柴油機(jī)曲軸失效分析及改善方法

柴油機(jī)曲軸失效分析及改善方法摘要：本文介紹了曲軸的材質(zhì)、幾何尺寸、成形工藝等，同時(shí)對(duì)出現(xiàn)的失效曲軸進(jìn)行分析，包括斷裂形式、部位及塑性變形情況，并按失效的不同部位進(jìn)行分類(lèi)，找出了失效的規(guī)律，確定了被動(dòng)方式如化瓦或失油造成曲軸失效，另外是由制造和裝配質(zhì)量原因引起的曲軸失效。關(guān)鍵詞：曲軸；失效分析；影響因素；提高壽命緒論1.1引言曲軸是柴油機(jī)重要的零部件之一，曲軸質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著柴油機(jī)的性能和壽命。曲軸受到周期性不斷變化的交變載荷作用，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和橫向與縱向振動(dòng)，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等多種應(yīng)力以及高溫及腐蝕的作用，工作環(huán)境十分惡劣。曲軸在發(fā)生斷裂之前往往沒(méi)有先兆，是一種突發(fā)性事故，一旦發(fā)生將造成極大的危害。失效不僅給企業(yè)帶來(lái)不少的直接經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也造成更大的間接損失—主要包括企業(yè)的信譽(yù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的削弱。因此，為了減少柴油機(jī)曲軸失效現(xiàn)象的重復(fù)發(fā)生，提高曲軸質(zhì)量，延長(zhǎng)其使用壽命，增強(qiáng)柴油機(jī)服役安全性和可靠性，開(kāi)展對(duì)曲軸早期斷裂失效分析研究是十分必要的。失效分析的積極作用在于找出失效的原因，并提出針對(duì)性地改進(jìn)建議和預(yù)防措施，失效分析是可靠性技術(shù)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀各種機(jī)械零件及構(gòu)件都具有一定的功能，如承受某種載荷、傳遞能量、完成某種規(guī)定動(dòng)作等，當(dāng)機(jī)械零件喪失它應(yīng)有的功能時(shí)，則稱該零件失效。各種零件失效的形式，歸納起來(lái)可分為過(guò)量變形、斷裂和表面損傷等幾種類(lèi)型[1]。近年來(lái)，由于產(chǎn)品失效引發(fā)的事故，給社會(huì)和企業(yè)造成的損失和危害是非常驚人的，同時(shí)，人們的質(zhì)量意識(shí)不斷強(qiáng)化，各行業(yè)對(duì)開(kāi)展失效分析、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及強(qiáng)化質(zhì)量管理的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。引起失效的因素是復(fù)雜的，失效總是從產(chǎn)品對(duì)服役條件最不適應(yīng)的環(huán)節(jié)開(kāi)始的，而且失效的產(chǎn)品或零件的殘骸上必然會(huì)保留有失效過(guò)程的信息[2]失效分析是一門(mén)新興的學(xué)科，它具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：第一是綜合性，即它涉及廣泛的學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)門(mén)類(lèi)；第二是實(shí)用性，即它有很強(qiáng)的生產(chǎn)應(yīng)用背景，與經(jīng)濟(jì)建設(shè)有極其密切的聯(lián)系。目前國(guó)內(nèi)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，創(chuàng)造了諸如“失效事故的形式及影響分析”、“故障樹(shù)分析”、“現(xiàn)象樹(shù)分析”和“特性要因圖”等方法[1]。應(yīng)力計(jì)算的傳統(tǒng)方法有兩種：斷開(kāi)梁法和連續(xù)梁法[3]。如文獻(xiàn)[4]中曲軸整體計(jì)算模型就共有30000多個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此在常規(guī)條件下求解，就必須采用合適的方法。例如采用子結(jié)構(gòu)分析法[5，6]。其基本思想是通過(guò)多級(jí)離散實(shí)現(xiàn)曲軸結(jié)構(gòu)有限元模型化。劃分有限元網(wǎng)格時(shí)，考慮到曲軸局部（如過(guò)渡圓角和油孔部位）產(chǎn)生應(yīng)力集中，必須在應(yīng)力集中區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格加密。一般采用兩種方式：一種是在應(yīng)力集中區(qū)域直接加密網(wǎng)格[7，8]；另一種是先采用粗網(wǎng)格計(jì)算，然后在應(yīng)力集中區(qū)域取出一塊進(jìn)行局部細(xì)化計(jì)算[9]。