（动力机械及工程专业论文）柴油机曲轴失效分析及应对措施.pdf

摘要 本文介绍了潍柴6 1 5 曲轴的材质、几何尺寸、成形工艺等，并对主要工艺 氮化后的曲轴进行了检测分析，同时针对市场上出现的失效曲轴进行分析，对曲 轴的疲劳强度进行了试验及计算。 本文对潍柴6 1 5 合金钢轴进行了符合实际情况的有限元分析，校核了曲轴在 交变载荷下的疲劳强度，并通过曲轴的疲劳试验对分析和计算的结果进行了验 证。 本文还针对市场上退回的失效曲轴进行检查，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，从而 制定出了加强对用户的宣传，保证按正确的方法使用，及时进行维护保养，装配 减振器时把紧螺栓、加工r 角到位等有效的预防措施。 本文对失效曲轴进行统计汇总，对于潍柴厂曲轴的设计、工艺改进等方面提 供可借鉴的实际数据，提出的预防失效措施有利于降低曲轴事故，不断提高产品 质量，加大市场竞争力。 关键词：曲轴；失效分析；氮化；疲劳强度；预防措施；有限元分析 a b s t r a c t t h em a t e r i a l ， g e o m e t r i c a ls i z e a n d6 9 u r a t i o nt e c h n i c sp r o c e s so fw d 615 c r a n k s h a ra r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h ec r a n k s h a ra f t e rn i t r i d a t i o ni st e s t e da n d a n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h ef a t i g u es t r e n g t ho fc r a n k s h a ri st e s t e da n dc a l c u l a t e df o r t h er e a s o no ff a i l u r em o d eo ft h ec r a n k s h a rp r o v i d e db yc o n s u m e r s f e e d b a c k t h i sp a p e rh a sd o n e 行n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f 、d 615c r a n k s h a r ，w h i c ha c c o r d s w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n ，a n dt h e nc h e c k o u tt h ef a t i g u es t r e n 舀ho fc r a n k s h a f t a l s o ， t h ef a t i g u ee x p e r i m e n t sa r ed o n et ov a i i d a t et h er e s u l t so fa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n t h eb r o k e nt y p e ，b r o k e np o s i t i o na n dp l a s t i cd e f o 册a t i o nd e g r e eo ft h ef a i l e d c r a n k s h a r sw h i c ha r eb a c kf r o mm a r k e ta r ec h e c k e da n dc l a s s i n e da c c o r d i n gt ot h e i r d i f r e r e n tf a i l u r ep o s i t i o n ss ot h a tt h ef a i l u r er u l ec a nb ef o u n d t h ef o l l o w i n gr u l ef i n d s t h a tb u s hm e l t i n go ro i ll a c km a yc a u s et h ec r a n k s h a rf a i l e dp a s s i v e l y o t h e rf a c t o r s s u c ha sb a dm a n u f a c t u r eo ra s s e m b l ym a ya l s oc a u s et h ec r a n k s h a f tf a i l e d t h e n a p p r o p r i a t ep r e v e n t i o n sa r em a d e ：e n h a n c i n gp r o p a g a n d ai no r d e rt oe n s u r ec o r r e c t o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ei nt i m e ；s c r e w i n gd o w nt h eb o l t sw h i l em o u n t i n ga b s o r b e r ； m a c h i n i n gr o u n dc o m e rc o r r e c t l y t h es t a t i s t i c sa n ds u m m a r i z i n gt of a i l e dc r a n k s h m sc a ns u p p l ya c t u a l 咖f o r c r a n k s h a rd e s i g na n dt e c h n i c si m p r o v e m e n ti no u rc o m p a n y p r e v e n t i o n sw h i c ha r e p u tf o n a r di nt h i sa r t i c l ea u r ei nf 打o ro fd e c r e a s i n gc r a n k s h a ra c c i d e n t ，c o n t i n u o u s l y i m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t ) ra n de n h a n c i n gm a r k e tc o m p e t i t i v ep o w e r k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t ；f a i l u r ea n a l y s i s ；n i t r i d a t i o n ；fa t i g u es t r e n 或h ；p r e v e n t i o n ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 雀乏、瞒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 锈丢、螂 签字日期：矽辞月矽日 导师签名：椭2 签字日期：少许1 月如日 第一章绪论 第一章绪论弟一早三；百t 匕 1 1 引言 曲轴是内燃机中的重要零件之一。它承受着由连杆传来的很大的燃气爆发力 和整个曲柄连杆机构的惯性力。对曲轴来说，主要承受交变弯曲载荷和扭转载荷， 在曲轴内将产生复杂的交变应力。同时，曲轴形状复杂，应力集中严重。此外， 各轴颈在很高的比压下高速滑动，可引起表面磨损。因此，曲轴必须有足够的疲 劳强度，连杆颈和主轴颈要有足够的承压面及足够的硬度和光洁度。如何使曲轴 在运转中安全可靠，充分合理地选择合适的材料、制订正确的加工工艺及热处理 工艺是十分重要的。 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“。 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“。 曲轴的失效分析主要采用故障树法，曲轴是柴油机的主要零件之一，其强度 和刚度对柴油机的工作性能和寿命有决定性的影响。曲轴由于其几何形状、边界 条件和作用载荷都极其复杂，要想得到比较精确的计算结果，计算模型的建立以 及边界条件的施加是非常重要的。曲轴系统的振动是引发内燃机振动的重要原 因，由于周期性载荷的作用，曲轴系将会同时产生弯曲振动和扭转振动，而扭转 振动是内燃机设计中必须考虑的重要因素。目前，为了使曲轴强度和振动的预测 更加接近于实际状况，以及实现疲劳裂纹的动态监测，国内外学者在这些方面都 作了大量的研究工作，发表了许多论文。 国内外曲轴失效分析主要分为两类，第一类是针对具体的曲轴断裂事故进行 宏观、微观分析，检查材料冶金质量、轴颈表面硬度、机加工、装配和使用等， 从中找出断裂曲轴的缺陷，然后提出改进措施。这一类的研究在各企业都有许多 好的成功经验，但是因为都是对已经过多年使用的曲轴，所有的分析都是基于曲 1 第一犟绪论 轴疲劳强度都满足使用的情况下提出的，所以对失效的分析不是很全面。 另一类是针对曲轴进行应力和强度计算，现有的曲轴强度计算都可以归结为 疲劳强度计算，其计算步骤分为以下两步：一是应力计算，求出曲轴危险部位的 应力幅和平均应力；二是在此基础上进行疲劳强度计算。 应力计算的传统方法有两种：断开梁法和连续梁法“。连续梁法由于假设的 几何一力学模型不同，主要有以下三种：第一种是将曲轴简化为多支撑圆柱形连 续直梁；第二种是将曲轴作为支撑在弹性支撑上的静不定曲梁：第三种是将曲轴 作为支撑在弹性支撑上的变截面的静不定直梁。 