技術(shù)維修與康明斯知識(shí)

柴油發(fā)電機(jī)曲軸裂紋和疲勞斷裂的原因與檢驗(yàn)

 

摘要：根據(jù)康明斯公司多年的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐表明，彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂是柴油發(fā)電機(jī)曲軸的主要破壞形式，特別是曲軸彎曲疲勞斷裂更為常見。疲勞破壞形式是指曲軸的橫斷面沿君軸線方向急劇變化，因而應(yīng)力分布極不均勻，很難準(zhǔn)確計(jì)算出應(yīng)力，給出強(qiáng)度判據(jù)。尤其在曲柄臂和軸頸的過渡圓角部分，油孔附近會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。在循環(huán)應(yīng)力作用下，在應(yīng)力集中區(qū)便可能產(chǎn)生疲勞破壞。

 

一、曲軸裂紋與斷口原因

 

① 光磨軸頸時(shí)，沒有使軸頸與曲軸臂（曲柄）連接處保持一定的內(nèi)圓角（一般要求軸頸的內(nèi)圓角為1~3mm之間）引起應(yīng)力集中而使曲軸斷裂。

② 軸承的間隙過大或合金脫落，引起沖擊載荷的增大。

③ 曲軸長期工作后發(fā)生疲勞損傷。

④ 曲軸經(jīng)常在臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

⑤ 汽缸體變形，曲軸軸承座不正，修配曲軸軸承時(shí)，各曲軸軸承座孔不在一軸線上。

⑥ 潤滑油道不暢通，曲軸處于半干摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致曲軸裂斷。

⑦ 曲軸材質(zhì)不佳，或制造時(shí)存有缺陷。

⑧ 曲軸平衡遭到破壞，曲軸受到很大的慣性沖擊，使曲軸疲勞而裂斷。

表1    曲軸疲勞破壞與斷裂形式分析

二、曲軸設(shè)計(jì)理論計(jì)算與試驗(yàn)

   

      根據(jù)受力的大小，容易造成曲軸疲勞的部位如圖1所示。由此，造成曲軸斷裂屬于常見現(xiàn)象，其斷裂后的狀態(tài)如圖2所示。由于曲軸斷裂的方向是從主軸頸圓角處開始，最后橫斷整個(gè)曲柄臂，說明曲軸主要是彎矩作用下的疲勞破壞，所以計(jì)算中不考慮扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。為簡單起見，初步認(rèn)為在活塞上止點(diǎn)時(shí)，由于爆發(fā)壓力的作用，使曲軸內(nèi)部彎曲應(yīng)力最大，下止點(diǎn)時(shí)應(yīng)力最小?？得魉构具x取了此款柴油發(fā)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工況進(jìn)行分析，此時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)爆發(fā)壓力最大，曲軸所受的彎曲應(yīng)力也最大，對柴油發(fā)電機(jī)在上止點(diǎn)附近的最大爆發(fā)壓力點(diǎn)和下止點(diǎn)分別進(jìn)行了有限元靜力分析，得到主軸頸斷裂處的彎曲應(yīng)力數(shù)值，為此處的圓角疲勞強(qiáng)度計(jì)算提供了計(jì)算依據(jù)。該曲軸的材料為40Cr整體調(diào)質(zhì)（斷裂圓角處為車削加工，未做特殊處理），查得該曲軸材料的彈性模量E＝206 GPa，剪切模量G＝79.38 GPa，泊松比u＝0.3，抗拉強(qiáng)度σb＝750 MPa，屈服強(qiáng)度σs＝550 MPa、彎曲疲勞極限σ-1=350 MPa。

 

圖1  柴油機(jī)曲軸容易疲勞部位示意圖

圖2  曲軸常見裂紋源示意圖

 

