柴油机曲轴失效分析及改善方法.doc

柴油机曲轴失效分析及改善措施摘 要：本文简介了曲轴的材质、几何尺寸、成形工艺等，同步对浮现的失效曲轴进行分析,涉及断裂形式、部位及塑性变形状况，并按失效的不同部位进行分类，找出了失效的规律，拟定了被动方式如化瓦或失油导致曲轴失效,此外是由制造和装配质量因素引起的曲轴失效核心词：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去往没有先兆，是一种突发性事故,一旦发生将导致极大的危害失效不仅给公司带来不少的直接经济损失,同步也导致更大的间接损失—重要涉及公司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反复发生，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，开展对曲轴初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因素，并提出针对性地改善建议和避免措施,失效分析是可靠性技术中的一种重要环节1.２　国内外研究现状多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、完毕某种规定动作等，当机械零件丧失它应有的功能时，则称该零件失效。

多种零件失效的形式,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，由于产品失效引起的事故,给社会和公司导致的损失和危害是非常惊人的,同步,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,并且失效的产品或零件的残骸上必然会保存有失效过程的信息［2］失效分析是一门新兴的学科，它具有两个明显的特点：第一是综合性,即它波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措施研究方面做了不少的工作，已获得了一定的成就,发明了诸如“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”等措施[1]应力计算的老式措施有两种：断开梁法和持续梁法［３]如文献[４]中曲轴整体计算模型就共有30000多种节点因此在常规条件下求解,就必须采用合适的措施例如采用子构造分析法[５,6］其基本思想是通过多级离散实现曲轴构造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、 曲轴的构造及加工工艺２.1曲轴的构造及各部分的作用曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等构成曲轴的前端轴一般驱动冷却电扇、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，一种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叠,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规定有严格的圆弧过渡，以防应力集中，设计圆角R=６为了提高疲劳强度,曲轴的圆角规定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由于前端轴驱动辅助装置和后端轴支承飞轮，增长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种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。

因此，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似在V型发动机上,大多数是一种连杆轴颈上装左右两列各一种气缸的连杆,因此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,重要是从其能满足零件的技术性能规定,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,材料在通过强化解决后，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重要工序简介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——调质热解决——校直——半精加工——高温去应力——精加工——表面氮化热解决——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,不得浮现裂纹和裂口。

锻造后820℃退火2小时，空气冷却,跳动量不小于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解决，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重要规定为: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　时容许校直(淬火前校直)，>1.2mm　时不容许校直三、曲轴失效的重要影响因素曲轴是柴油机中最重要的运动部件它的重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性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因素引起，然而，冲击疲劳失效也许是曲轴失效中最普遍的因素[10]疲劳最后断裂是瞬时的,因此它的危害性较大,甚至会导致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持续性所导致的［11,12]３.２ 曲轴自身质量存在缺陷曲轴存在原材料、锻造、热解决等方面的缺陷，导致强度减少,容易导致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种偏析带,在其外部是无缺陷的合格晶带这个合格晶带正好处在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,偏析将有也许出目前曲柄和轴颈的表面这种材料偏析在热解决过程中是无法消除的,这会明显减少材料的疲劳强度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规定，一般按6级精度制造,粗糙度不高于R/2.5轴颈表面需要热解决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限度而定校直的措施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导致损坏,校直导致的损坏不是一次加载断裂，而是在曲轴的核心部位——圆角处导致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也许促使曲轴在工作过程中引起疲劳断裂的本源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畅通,不得有油污、金属屑及多种杂物堵塞现象，油孔边沿应圆滑、抛光否则容易引起化瓦以至破坏曲轴表面，引起曲轴失效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，才干保证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，强度减少，最后引起旋转疲劳断裂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,导致油压下降,或润滑系统脏污堵塞，使润滑油流通不畅，都会导致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犹如任何一种具有惯性质量的弹性系统同样，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;同步,也尚有弯曲振动。

由于柴油机曲轴一般均用全力支承构造,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,特别是在六柴油机状况下,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，因此扭振频率较低,在工作转速范畴内易发生强烈共振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、 改善及提高寿命(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，因此,该处也是最容易产生应力集中的部位,曲轴初期断裂失效的裂纹源大部分产生于此2)曲轴热解决不当，淬火冷却局限性形成大量的铁素体和上贝氏体组织是导致曲轴初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、冲击韧性减少，核心还会导致曲轴疲劳强度等动态性能指标的大大减少,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)严格按图纸规定加工，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畴之内。

５）由于曲轴的正火不充足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。