淺談柴油機曲軸斷裂

-.z.交通大學應用技術學院201屆航運工程系畢業(yè)生論文論文題目：淺談柴油機曲軸斷裂班級：輪機七班：方東靈指導教師：譚顯坤日期：2013年6月1號交通大學應用技術學院航運工程系淺談柴油機曲軸斷裂Thefractureofthecrankshaftofdieselengine[摘要]柴油機作用和工作條件;分析柴油機曲軸斷裂的主要特征；指出影響曲軸斷裂的主要原因有曲軸扭振臨界轉速、不平衡離心力引起的不平衡載荷、修理方法不當、惡劣工況與局部構造不合理等因素；提出預防解決曲軸斷裂的措施。[關鍵詞]柴油機曲軸扭振臨界轉速疲勞源動平衡[Abstract]indieselenginefunctionandworkingconditions;mainfeaturesoffractureanalysisofdieselenginecrankshaft;pointedoutthatthemainreasonofthecriticalspeedofcrankshaft,crankshafttorsionalvibrationunbalancedcentrifugalforcecausedbytheunbalancedload,therepairimpropermethods,harshworkingconditionsandlocalstructureofunreasonablefactors;preventivemeasurestosolvethecrankshaftfracture.[Keyword]dieselengincrankshafttorsionalvibrationinincriticalspeedinthefatiguesourceindynamicbalance前言在世界貿易高速開展的今天，船舶依然扮演者最主要的角色。船舶運營中會經常發(fā)生一些故障，這些故障需要我們論及人員去處理和修理，在船舶上，曲軸扮演著一個主要角色，它傳遞動力，是船舶動力傳遞的樞紐，如果曲軸斷裂，后果是不堪設想的，本文講的是關于曲軸斷裂的一些故障處理措施以及引起斷裂的原因。1.曲軸的構造、作用、工作條件1.構造曲軸的構造如下列圖所示：它由主軸頸，連桿軸頸曲軸臂，平衡塊，前軸端和后軸端等局部組成。其中一個連桿頸和它兩端的曲臂以及前后兩個主軸頸合在一起，稱為曲拐。曲軸的形式有整體式和組合式兩種。2作用〔1〕通過連桿將活塞的往復運動變成回轉運動〔2〕把各缸所作的功聚集起來向外輸出〔3〕帶動柴油機的復數(shù)設備，如：噴油泵、氣閥、啟動空氣分配器、離心式調速器、，在中、小型柴油機中，還帶動滑油泵、冷卻水泵、空氣壓縮機等。3.工作條件〔1〕受力復雜：曲軸工作中受其體力、王府慣性力和離心力以及它們產生的彎矩和扭矩的作用，使曲軸產生很大交變的彎曲和扭轉應力，且均為疲勞應力。〔2〕應力集中嚴重：曲軸彎彎曲曲形狀復雜，截面變化集聚，使曲軸部應力分布極不均勻，尤其在曲臂與軸頸的過渡圓處及油孔周圍產生嚴重的應力集中現(xiàn)象?！?〕附加應力大：曲軸形狀又細又長，剛性很差，是一個彈性體，它在各種力的作用下會長生扭轉、橫向和縱向振動，當曲軸的自由頻率較低時，在發(fā)動機工作轉速圍可能出現(xiàn)共振，使振幅大大增加，產生很大的附加應力?！?〕軸頸磨損嚴重：軸頸在很大的比壓下會產生滑動摩擦，由于交變沖擊性負荷的作用，以及經常啟動、停車，使軸頸與軸承不易保證良好的液體動力潤滑狀態(tài)，從而使軸頸產生較嚴重的磨損，嚴重時引起軸承燒損，特別是在潤滑不良，機座或經常啟停柴油機時，軸頸的磨損都會明顯加劇。正是因為曲軸工作條件苛刻所以曲軸會有損壞二、曲軸斷裂面特征1.曲軸斷口與位置