应用二维有限元模型和三维有限元模型在确定应力集中系数时，两者计算的 数值极为接近，但前者可节约计算时间，故确定应力集中系数时多数采用前者。 其余的应力计算有限元法因为二维有限元模型精度远低于三维有限元模型，故目 前基本都采用后者。三维有限元模型一般有三种：第一种是采用l 4 或1 2 曲拐模 型。它主要考虑弯曲载荷作用，并认为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对 称；第二种是采用单个曲拐模型。用于分析曲轴上受载最严重的曲拐，优点是计 算规模小，但精度不高；第三种是采用整体曲轴模型。这是进行曲轴有限元分析 最合理的模型，计算精度高，但是其计算量巨大。如文献“。中曲轴整体计算模型 就共有3 0 0 0 0 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”一。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 域直接加密网格旧“。：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”。，后者计算量较小，但计算技巧要求较高。 1 3 柴油机曲轴失效分析目前存在问题 曲轴失效分析目前存在的问题，主要是针对具体曲轴断裂而进行的金相、电 镜等分析的，这一类分析仅仅是针对单件事故进行分析，而未对该型柴油机的曲 轴断裂事故进行归纳分析，因而也未能找出各独立失效案例的共同点，进而提出 更为有效的改进措施。 另一类针对曲轴进行应力和强度计算及利用计算机模拟曲轴在使用中的受 力及润滑情况，由于曲轴形状和受力情况极其复杂，现有计算技术根本无法进行 精确的计算和模拟，因而主要存在以下问题： ( 1 ) 边界条件的处理问题：首先载荷分布大多没有考虑变形、轴承油膜压力 分布等诸多因素的影响。其次，仅考虑轴承刚度的弹性边界条件，忽略了轴颈与 轴承之间的间隙和润滑油膜状况对实际支撑情况的影响。第三，未考虑工艺强化 ( 如圆角滚压和喷丸处理) 产生的残余应力分布的影响。 2 第一罩绪论 ( 2 ) 振动作用问题：目前的曲轴应力计算都为静态计算，未考虑曲轴横向弯 曲振动产生的应力。 曲轴的疲劳强度的计算。由于各研究者研究的曲轴结构参数差别很大，因此 设定的载荷、支撑状况、处理方法都不尽相同，造成结果颇不一致，目前尚未确 立一种统一、公认的计算方法。 1 4 课题主要研究的内容和意义 曲轴是柴油机的五大零部件之一，它的成本占整个柴油机成本的十分之一左 右，是柴油机中最重要的运动部件。曲轴一旦出现问题将给用户和企业造成极大 的损失。现在随着市场竞争的加剧，对柴油机的各项性能要求更高，故对曲轴的 可靠性和使用寿命要求更加苛刻。 潍柴厂生产柴油机机已有6 0 余年历史，而生产w d 6 1 5 柴油机也达2 0 年之久， 2 0 0 7 年w d 6 1 5 柴油机的月产量达3 0 0 0 0 台，已成为国内柴油机的名牌产品，曲轴 断裂严重影响产品的市场形势，损害了柴油机的信誉，因此迫切需要深入分析曲 轴断裂的原因，找出切实可行的解决方法，以提高柴油机质量。 1 4 1 课题研究的内容 ( 1 ) 简要介绍了曲轴结构、材料和工艺，热处理工艺及结果检测。 ( 2 ) 针对现常用的应力和疲劳强度的两种计算方法：试验研究与模拟计算， 分别对4 5 钢曲轴进行了疲劳强度进行了试验及计算，对4 2 c r m o a 曲轴进行了模 拟计算，分别得出相应曲轴的疲劳强度结论，并对两种方法的优缺点进行了对比。 ( 3 ) 对近年来潍柴厂失效的曲轴进行数据统计及分析，对曲轴断口样品进行 宏观、微观分析( 电镜、金相及其他常规检验) 、硬度的检测，归纳分析曲轴断裂 事故，得出了曲轴断裂的原因，提出了相应的预防措施。 1 4 2 课题研究的意义 本文对w d 6 1 5 曲轴进行失效分析，统计汇总了失效的各种模式，为潍柴厂对 w d 6 1 5 曲轴进行全面设计、工艺改进等方面提供了可借鉴的实际数据；并且提出 防止失效的措施，降低曲轴事故，不断提高产品质量，增强市场竞争力。 3 第二章曲轴的结构、材料及加工工艺 第二章曲轴的结构、材料及加工工艺 曲轴是柴油机中最主要的运动部件之一，它的尺寸参数在很大程度上影响着 内燃机的整体尺寸和重量。内燃机的可靠性和使用寿命也主要取决于曲轴的性 能。因此本章对曲轴的结构、材料及加工工艺进行介绍。 2 r 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。一个主 轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数( 直 列式发动机) ；v 型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。 