失主要包括企业的信誉和市场竞争能力的削弱。因此，为了减少柴油机曲轴失效现象的重复发生，提高曲轴质量，延长其使用寿命，增强柴油机服役安全性和可靠性，开展对曲轴早期断裂失效分析研究是十分必要的。失效分析的积极作用在于找出失效的原因，并提出针对性地改进建议和预防措施，失效分析是可靠性技术中的一个重要环节。1.2 国内外研究现状各种机械零件及构件都具有一定的功能，如承受某种载荷、传递能量、完成某种规定动作等，当机械零件丧失它应有的功能时，则称该零件失效。各种零件失效的形式，归纳起来可分为过量变形、断裂和表面损伤等几种类型1。近年来，由于产品失效引发的事故，给社会和企业造成的损失和危害是非常惊人的，同时，人们的质量意识不断强化，各行业对开展失效分析、提高产品质量以及强化质量管理的需求越来越强烈。引起失效的因素是复杂的，失效总是从产品对服役条件最不适应的环节开始的，而且失效的产品或零件的残骸上必然会保留有失效过程的信息2失效分析是一门新兴的学科，它具有两个显著的特点：第一是综合性，即它涉及广泛的学科领域和技术门类；第二是实用性，即它有很强的生产应用背景，与经济建设有极其密切的联系。目前国内外在失效分析方法研究方面做了不少的工作，已取得了一定的成就，创造了诸如“失效事故的形式及影响分析”、“故障树分析”、“现象树分析”和“特性要因图”等方法1。应力计算的传统方法有两种：断开梁法和连续梁法3。如文献4中曲轴整体计算模型就共有30000多个节点。因此在常规条件下求解，就必须采用合适的方法。例如采用子结构分析法5，6。其基本思想是通过多级离散实现曲轴结构有限元模型化。划分有限元网格时，考虑到曲轴局部（如过渡圆角和油孔部位）产生应力集中，必须在应力集中区域将网格加密。一般采用两种方式：一种是在应力集中区域直接加密网格7，8；另一种是先采用粗网格计算，然后在应力集中区域取出一块进行局部细化计算9。二、 曲轴的结构及加工工艺2.1曲轴的结构及各部分的作用曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。曲轴的前端轴一般驱动冷却风扇、正时齿轮、发电机和水泵等主轴颈也就是曲轴的回转中心，通过轴承即主轴承安装在柴油机机体上连杆轴颈也叫曲柄销，绕主轴颈旋转连接连杆轴颈和主轴颈的部分称为曲柄，一个连杆轴颈和相邻的两个曲柄及主轴颈叫曲拐为了使曲轴运转平稳，使曲轴的旋转中心和质量中心重合，在曲柄的下方设计有平衡重曲轴的后端是曲轴的输出端，其上安装飞轮，飞轮后接离合器、变速器。主轴颈和连杆轴颈是曲轴的高速滑动摩擦部分，轴颈两端与曲柄连接处都要求有严格的圆弧过渡，以防应力集中，设计圆角R=6。为了提高疲劳强度，曲轴的圆角要求过渡圆滑。主轴颈是曲轴的支承部分，所有的主轴颈位于同一中心线上。因为前端轴驱动辅助装置和后端轴支承飞轮，增加了两端主轴颈的负荷，以及有些曲轴中间一道主轴颈由于两边的连杆轴径在同一个方向或中间两气缸进行道短充气量大，动力较大，使中间主轴颈负荷较大。所以，一般柴油机曲轴两端的主轴颈以及有些曲轴的中间一道主轴颈较长，使接触面积较大，可均衡各主轴颈的磨损。连杆轴颈也叫曲柄销，在直列式柴油机上，连杆轴颈与气缸数相同。在V型发动机上，大多数是一个连杆轴颈上装左右两列各一个气缸的连杆，所以连杆轴颈为气缸数的1/2。曲轴上钻有贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈的油道，主轴承内的润滑油可经此贯穿油道流至连杆轴承13，以润滑高速摩擦的连杆轴颈。2.2曲轴材料的选择选择曲轴材料，主要是从其能满足零件的技术性能要求，并具有冷、热加工的良好工艺性，成本低、能耗低以及高的生产率等几方面考虑。按照曲轴的工作条件，材料在通过强化处理后，应具有优良的综合机械性能、高的强度和韧性、高的疲劳抗力和良好的耐磨性。