1、靜力載荷計(jì)算

      柴油發(fā)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)、1個(gè)做功循環(huán)內(nèi)的缸內(nèi)燃?xì)鈮簭?qiáng)如圖3所示，分析得知，在曲軸轉(zhuǎn)角14°附近，缸內(nèi)燃?xì)鈮簭?qiáng)達(dá)到峰值約為80 bar，選取此位置對整個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算，為圓角處最大應(yīng)力的有限元計(jì)算提供載荷條件。

      如圖3所示，最小彎曲應(yīng)力時(shí)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力在a＝180°（爆發(fā)下止點(diǎn)）時(shí)，氣體爆發(fā)壓力約為1 153 N；a＝540°（換氣下止點(diǎn)）時(shí)，爆發(fā)壓力約為347 N。為得到圓角最小彎曲應(yīng)力，選取a＝540°作為計(jì)算工況點(diǎn)，此時(shí)β＝0°，求得機(jī)構(gòu)受力情況。

2、最大彎曲應(yīng)力時(shí)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力

（1）作用于活塞頂部氣體爆發(fā)產(chǎn)生的爆發(fā)壓力；

（2）活塞部分往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力；

（3）曲柄部分不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力；

（4）整個(gè)曲柄機(jī)構(gòu)的重力。

3、 曲軸疲勞試驗(yàn)

      曲軸疲勞試驗(yàn)的主要目的的評估曲軸的疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)是在專門的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，它通常是液壓驅(qū)動(dòng)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)曲軸上所受到的相應(yīng)載荷。曲軸疲勞試驗(yàn)分析過程如圖4所示。

      這個(gè)疲勞試驗(yàn)是作為產(chǎn)品的認(rèn)可依據(jù)試驗(yàn)件應(yīng)該可以作為部件生產(chǎn)過程的一個(gè)主要驗(yàn)證方法。因此樣件應(yīng)該達(dá)到生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的早期階段就應(yīng)該做原型件的初步試驗(yàn)。試驗(yàn)的區(qū)間應(yīng)該是曲軸的圓角，可以用不同的方法增加彎曲疲勞強(qiáng)度，例如滾壓和淬水?？梢杂肊XCITE軟件計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間的曲軸疲勞強(qiáng)度。計(jì)算出曲柄銷圓角最低安全安全系數(shù)(在最大疲勞破壞載荷),然后用于試驗(yàn)件的彎曲載荷試驗(yàn)的載荷確定。這個(gè)意味著彎曲載荷的條件應(yīng)該用于曲軸疲勞分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行。疲勞強(qiáng)度的分析應(yīng)結(jié)合至少兩個(gè)曲柄銷的圓角區(qū)域的金相分析檢測，另外曲柄銷的圓角區(qū)域的微硬度測量也應(yīng)該做，因?yàn)樗麤Q定于硬度型線。曲軸截面上多點(diǎn)硬度測量結(jié)果進(jìn)行。

 

圖3  柴油發(fā)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的缸壓曲線圖

圖3  柴油機(jī)曲軸疲勞與損傷分析

 

三、曲軸損傷檢查與修復(fù)

 

1、曲軸裂紋與折斷的檢查

      曲軸裂紋多發(fā)生在連桿軸頸端部或曲軸臂與曲軸軸頸的結(jié)合處。其檢查方法有以下幾種。

① 磁力探傷法

      用磁力探傷器進(jìn)行檢查，先把曲軸用磁力探傷器磁化，再用鐵粉末撒在需要檢查的部位，同時(shí)用小手錘輕輕敲擊曲軸。這時(shí)注意觀察，如有裂紋，在鐵粉末聚積的中間就會(huì)發(fā)現(xiàn)有清楚的裂紋線條。以康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)KTA38-G5某案例為例，磁粉檢測后裂紋的宏觀形貌見圖5。裂紋大致相互平行，垂直于磨削方向，排列規(guī)則，呈細(xì)小、聚集、斷續(xù)串接特征。軸頸圓角及主軸頸高頻感應(yīng)淬火層深度為3~6mm，與軸頸垂直的磨削平面高頻感應(yīng)淬火層最深為8mm，見圖6，均超過產(chǎn)品技術(shù)要求。