所有曲軸斷口上均有明顯的光滑區(qū)和粗糙區(qū)。說明曲軸是在疲勞破壞下發(fā)生斷裂的。曲軸外部形狀尺寸突然變化，具備局部應力集中的條件，在復雜的拉、壓、彎、扭等周期交變應力作用和扭轉振動作用下，會在應力集中處首先形成初始微觀裂紋，分散的微觀裂紋經過集結溝通，將形成宏觀裂紋即疲勞源。裂紋擴展過程中，裂紋的兩個側面在交變載荷下，時而壓緊，時而分開，屢次反復，形成斷口的光滑區(qū)。粗糙區(qū)則是在裂紋到達臨界零件尺寸后，在應力循環(huán)次數(shù)較少的情況下迅速斷裂形成的。

在所考察的曲軸中，斷裂位置均發(fā)生在主軸頸與連桿軸頸之間和連桿軸頸段〔圖1〕，有兩種情況：(1)在主軸頸圓角處與連桿軸頸圓角處之間的A—A截面。主軸頸過渡圓角處具有明顯的占截面較小份額的光滑區(qū)，而其對面的連桿軸頸過渡圓角處具有較大的粗糙區(qū)，說明裂紋是先從主軸頸過渡圓角處產生的，逐步擴大之后，通過曲柄臂開展到連桿軸頸過渡圓角處斷裂開。(2)在連桿軸頸靠近曲柄的圓角處的B—B截面。用同樣的方法可以判斷出裂紋是先從連桿軸頸過渡圓角處開場產生，逐步斜向遠離曲柄位置開展，擴大之后斷裂。2.各曲軸斷裂情況

在多根斷裂的曲軸中選出6根見表1，表1中連桿軸頸和主軸頸編號是從飛輪端開場的。

三、曲軸斷裂原因分析在近似穩(wěn)定的交變載荷下，柴油機曲軸一般能到達正常使用壽命。但是，發(fā)生比正常壽命提前許多的斷裂情況，往往是與大修過程中磨軸修理、矯直等措施不當分不開的。

1.不平衡載荷的影響

(1)不平衡重量。在磨曲軸時，連桿軸頸尺寸變小后，與原始出廠相比，重量會減小。

(2)不平衡力臂。曲軸彎曲所采用的磨主軸頸的方法來保證各個主軸頸的同心度工藝，會導致主軸重量減小，主軸軸線向曲柄方向平移，產生不平衡力臂。

表1各曲軸斷裂情況(3)不平衡轉矩。不平衡重量和不平衡力臂導致不平衡轉矩產生。例如：假設一個平衡塊重13.5kg，該塊平衡塊因旋轉軸線平移0.2mm，則可產生270g?cm的不平衡轉矩；假設兩塊平衡塊因旋轉軸線的平移0.2mm，則可產生540g?cm的不平衡轉矩。如果φ130mm的連桿軸頸磨去兩級〔0.5mm〕，則其重量減輕99.998，在曲柄旋轉半徑105mm處減少1050g?cm的不平衡轉矩；與之相對應的平衡塊處，就多出1050g?cm的不平衡轉矩。因為，這兩個不平衡轉矩在一個方向上，總的不平衡轉矩相加后可達15908g?cm。曲軸旋轉運動時，不平衡轉矩加劇了曲軸的扭振作用。

由于第4主軸頸大約在整個曲軸的中間位置，曲軸上各橫向載荷作用下產生的彎矩疊加后，在曲軸的中間位置到達最大，彎曲應力也達最大；而不平衡離心力引起的附加彎曲應力在此處也到達最大，這就是所分析的6根曲軸都在第4主軸頸附近斷裂的主要原因，所受彎矩方向在第3曲柄和第4曲柄的反方向上。

以上分析說明，在柴油機曲軸的修理過程中，不平衡離心力對曲軸的工作影響不可無視，應想方法消除不平衡離心力對曲軸壽命的影響。

2.扭振臨界轉速的影響

柴油機運轉時，曲軸系統(tǒng)受到大小和方向周期性變化著的氣體壓力和運動零件慣性力的作用，這些力會使曲軸相對于飛輪發(fā)生扭轉變形而引起扭振，即強制振動。柴油機運轉時，易在工作轉速圍發(fā)生強烈共振，發(fā)生共振時的曲軸轉速即臨界轉速，輕則引發(fā)較大的噪聲，加劇與曲軸相連齒輪系的磨損，重則使曲軸扭斷。柴油機曲軸的自振頻率是8000次／min左右，當柴油機的轉速為臨界轉速的*一分數(shù)時，曲軸的扭振振幅也可以超出允許限度。如果柴油機工作過程中，把其轉速設置在主臨界轉速次臨界轉速這兩個轉速附近，對曲軸來說都是比擬危險的。3.修理方法不當?shù)挠绊?/p>