大功率、大排量柴油机多采用综合机械性能较高的优质中碳钢或中碳合金钢锻造而成。2.3曲轴生产工艺流程及主要工序介绍2.3.1 工艺流程下料车加工开档中频加热全纤维锻造正火高温回火粗加工调质热处理校直半精加工高温去应力精加工表面氮化热处理抛光清洗终检。2.3.2 锻造在1100下进行热顶锻、热顶锻后的试样为原试样高度的1/3，不得出现裂纹和裂口。锻造后820退火2小时，空气冷却，跳动量大于3mm 时要进行冷校直，校直捕捞曲轴应进行620，5小时退火、空气冷却、消除应力。2.3.3 粗加工每道工序后进行退火消除应力，620保温3小时，3小时冷却至350，然后在空气中冷却，且无氧化皮。2.3.4 氮化曲轴表面进行氮化处理，一方面是为了获得高的疲劳强度，另一方面是为了获得高的表面硬度，提高曲轴的耐磨性能。2.3.5 圆角淬火淬火的目的是为了提高疲劳强度、提高耐磨性并保持心部韧性的优良综合性能。其主要要求为：曲轴做中频淬火，淬火硬度55HRC，回火硬度表面52HRC，有效硬化层深处45HRC，淬硬层金相组织为细针状马氏体，第四主轴颈跳动1.2mm 时允许校直(淬火前校直)，1.2mm 时不允许校直。三、曲轴失效的主要影响因素曲轴是柴油机中最重要的运动部件。它的主要作用是将活塞的往复运动转变为旋转运动，并输出功率。在工作过程中，往复的惯性力和离心力使曲轴长期承受弯曲、扭转、振动、拉压等循环交变应力，这种交变载荷以及高温、高速、腐蚀介质等使曲轴的服役条件十分恶劣。3.1曲轴断裂失效的一般特征工程构件在交变应力作用下，经一定循环周次后发生的断裂称作疲劳断裂。曲轴失效可以由多种原因引起，然而，冲击疲劳失效可能是曲轴失效中最普遍的原因10。疲劳最终断裂是瞬时的，因此它的危害性较大，甚至会造成机毁人亡的重大损失。工程上疲劳断裂占大多数，约占失效总数的以上，疲劳裂纹往往是起始于某些应力集中区域，这些应力集中是由于存在着表面不连续性所造成的11,12。3.2 曲轴本身质量存在缺陷曲轴存在原材料、锻造、热处理等方面的缺陷，造成强度降低，容易造成失效。如曲轴是由原材料(钢锭)锻打而成，钢锭的中心部位有一个偏析带，在其外部是无缺陷的合格晶带。这个合格晶带正好处于曲轴的表面。生产曲轴时，先将钢锭轧制成一根圆棒料，然后对轴颈和曲柄进行成型锻造。若锻成的曲柄和轴颈直颈误差太大，偏析将有可能出现在曲柄和轴颈的表面。这种材料偏析在热处理过程中是无法消除的，这会明显降低材料的疲劳强度。3.3 加工工艺方面的问题3.3.1 轴颈圆角过小或加工不良据有关部门测定，曲轴轴颈的过渡圆角半颈若由原设计3mm减至2mm时，曲轴疲劳寿命则减少一倍。曲轴的加工工艺复杂，特别是轴颈有很高的尺寸和形位公差要求，一般按6级精度制造，粗糙度不高于R/2.5。轴颈表面需要热处理以提高其耐磨性。曲轴断裂多发生在轴颈圆角处。3.3.2 曲轴校直引起的断裂在加工过程中为了保证曲轴平直度，需要进行校直，曲轴的校直是按曲轴的变形程度而定。校直的方法一般是在油压机的平台上两端支撑中间加载即三点弯矩加载校直，尽管校直所用的力比一次断裂所用的力低许多，但这并不等于说曲轴校直所用的力会给曲轴造成损坏，校直造成的损坏不是一次加载断裂，而是在曲轴的关键部位圆角处造成微小的开裂或导致原有缺陷的扩大。这些微小的裂纹或扩大了的缺陷可能促使曲轴在工作过程中引起疲劳断裂的根源。3.3.3 曲轴不清洁引起的曲轴失效连杆轴颈空心油腔和斜油道应通畅，不得有油污、金属屑及各种杂物堵塞现象，油孔边缘应圆滑、抛光。否则容易引起化瓦以至破坏曲轴表面，引发曲轴失效。3.4装配问题3.4.1 主轴瓦中心线不同心柴油机修理组装时，缸体上各道主轴瓦的中心线如果不同心，除会发生烧瓦抱轴事故外，曲轴也因受到交变应力的强烈冲击而容易断裂。3.4.2 曲轴装配间隙不合格若曲轴轴颈与轴瓦配合间隙过大，柴油机在重负荷工作时，曲轴就会受到强烈冲击，机油膜也容易破坏，从而发生烧瓦或曲轴断裂事故。