② 錘擊法

      先清除黏附在曲軸表面上的油污，然后用煤油或柴油浸洗整個(gè)曲軸，再取出曲軸將其抹拭干凈，最后將曲軸的兩端支撐在木架上，用小手錘輕輕敲擊每道曲軸臂。如發(fā)出“鏘、鏘”（連貫的尖銳金屬聲），則表示曲軸無裂紋；如發(fā)出“波、波”（不連貫，短促的啞金屬聲），則表示曲軸有裂紋。然后在這附近容易產(chǎn)生裂紋的部位，用眼看或用放大鏡仔細(xì)觀察，如發(fā)現(xiàn)油漬冒出或成一黑線的地方，就是裂紋之所在。

③ 粉漬法

      將曲軸用煤油或柴油洗凈抹干后，在曲軸表面均勻涂上一層滑石粉，然后用小手錘輕敲曲軸臂，如果曲軸存在裂紋，油漬就會(huì)由裂紋內(nèi)部滲出而使曲軸表面的滑石粉變成黃褐色，即可發(fā)現(xiàn)裂紋之所在。

④ 石灰乳法

      將曲軸洗凈浸在熱油（機(jī)油）中約2h，讓油進(jìn)人裂縫，取出抹干后，用噴槍把“石灰乳液"噴到曲軸上使其干燥（石灰乳液是清潔的白堊和酒精的混合液，其比例為1：10-1：12），或用氣焊火焰將曲軸上的噴層加熱至70~80℃。這時(shí)，白堊便吸收儲(chǔ)存在裂縫中的油液，這部分白堊便成暗色，顯示出裂紋的形狀。

2、曲軸裂紋、折斷的修理

      曲軸有了裂紋或折斷，可用“焊修”的方法進(jìn)行修復(fù)，其工藝要點(diǎn)簡述如下。

① 焊修前的準(zhǔn)備

      先將曲軸放在堿水中煮洗清潔，除去油污，再用鑿刀沿著裂紋表面鑿成“U”形槽。槽深以不見裂紋為好。槽的底部呈圓弧形，槽口的寬需根據(jù)裂紋的深度、長度和形狀等情況來決定。然后進(jìn)行校正，使曲軸的彎曲擺差不超過規(guī)定范圍。最后，將曲軸裝在專制的焊架上，或裝在汽缸體上，并在曲軸與焊架或汽缸體之間墊以鐵質(zhì)襯瓦。再將軸承蓋用螺栓緊固，避免曲軸在焊接過程中彎曲變形。如果焊接折斷的曲軸，需按曲軸折斷的原痕找出中心縫，用電焊在斷縫兩側(cè)先點(diǎn)焊幾點(diǎn)，再在裂縫未電焊的兩面開槽后焊接。

② 焊修

      焊修前，先用氣焊火焰在焊補(bǔ)部位加溫至350~450℃，再用直徑3~4mm的低碳鋼電焊條進(jìn)行電焊焊接。焊接時(shí)，用采用對向焊接（與裂紋垂直方向移動(dòng)焊條）的方法，而且每焊完一層后，應(yīng)立即清除焊渣，再焊下一層。

③ 焊后整理

      焊后，應(yīng)先將焊修處鑿修平整，并鉆通油道，檢驗(yàn)焊接處有無裂紋，曲軸有沒有彎曲變形。然后用磨床在焊接處進(jìn)行磨削加工，使表面光潔平整，并可在曲軸的工作表面進(jìn)行熱處理，以增加工作表面的抗磨性能。

 

圖5  磁粉檢測后曲軸裂紋的宏觀形貌

圖6  曲軸裂紋組織分布及宏觀偏析

 

四、曲軸斷裂的預(yù)防措施

 