主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。 曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，通过曲柄与主轴颈相连，在连接 处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目和气缸数相等。v 型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。 曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲 柄处铸有( 或紧固有) 平衡重块。平衡重块用来平衡发动机不平衡的离心力矩，有 时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。 曲轴前端装有正时齿轮、驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止 机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲 轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡油凸缘与回油螺纹，以 阻止机油向后窜漏。 曲轴的形状和曲拐相对位置( 即曲拐的布置) 取决于气缸数、气缸排列和发动 机的发火顺序。安排多缸发动机的发火顺序应注意使连续做功的两缸相距尽可能 远，以减轻主轴承的载荷，同时避免可能发生的进气重叠现象。 2 2 曲轴的材料 w d 6 1 5 曲轴的材料为专用4 5 钢和4 2 c r m o a 。为了保证曲轴材料的稳定性、一 致性，潍柴厂规定只能从上海五钢、大冶特钢、抚顺钢厂、本钢特钢采购原材料。 专用4 5 钢曲轴和4 2 c r m o a 毛坯的化学成份、性能要求如表2 1 和表2 2 ： 4 第二章曲轴的结构、材料及加工工艺 表2 1 专用4 5 钢曲轴毛坯的化学成份、性能 牌 cs im nm ops 号 o 5 0 4 5 0 4 2 o 5 0o 1 7 0 3 7 0 8 0o 1o 0 2 5 0 0 2 5 延伸率 性 屈服强度。们抗拉强度o - 65 能 3 3 5 n 衄25 9 0 7 4 0n 衄21 7 晶粒度显微组织 金 不允许有魏氏组织， ( g b 6 3 9 4 ) 5 8 级合格，晶 相 带状组织不大于l 粒不均匀度级差不大于3 级 级 表2 24 2 c r m o a 曲轴毛坯的化学成份、性能 牌号cs im nm ops o 1 7 o 5 0 4 2 c r m o ao 4 2 o 5 0o 10 0 2 5 0 3 70 8 0o 0 2 5 断面收 抗拉强度延伸率冲击功 屈服强度。眦缩率1 l r ob65 ( 1 ) a k ( j ) 性能( ) 8 0 0 9 5 0 5 7 0 n 衄21 35 04 7 n 珊2 晶粒度显微组织 ( g b 6 3 9 4 ) 5 8 级合格， 金相 细晶粒索 晶粒不均匀度级差不大于3 氏体 级 2 3 曲轴的形状和主要尺寸 潍柴厂w d 6 1 5 曲轴( 6 1 5 6 7 ) 全长1 1 0 8 衄，主轴颈由1 0 0 衄，连杆颈巾8 2 衄， 产品结构如图2 1 所示。 5 第二章曲轴的结构、材料及加工工艺 图2 一l6 1 5 曲轴示意图 2 4 曲轴生产工艺流程及主要工序介绍 2 4 1 工艺流程 下料一毛坏一锻造一粗加工一退火一精加工一磨削一氮化( 淬火) 一抛光一 探伤一检查一成品。 2 4 2 原料 原材料进厂后必须对外观、尺寸化学成份、性能及宏观进行检测，符合要求 方可进入下料工序。 2 4 3 锻造 在1 1 0 0 下进行热项锻、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8 2 0 退火2 小时，空气冷却，跳动量大于3 衄时要进行冷校 直，校直捕捞曲轴应进行6 2 0 ，5 小时退火、空气冷却、消除应力。 2 4 4 粗加工 每道工序后进行退火消除应力，6 2 0 保温3 小时，3 小时冷却至3 5 0 ，然 后在空气中冷却，且无氧化皮。 2 4 5 氮化 曲轴表面氮化后可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强 度，抗蚀能力及抗烧伤性等。 潍柴厂6 1 5 曲轴液体氮化的主要要求：软氮化至少3 小时，空气冷却5 分钟， 然后水冷，h v l 0 ( 维氏硬度) 不小于3 0 0 ，化合层最小0 0 1 2 ，扩散层最小o 0 0 9 ， 曲轴轴颈跳动量为o 3 0 5 时应进行校直，超过o 5 报废，校直工序应在氮化 6 第二章曲轴的结构、材料及加工工艺 2 4 小时以内进行。 潍柴厂氮化工艺控制严格，每炉都对附注试块进行检测。