(1)滲氮層厚度的減少。原廠的柴油機曲軸頸外表經氮化處理，具有較高的耐磨性。經過磨修后，軸頸外表滲氮層的厚度減少，降低了曲軸的抗疲勞性和耐磨性。(2)未進展動平衡調試。曲軸經過磨修或矯直后，假設不進展動平衡調試，未使不平衡載荷得到有效控制，曲軸的疲勞強度會大大降低。

(3)過渡圓角變小。經過磨修后的曲軸，各個過渡圓角半徑R比設計圖紙上標注的小，致使曲軸過渡圓角處應力集中加大，易促成曲軸在此產生初始微觀裂紋。

4.局部構造不合理的影響

主要原因是連桿軸頸外表油道口的位置及油道方向不當，致使在局部形成的油膜質量變差，導致曲軸的連桿軸頸側磨損大，軸頸橢圓度超差，從而磨修曲軸，進而導致不平衡載荷的產生。尤其是當活塞處于膨脹做功下行過程中，連桿軸頸旋轉到*特定位置時，使其承載寬度變小，單位面積上承受的壓力相對較高，油膜易遭破壞；其次，當連桿大頭中心旋轉至主軸軸線以下位置時，連桿軸瓦外表相對連桿軸頸外表滑動速度較低，油膜厚度變薄，均使軸頸外表產生磨損；油道方向不當也降低了潤滑油的相對流動速度，致使所形成的油膜質量變差。除此之外，曲軸意外負荷突增、沖擊、使用維護不當，均可促成曲軸斷裂。

四、預防曲軸斷裂的措施1.設置柴油機工作轉速時，避開臨界轉速，主臨界轉速和次臨界轉速。

2.改變連桿軸頸外表油道口位置和油道方向。當連桿軸頸外表承受連桿較大的單位面積作用力時，防止油道口附近外表處于較高壓力位置；通過改變油道方向提高潤滑油的相對流動速度，從而改善連桿軸頸側磨損大的現(xiàn)象。防止在一次大修周期連桿軸頸偏磨或減小連桿軸頸偏磨，就可以在大修時按照修理標準要求不磨曲軸或減少磨削量。

3.加大過渡圓角半徑。使得R/D>0.05或R=0.05～0.06D(R—圓角半徑，D—主軸直徑或連桿軸徑)，減小有效應力集中系數(shù)。

4.滲氮。磨軸磨削量超過一定厚度后，進展外表滲氮處理，以增加曲軸的耐磨性和抗擠強度。

5.做動平衡試驗并配重。每次曲軸磨修完后，做動平衡試驗并配重，保證大修質量。此外，為了方便每次大修時曲軸動平衡試驗，建議廠家：①在加工平衡塊時，在平安、結實、方便、合理的位置上預先安置小“砝碼〞，通過調節(jié)“琺碼〞位置來配重。例如：12V135型柴油機，其曲軸尺寸較大，平衡塊比擬大?？稍谶B桿軸頸軸線相對于主軸軸線的對稱位置或其徑向延長線上做一個緊配合的螺柱，其中間設置一個六方形的通孔，插入六方扳手，就可調節(jié)螺柱的位置。柴油機大修磨軸后，通過調節(jié)螺柱的位置或減輕其重量，即可到達調節(jié)動平衡的作用。②廠家在做動平衡調試時，應考慮單個連桿軸頸油道機油重量〔約0.17kg〕對動平衡的影響。

6.嚴格認真執(zhí)行柴油機使用、維護、修理相關標準與規(guī)定。詞在我的論文即將完成之際，我首先要向在論文寫作中給予我悉心關心、鼓