曲軸的結(jié)構(gòu)及加工工藝2.1曲軸的結(jié)構(gòu)及各部分的作用曲軸一般由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端等組成。曲軸的前端軸一般驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇、正時(shí)齒輪、發(fā)電機(jī)和水泵等主軸頸也就是曲軸的回轉(zhuǎn)中心，通過(guò)軸承即主軸承安裝在柴油機(jī)機(jī)體上連桿軸頸也叫曲柄銷(xiāo)，繞主軸頸旋轉(zhuǎn)連接連桿軸頸和主軸頸的部分稱為曲柄，一個(gè)連桿軸頸和相鄰的兩個(gè)曲柄及主軸頸叫曲拐為了使曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，使曲軸的旋轉(zhuǎn)中心和質(zhì)量中心重合，在曲柄的下方設(shè)計(jì)有平衡重曲軸的后端是曲軸的輸出端，其上安裝飛輪，飛輪后接離合器、變速器。主軸頸和連桿軸頸是曲軸的高速滑動(dòng)摩擦部分，軸頸兩端與曲柄連接處都要求有嚴(yán)格的圓弧過(guò)渡，以防應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)圓角R=6。為了提高疲勞強(qiáng)度，曲軸的圓角要求過(guò)渡圓滑。主軸頸是曲軸的支承部分，所有的主軸頸位于同一中心線上。因?yàn)榍岸溯S驅(qū)動(dòng)輔助裝置和后端軸支承飛輪，增加了兩端主軸頸的負(fù)荷，以及有些曲軸中間一道主軸頸由于兩邊的連桿軸徑在同一個(gè)方向或中間兩氣缸進(jìn)行道短充氣量大，動(dòng)力較大，使中間主軸頸負(fù)荷較大。所以，一般柴油機(jī)曲軸兩端的主軸頸以及有些曲軸的中間一道主軸頸較長(zhǎng)，使接觸面積較大，可均衡各主軸頸的磨損。連桿軸頸也叫曲柄銷(xiāo)，在直列式柴油機(jī)上，連桿軸頸與氣缸數(shù)相同。在V型發(fā)動(dòng)機(jī)上，大多數(shù)是一個(gè)連桿軸頸上裝左右兩列各一個(gè)氣缸的連桿，所以連桿軸頸為氣缸數(shù)的1/2。曲軸上鉆有貫穿主軸頸、曲柄和連桿軸頸的油道，主軸承內(nèi)的潤(rùn)滑油可經(jīng)此貫穿油道流至連桿軸承[13]，以潤(rùn)滑高速摩擦的連桿軸頸。2.2曲軸材料的選擇選擇曲軸材料，主要是從其能滿足零件的技術(shù)性能要求，并具有冷、熱加工的良好工藝性，成本低、能耗低以及高的生產(chǎn)率等幾方面考慮。按照曲軸的工作條件，材料在通過(guò)強(qiáng)化處理后，應(yīng)具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能、高的強(qiáng)度和韌性、高的疲勞抗力和良好的耐磨性。大功率、大排量柴油機(jī)多采用綜合機(jī)械性能較高的優(yōu)質(zhì)中碳鋼或中碳合金鋼鍛造而成。2.3曲軸生產(chǎn)工藝流程及主要工序介紹2.3.1化點(diǎn)，因產(chǎn)生高溫，引起法蘭熱膨脹，法蘭與曲軸也產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使曲軸溫度升高且局部產(chǎn)生熔化，強(qiáng)度降低，最終引起旋轉(zhuǎn)疲勞斷裂。3.5使用方面3.5.1供油時(shí)間過(guò)早或各缸供油量不均若供油時(shí)間過(guò)早，活塞未到上止點(diǎn)便燃燒爆發(fā)，會(huì)引起柴油機(jī)爆震并使曲軸受到過(guò)大的沖擊。若各缸供油量不均，會(huì)因各缸爆發(fā)力不一致而使曲軸各軸頸受力不均，時(shí)間一長(zhǎng)也容易損傷曲軸。3.5.2軸頸潤(rùn)滑不良當(dāng)機(jī)油泵磨損嚴(yán)重而出油量減少，造成油壓下降，或潤(rùn)滑系統(tǒng)臟污堵塞，使?jié)櫥土魍ú粫常紩?huì)造成在曲軸軸頸上不能形成正常的潤(rùn)滑油膜，因而產(chǎn)生干摩擦，致使產(chǎn)生燒瓦、抱軸事故，甚至發(fā)生曲軸斷裂。3.5.3曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的斷裂柴油機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)時(shí)，在曲軸的每個(gè)曲拐上都作用著大小和方向都周期性變化的切向力和法向力，因此曲軸產(chǎn)生周期變化的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。于是如同任何一個(gè)具有慣性質(zhì)量的彈性系統(tǒng)一樣，曲軸軸系會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使得曲軸軸系各個(gè)軸段互相扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)，稱為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；同時(shí)，也還有彎曲振動(dòng)。