但是有一段时期在 试车时出现化瓦现象较多，且瓦上嵌有异物为了获得一些确切数据，同时针对 出现化瓦的情况带试样到国家钢铁院进行了检测，包括随炉4 0 c r 钢、1 5 钢及 4 2 c r m o 试块，试块的氮化层纽织及相分析见图2 - 2 至2 7 。 圈2 24 0 0 试块琉松相厚度1 0 i l ，致密8 相厚约8 衄 ，l，ij l| i l 一 4l 口一一f e ，0 4v 一f c r隅n + 一c r of e 3 n 圈2 34 0 c r 试块钢试块相分析( f e ，f e 州。少量f e n ) 7 第二章曲轴的结构、材料及加工工艺 图2 41 5 锕试块琉橙e 相厚约1 5 叫，铁素悻组织中有细针状y 相 i 厂 1 l1 i i j 1 口一一一聃吼v 一f e 。c r一一f e 2 w + 一c r 0一f e 州 图25t 5 钢试块相分析( f e “，f e d ，少量f e 血) 第二章曲轴的结构，材料及加工工艺 图2 64 2 c r m o 钢试块疏松8 相厚约1 5 岫，少量脉状氮化物 r p 画砒 i1 ii lii i 1 l 、【 l 口一阳0 4v 。午e - c f e 2 n + 一一c r 0一一f e 囤2 74 2 c r m o 钢试块相分析( f e d ，f 洲，少量f e 舢) 同时对化瓦的主轴瓦表面也进行了分析，轴瓦工作面损伤的宏观形态如图 2 8 、2 9 ，为人字形线状伤痕。在损伤位置截取试样进行显微分析，如图2 一l o ， 放大后可看出，线状伤痕内嵌有块状相，e d s 分析出嵌入相，主要含铁，其厚度 方向的尺寸约1 0 0 微米左右。轴瓦工作面损伤特征的分析，在线状伤痕处作剖面 金相观察，如图2 1 1 ，嵌入富铁相是被强力挤压进入铝合金层的，周围铝台金 组织有变形。铝合金层厚度约05 5 哪，富铁相挤入深度约02 咖。高倍下看出， 嵌入富铁相多是疏橙氮化层和氧化产物的混合物，如图2 一1 1 。用显徽硬度方法 测试嵌入富铁相的硬度，结果其硬度在7 0 0 1 0 。o h v 左右。显然，这种相应该是 9 第二章曲轴的结构、材料及加工工艺 氮化物，从金相和x 光结构分析的结果来看，应该主要为e 和t 相的混台物 图2 1 1 富铁相形貌 根据以上分析可以得出结论如下： ( 1 ) 样表层氮化物主要为e 相和t 相，厚度在8 2 0 左右，都存在不 同程度的疏松。碳素钢的铁素体组织中有针状t 相。 ( 2 ) 轴瓦面的人字形损伤痕迹为氮化物嵌入所致，也就是曲轴氮化后抛光 1 0 第二章曲轴的结构、材料及加工工艺 没有达到要求。 2 4 6 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。潍柴厂欧曲轴( 材料为4 2 c r m o a ) 采用的热处理工艺为圆角淬火，其主要 要求为：曲轴做中频淬火，淬火硬度5 5 h r c ，回火硬度表面5 2 h r c ，有效硬化 层深处4 5 h r c ，淬硬层金相组织为细针状马氏体，第四主轴颈跳动1 2 衄时 允许校直( 淬火前校直) ， 1 2 衄时不允许校直。各圆角处淬火要求：第1 主轴 颈圆角处淬硬层深度大于等于2 衄，主轴颈处大于等于6 5 衄。第2 至第7 主轴 颈及所有连杆轴颈圆角处大于等于2 衄，轴颈处大于等于3 衄。 第三章曲轴失效的主要影响因素 第三章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。 曲轴失效主要有以下几方面的原因引起的。 3 1 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，如图3 - 1 所示。 图3 1 曲轴钢锭金相组织 卜一偏析带2 一合格晶带3 一一负偏析带 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。潍柴厂曲轴最后的组织为珠光体和铁素体。 铁素体带易形成疲劳源。当这些组织缺陷位于曲轴圆角表面( 或次表层) 时，就 会在该处萌生疲劳裂纹，引起曲轴疲劳断裂。 3 2 加工工艺方面的问题 3 2 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3 m m 减至2 m m 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 1 2 第三章曲轴失效的主要影响因素 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，常用的热处理形式为氮化和高频淬火。曲轴断裂多发生在轴颈圆角 处。若圆角处加工粗糙，圆弧衔接不好，圆弧半径太小，均会引起应力集中，导 致曲轴早期疲劳断裂。 