3.4.3 飞轮松动飞轮螺栓必须用扭力扳手按规定顺序和扭矩拧紧，并加以锁紧，才能确保飞轮与曲轴的可靠连接。如果飞轮螺栓松动，高速旋转的曲轴组件就失去原有动平衡而产生很大的惯性力，致使曲轴疲劳，容易在尾端折断9。3.4.4 减振器松动法兰与减振器螺栓没有把紧或松脱，法兰与减振器相对磨擦而产生的高温熔化点，因产生高温，引起法兰热膨胀，法兰与曲轴也产生相对运动，使曲轴温度升高且局部产生熔化，强度降低，最终引起旋转疲劳断裂。3.5使用方面3.5.1 供油时间过早或各缸供油量不均若供油时间过早，活塞未到上止点便燃烧爆发，会引起柴油机爆震并使曲轴受到过大的冲击。若各缸供油量不均，会因各缸爆发力不一致而使曲轴各轴颈受力不均，时间一长也容易损伤曲轴。3.5.2 轴颈润滑不良当机油泵磨损严重而出油量减少，造成油压下降，或润滑系统脏污堵塞，使润滑油流通不畅，都会造成在曲轴轴颈上不能形成正常的润滑油膜，因而产生干摩擦，致使产生烧瓦、抱轴事故，甚至发生曲轴断裂。3.5.3 曲轴的扭转振动产生的断裂柴油机动转时，在曲轴的每个曲拐上都作用着大小和方向都周期性变化的切向力和法向力，因此曲轴产生周期变化的扭转和弯曲变形。于是如同任何一个具有惯性质量的弹性系统一样，曲轴轴系会产生振动，使得曲轴轴系各个轴段互相扭转的振动，称为扭转振动；同时，也还有弯曲振动。由于柴油机曲轴一般均用全力支承结构，曲跨度小，弯曲刚度较大，弯曲振动的固有频率很高。扭转振动则不同，特别是在六柴油机情况下，曲轴很长，展开长度更长，扭转刚度较小，而随曲轴一起运动的零件的惯量又较大，特别是飞轮转动惯量很大，所以扭振频率较低，在工作转速范围内易发生强烈共振。3.5.4 操作不当机车起步过猛，油门忽大忽小，紧急制动频繁或长时间超负荷、超速运转，都会使曲轴受到过大扭矩或冲击载荷而容易断裂。四、 改进及提高寿命（1）曲柄与轴颈交接的圆角处是曲轴工作中受弯曲、扭转应力最大的地方，由于过度圆角较小且加工困难，所以，该处也是最容易产生应力集中的部位，曲轴早期断裂失效的裂纹源大部分产生于此。（2）曲轴热处理不当，淬火冷却不足形成大量的铁素体和上贝氏体组织是导致曲轴早期失效破坏的重要因素。曲轴组织中存在大量铁素体及上贝氏体，不仅影响曲轴的静态性能指标，使强度、硬度、冲击韧性降低，关键还会造成曲轴疲劳强度等动态性能指标的大大降低，严重影响曲轴的使用寿命。（3）加强对原材料及锻件材质的控制，特别是曲轴近表面偏析组织的控制。（4）严格按图纸要求加工，保证曲轴各尺寸特别时过渡圆角处的加工精度，保证把应力集中控制在最小范围之内。（5）由于曲轴的正火不充分或过热而形成的奥氏体大小不匀且晶界异常平直以及具有方向性的上贝氏体、铁素体，也是导致曲轴综合性能较差的主要原因，同时使曲轴断口在裂纹扩展的过程中有明显的解理花样、人字形花样及河流状花样，呈现明显解理断口的特征。（6）曲轴锻造过程中，在轴颈圆角处形成的较深折叠层是曲轴致命的缺陷，成品曲轴圆角处一旦保留有锻造折叠层，曲轴使用后会迅速开裂失效。（7）轴颈圆角处的加工质量是影响曲轴疲劳强度的关键因素。当曲轴制造或大修磨削时，如果在此留下明显的加工刀痕，将会造成明显的应力集中效应，大大降低曲轴的疲劳寿命。五、 结束语曲轴是在周期性变化的气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力工作的，同时承受着扭转和弯曲的复杂应力。由于曲轴弯曲与扭转振动而产生附加应力，会在一些部位产生严重的应力集中效应，从而进一步又促进了曲轴的疲劳破坏，因此对曲轴进行疲劳强度试验及分析是必不可少的。曲轴的疲劳破坏又会导致曲轴失效乃至断裂，从而会引发一些重大的事故，因此，对曲轴失效进行分析以及提出应对措施有着重要的意义。参考文献：1 杨