由于柴油機(jī)曲軸一般均用全力支承結(jié)構(gòu)，曲跨度小，彎曲剛度較大，彎曲振動(dòng)的固有頻率很高。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)則不同，特別是在六柴油機(jī)情況下，曲軸很長(zhǎng)，展開(kāi)長(zhǎng)度更長(zhǎng)，扭轉(zhuǎn)剛度較小，而隨曲軸一起運(yùn)動(dòng)的零件的慣量又較大，特別是飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，所以扭振頻率較低，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)易發(fā)生強(qiáng)烈共振。3.5.4操作不當(dāng)機(jī)車(chē)起步過(guò)猛，油門(mén)忽大忽小，緊急制動(dòng)頻繁或長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷、超速運(yùn)轉(zhuǎn)，都會(huì)使曲軸受到過(guò)大扭矩或沖擊載荷而容易斷裂。改進(jìn)及提高壽命（1）曲柄與軸頸交接的圓角處是曲軸工作中受彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大的地方，由于過(guò)度圓角較小且加工困難，所以，該處也是最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，曲軸早期斷裂失效的裂紋源大部分產(chǎn)生于此。（2）曲軸熱處理不當(dāng)，淬火冷卻不足形成大量的鐵素體和上貝氏體組織是導(dǎo)致曲軸早期失效破壞的重要因素。曲軸組織中存在大量鐵素體及上貝氏體，不僅影響曲軸的靜態(tài)性能指標(biāo)，使強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性降低，關(guān)鍵還會(huì)造成曲軸疲勞強(qiáng)度等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的大大降低，嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命。（3）加強(qiáng)對(duì)原材料及鍛件材質(zhì)的控制，特別是曲軸近表面偏析組織的控制。（4）嚴(yán)格按圖紙要求加工，保證曲軸各尺寸特別時(shí)過(guò)渡圓角處的加工精度，保證把應(yīng)力集中控制在最小范圍之內(nèi)。（5）由于曲軸的正火不充分或過(guò)熱而形成的奧氏體大小不勻且晶界異常平直以及具有方向性的上貝氏體、鐵素體，也是導(dǎo)致曲軸綜合性能較差的主要原因，同時(shí)使曲軸斷口在裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中有明顯的解理花樣、人字形花樣及河流狀花樣，呈現(xiàn)明顯解理斷口的特征。（6）曲軸鍛造過(guò)程中，在軸頸圓角處形成的較深折疊層是曲軸致命的缺陷，成品曲軸圓角處一旦保留有鍛造折疊層，曲軸使用后會(huì)迅速開(kāi)裂失效。（7）軸頸圓角處的加工質(zhì)量是影響曲軸疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。當(dāng)曲軸制造或大修磨削時(shí)，如果在此留下明顯的加工刀痕，將會(huì)造成明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)，大大降低曲軸的疲勞壽命。結(jié)束語(yǔ)曲軸是在周期性變化的氣體作用力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力工作的，同時(shí)承受著扭轉(zhuǎn)和彎曲的復(fù)雜應(yīng)力。由于曲軸彎曲與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而產(chǎn)生附加應(yīng)力，會(huì)在一些部位產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中效應(yīng)，從而進(jìn)一步又促進(jìn)了曲軸的疲勞破壞，因此對(duì)曲軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)及分析是必不可少的。曲軸的疲勞破壞又會(huì)導(dǎo)致曲軸失效乃至斷裂，從而會(huì)引發(fā)一些重大的事故，因此，對(duì)曲軸失效進(jìn)行分析以及提出應(yīng)對(duì)措施有著重要的意義。參考文獻(xiàn)：[1]楊興武,田華.延長(zhǎng)曲軸使用壽命的措施[J].農(nóng)機(jī)使用與維修,2008,(4):25.[2]趙永剛.延長(zhǎng)曲軸使用壽命的措施[J].農(nóng)機(jī)使用與維修,2005,(4):41.[3]胡鳳翔.延長(zhǎng)曲軸使用壽命的措施[J].南方農(nóng)機(jī),2008,(3):25-26.[4]單淑梅