3 2 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，这种方法方便效率高，但是由于校直没有标准规程，所以校直力是 任意施加的，致使曲轴圆角所承受的最高应力在局部区域可能超出材料容许的范 围，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 2 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 3 装配问题 3 3 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。另外，发生过滚瓦 的缸体座孔会受到磨损，从而与其它各道瓦座孔不同心，如果未经修复就组装主 轴瓦与曲轴，柴油机一但工作又会发生烧瓦抱轴或断轴事故。 3 3 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 3 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，容易在尾端折断刨。有些曲轴与飞轮采 1 3 釜三至堕塾签塾竺圭茎墅堕里重 用锥孔配合，若两者贴合面积小于7 5 ，柴油机工作时飞轮也会松动，从而冲击 曲轴，致使与键槽外侧配合的部位出现裂缝而折断曲轴。 3 3 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 4 使用方面 3 4 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 4 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 4 - 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( 每曲拐两侧都有主轴承) ，曲跨度小，弯曲刚度较大，弯曲振动 的固有频率很高，一般不会在柴油机工作转速范围内产生共搬起石头砸自己的 脚，因而不致因弯曲振动引起曲轴破坏。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( 包 括活塞、连杆组在内) 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。如不采用专门措施加以预防，轻则引 发较大噪声，加剧与曲轴相连齿轮的磨损，重则使曲轴扭断。 3 4 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。 1 4 第三章曲轴失效的主要影响因素 3 5 其他情况 柴油机发生“飞车”、捣缸、顶气门等事故时，曲轴也会因过度受力而断裂。 1 5 第四章曲轴的疲劳强度试验 第四章曲轴的疲劳强度试验 试验是研究曲轴强度有的效方法，一直延续至今。通过静态模拟试验可较全 面地研究曲轴应力的分布情况以及各种因素对曲轴强度的影响，而动态试验可给 出曲轴在实际受力情况以及支承和润滑条件下的强度。试验法有光测弹性力学 法、电阻应变测量法和疲劳试验法三种。光测弹性力学法用于对曲轴的静强度研 究，能对承受复杂载荷的复杂形状零件进行模型试验研究，精确得到一点的应力 峰值以及整体的应力分布，而且具有直观、容易实现和便于进行多种结构方案比 较等优点，一直是研究内燃机曲轴等复杂零件应力分布的有效方法。电阻应变测 量法既可用于曲轴的静载荷强度研究，也可用于曲轴的动载荷强度研究。该方法 可以用来测量实际曲轴的应力，但只能测量若干点上的应力，很难得出应力分布。 该方法主要用于验证理论分析的准确性。曲轴疲劳试验是评价曲轴强度最可靠最 直观的一种方法。它在试验台上模拟曲轴在内燃机中的实际工作状态，能全面地 考核在特定结构、材料与工艺条件下曲轴的承载能力，并能直接给出曲轴的实际 安全系数与疲劳极限，下面进行的试验采取的就是疲劳试验方法。 4 1 试验方案 试验对象是4 5 钢的w d 6 1 5 曲轴，试验仪器及应变片为振式曲轴弯曲疲劳试 验台( 浙江大学动力机械与车辆工程研究所研制) b x l 2 0 一o 5 a a 电阻应变片，电 阻值：1 2 0 1 o 1 q ，栅长x 栅宽：0 5 x 0 5 衄，灵敏系数：2 0 8 ，精度等级：a 图4 1曲轴弯曲疲劳试验示意图 上图4 1 为曲轴弯曲疲劳试验台架示意图( 俯视图) ，此台架的安装在竖直 1 6 第四章曲轴的疲劳强度试验 方向由弹簧弹性支撑。 此试验方案采用静标动测的方式进行的。此激振力是由电机旋转带动偏心轮 产生，根据标定的结果和加载的强化系数最终确定电机试验转速。加速度为监控 信号，判断曲轴是否有裂纹出现。 4 2 试验的理论基础 4 2 1 正态分布法 大量疲劳试验的结果已证明，对数正态分布函数最符合疲劳试验数据离散性 的数据统计规律，本文采用正态分布来进行曲轴疲劳试验数据的处理。 4 2 2 四分之一循环截断点( q c i ) 由于直线上任意两点就可确定此直线，因此对任何样品有三个不同循环到失 效载荷点，就可以确定s _ n 线，但是一个零件只能试验失效一次，另一循环截 断点载荷可用l 4 循环发生断裂的载荷来确定，氐是在l 4 循环疲劳是试样的 失效载荷，一般用试样的纯拉伸的失效载荷来表示。 d a ：旦：z ! ! ：1 2 9 5 胁 一 1 一沙1 0 4 4 8 4 2 3 疲劳极限统计分析试验法( s a f l ) s a f l 法是一种能迅速、准确测定曲轴疲劳强度的试验方法。在国内，已得 到广泛的应用，疲劳极限f s 的确定见图4 2 。 l g s a 卜蔑 c i ( f ) c l ( 鼯1 ) a ( 娲) f l i lr o ( 踊) c 一 ( j 蕊) 图4 2 疲劳极限f s 的确定 1 7 第四章曲轴的疲劳强度试验 若试件f 在过载区某一载荷( s ，) 下试验，得到的断裂时的寿命m ，在 l g s l g 的图上标为b ( ，s ，) 点。q c i 点为图上的爿( 1 4 ，q a ) 点。a b 两点所连 直线代表试样母体在过载区的疲劳特性估计量。延长a b 线，与过n = 1 0 7 ( 或 其它规定的循环基数) 所作的垂线相交于c 点，则c 点的纵坐标丹i 就表示用第 f 个试样估算出的母体条件疲劳极限。取f = 1 人人，z ，则可得到n 个母体疲劳极 限的估计量。 疲劳极限丹是s 一线上规定寿命值。的截点，计算如下： l g ( 刚= 螋学 式中：只卜s n 曲线上规定寿命值1 0 7 次的截点， 5 卜- 试验载荷， 廿试验载荷下的寿命。 疲劳试验得到一组数据s ，昌s s n ，对应的疲劳寿命为n ，n 。 n i n n ，n 为此组数据的样本量，将试验点( s ，n i ) 通过强度极限点( s 0 ，1 4 ) 投影到1 0 7 的垂线上，得到( 腐，1 0 7 ) 各点，这样s 的离散性转化成硒的离散 性。 对于运转到规定寿命( 如1 0 7 ) 而中止的式样，试验载荷应认为是硒( 并注 明中止) 。 在找到各个式样的硒以后，将硒数据按递增的次序( j j ) 排列，并计算其 中中位秩p i ，p i 值作为母体破坏率的估计值，其近似计算公式为： p ：堕 刀+ 0 4 式中：，厂一失效样品的总数， n 样本总数。 对于中止栏，须进行不同的处理，由于不能确定它是否实效，因此新的增量 由下式计算： ( ，z + 1 ) 一聊 2 矿 式中：m 此中止项前面的总数， l r 此中止项之后的样本数。 根据试样的失效率尸f ( 或存活率p j = = 1 p f ) 计算对应的标准正态偏量z f ，由 于咫服从正态分布，故飓与z f 有直线关系，此直线回归方程为： f = 以l + 口，z 式中：口i = f 一口2 丢 1 8 第四章曲轴的疲劳强度试验 口2 z ，丹，一殿， f = li = l 三y 乙 j r 一 f 捌为条件疲劳均值，即样本均值霄，样本标准差s = i 。一c ；。i 。 4 2 4 曲轴工作弯矩 根据公式丝，= 力2 厶k 卯4 l 计算得到曲轴的工作弯矩为2 3 6 6 7 1 8 7 5 n m 。 此处爆发压力以1 3 5 m p a 计算，k 按照全支撑0 7 5 选取。 4 3 试验数据处理 4 3 1 试验结果 表4 1 试验结果 序号 曲轴编号试验弯矩( n )圆角应力( 肝a )是否中止 疲劳次数 12 8 2 64 9 0 9 6 64 6 6 6 4n o1 4 4 1 8 8 8 22 8 3 54 6 6 4 1 84 5 9 8 7 n o 6 0 7 3 5 4 32 8 3 6 4 6 6 4 1 84 4 2 8 7n o5 2 4 4 0 9 42 8 3 一l4 6 6 4 1 84 1 9 3 7n o3 2 7 7 1 3 52 8 1 64 4 1 8 7 04 7 3 0 0y e s1 0 0 0 0 0 0 0 62 8 1 一l4 6 6 4 1 84 9 2 1 4y e sl0 0 0 0 0 0 0 72 8 4 44 6 6 4 1 84 1 8 8 0n o3 2 7 7 2 8 82 8 4 54 5 4 1 4 4 4 8 3 1 6n o1 0 4 8 6 4 1 92 8 4 24 6 6 4 1 84 5 4 2 2y e s10 0 0 0 0 0 0 1 02 8 4 14 6 6 4 1 84 6 9 3 3n o4 7 7 5 3 0 4 3 2 极限承载弯矩正态分布 表4 2 计算表格 总序号极限承载弯矩n m失效序号平均序号中位秩正态偏量 14 0 0 2 0 5 4 811 0 0 0 00 0 6 7 31 4 9 7 3 24 0 0 2 0 6 5 022 o o o o0 1 6 3 5一o 9 8 1 7 34 0 8 4 5 7 5 333 0 0 0 00 2 5 9 60 6 4 5 0 44 1 0 4 6 9 0 744 0 0 0 0o 3 5 5 80 3 6 8 6 54 1 2 0 5 9 3 655 0 0 0 0o 4 5 1 9一o 1 2 0 9 6 4 1 3 5 9 1 1 0 66 0 0 0 0o 5 4 8 l 0 1 2 1 3 74 4 1 8 7 0 0 077 0 0 0 00 6 4 4 20 3 6 9 8 84 5 6 8 1 0 0 477 2 5 0 00 6 6 8 30 4 3 5 1 94 6 6 4 1 8 0 0 l o4 6 6 4 1 8 0 0 1 9 z 。渊 第四章曲轴的疲劳强度试验 表4 3 回归参数 相关系数 回归线斜率回归线平移 0 7 7 1 0o 0 0 2 61 1 3 6 6 4 在样本数为1 0 ，显著水平0 o l 下相关系数的应满足大于0 7 0 7 9 ，因 0 7 7 1 0 0 7 0 7 9 ，所以结果满足正态分布要求。 表4 4 分布参数 样本均值n 样本方差n m 4 3 1 1 0 7 1 03 7 9 2 8 3 4 4 3 3 圆角极限应力正态分布 表4 5 计算表格 总序号圆角极限应力( 仲a )失效序号平均序号中位秩正态偏量 l3 5 7 9 311 0 0 0 00 0 6 7 3一1 4 9 7 3 23 5 8 5 422 o 0 0 00 1 6 3 5 一o 9 8 1 7 33 9 2 8 833 0 0 0 0o 2 5 9 60 6 4 5 0 44 1 3 8 344 o 0 0 00 3 5 5 80 3 6 8 6 54 1 9 5 355 0 0 0 00 4 5 1 9一o 1 2 0 9 64 3 6 3 766 0 0 0 00 5 4 8 lo 1 2 1 3 74 4 8 4 47 7 0 0 0 00 6 4 4 20 3 7 0 6 84 5 4 2 2 94 7 3 0 0 l o4 9 2 1 4 表4 6 回归参数 相关系数 回归线斜率回归线平移 0 9 7 1 8 o 0 1 7 67 5 7 6 5 在样本数为1 0 ，显著水平0 0 1 下相关系数的应满足大于0 7 0 7 9 ，因 0 9 7 1 8 o 7 0 7 9 ，所以结果满足正态分布要求。 表4 7 分布参数( 肝a ) 样本均值样本方差 4 2 9 1 95 6 6 5 2 0 第四章曲轴的疲劳强度试验 4 4 结论 本次试验中曲轴破坏形式为连杆轴颈圆角疲劳破坏。通过对本次试验所测得 数据进行统计分析，最终得出曲轴在5 0 存活率下的极限承载弯矩4 3 1 1 0 7 1 0n m ， 此时安全系数n = 1 8 2 1 ，5 0 存活率下统计学结果比较见表4 8 。 表4 8 极限承载弯矩、圆角极限应力5 0 成活率下统计学结果比较 样本均值样本方差变异系数 极限承载弯矩( n m ) 4 3 1 1 - 0 7 1 03 7 9 2 8 3 4o 0 8 7 圆角极限应力( 肝a ) 4 2 9 1 9 4 75 6 6 4 8 l0 1 3 2 在5 0 存活率下安全系数n = 1 8 21 大于许用安全系数1 3 ，能够满足要求。 2 1 第五章曲轴的有限元分析 第五章曲轴的有限元分析 通过上一章的试验及计算可以看出，试验只能在构件建制出来后进行，具体 到实际的曲轴时，用计算的方法确定曲轴的工作应力却非常困难，因为实际的曲 轴不管是对全支撑还是非全支撑的，它是一多支承的静不定系统，理论上应按连 续粱的概念来求解支承弯矩和支反力；曲轴是一根弯曲的弹性轴，支承它的曲轴 箱和支座都是弹性体，在外载荷的作用下它们将发生弹性变形；曲轴在工作时承 受的负荷不但沿整个轴颈长度呈二次抛物线的分布规律不断变化，而且沿径向方 向呈余弦曲线的分布规律不断弯化；主轴颈的不均匀磨损使得各轴颈不同方向的 磨损导致主轴颈同轴度的破坏。上述这些因素使得曲轴应力的计算报复杂，为此 只能作较为近似的计算。下面利用有限元对曲轴进行分析。 51 有限元计算模态分析 51 1 曲轴三维几何模型的建立 现今，三维几何造型技术己很成熟，相关的c a d 系统有p r o e 、u g 、c t i a 等。从功能上而言，这些c d 软件太体相同，都具有强大的几何造型功能，且与 一般的大型通用有限元软件有着很好的模型数据接口。本文选择p r o e 为c a d 系 统平台来建立w d 6 1 5 型柴油机曲轴的三维几何模型。 如图5 一l 为建立的w d 6 1 5 型柴油机曲轴的三维几何模型。 v 图5 一l 叨6 1 5 型柴油机曲轴的三维几何模型 5 12 曲轴有限元模型的建立 为保证计算结果的精度必须对原结构进行适当的简化，突出重点，忽略次 要因素，才能取得满意的分析结果。曲轴是一种长轴类零件，具有轴线不连续、 长颈比大和结构复杂等特点，建模时应吼尽量不影响其结构动态特性为简化原 2 2 第五章曲轴的有限元丹析 则因此有限元模型网格要有足够的密度。为了实现w d 6 1 5 型柴油机曲轴的c a e 分析，我们做了如