1、保證機(jī)加工的技術(shù)要求和使用中的合理性

（1）首先保證材質(zhì)符合技術(shù)要求，以避免曲軸在運(yùn)行中所承載的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過曲軸本身的疲勞極限而引起過載斷裂。

（2）軸頸尺寸、圓角、光潔度、動(dòng)平衡等機(jī)加工全尺寸，必須保證滿足技術(shù)要求。

（3）在安裝曲軸之前對其主要技術(shù)要求（如曲軸的連桿軸頸圓角、曲軸半徑、曲軸飛輪組件的動(dòng)平衡等）進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（4）曲軸與飛輪的錐孔的配合應(yīng)符合技術(shù)要求，兩者之間的貼合面在75%以上，以避免貼合面過小引起飛輪松動(dòng)，造成曲軸與飛輪之間的沖擊。

（5）各缸供油量（或點(diǎn)火）應(yīng)均勻，并使供油提前或點(diǎn)火時(shí)間符合技術(shù)要求。

（6）曲軸軸頸與軸瓦的間隙，應(yīng)符合技術(shù)要求。間隙配合是為更好的轉(zhuǎn)動(dòng)和潤滑，過渡配合和過盈配合都有可能使得軸與軸套之間摩擦系數(shù)過高和潤滑油不能進(jìn)入工作面。

（7）按規(guī)定的順序和扭力距緊固飛輪與曲軸的連按螺栓，并加以鎖緊，以防松動(dòng)。

（8）避免發(fā)動(dòng)機(jī)在超負(fù)荷條件下工作，并防止突爆的發(fā)生；機(jī)車重載時(shí)，應(yīng)平穩(wěn)起步，不可抬腳過快，遇到障礙物時(shí)，不要加大油門猛松離合器硬沖；機(jī)車行駛中，一般應(yīng)先踏離合器脫檔后再制動(dòng)停車；正確控制油門，切勿忽大忽小。

（9）保持發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)中油路暢通，潤滑油充足。使?jié)櫥己?，以避免造成軸瓦與軸頸發(fā)生干摩擦。

（10）發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，應(yīng)對曲軸進(jìn)行磁力探傷檢查，也可用浸油敲擊法、錘擊法，當(dāng)曲頸表面有徑向裂紋，或有較深的延至主軸肩圓角的軸向裂紋時(shí)，不易修復(fù)使用，應(yīng)立即更換曲軸。

2、改善曲軸的疲勞性能

      改善曲軸的疲勞性能，是降低曲軸斷裂的關(guān)鍵，圓角滾壓是曲軸強(qiáng)化的非常有效的措施，同時(shí)它也是提升企業(yè)競爭力的核心技術(shù)。

      通過采用各種強(qiáng)化方法提高材料的強(qiáng)度，尤其是表面強(qiáng)度，在軸頸R角表面形成殘余壓應(yīng)力，可使疲勞強(qiáng)度顯著提高。此外，能修復(fù)曲軸上各種能引起應(yīng)力集中的缺陷、刀痕、尖角、截面突變等造成的質(zhì)量問題，從而提高曲軸的抗疲勞能力。像圓角滾壓強(qiáng)化、氮化圓角強(qiáng)化、感應(yīng)淬火圓角滾壓強(qiáng)化等復(fù)合強(qiáng)化工藝是最有效的強(qiáng)化手段，即提高了曲軸的疲勞強(qiáng)度，又改善了曲軸表面的耐磨性。僅就圓角滾壓來說，能使曲軸產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，提高表面硬度，改善表面光潔度，結(jié)果提高整體的疲勞強(qiáng)度?，F(xiàn)在各發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸生產(chǎn)廠家常用的是圓角沉割滾壓強(qiáng)化，提高疲勞強(qiáng)度約80%以上，大幅度降低斷軸率。

      沉割滾壓原理：在曲軸圓角處加工沉割槽，使用滾壓技術(shù)，滾壓輪在接觸壓力下沿著溝槽圓周方向移動(dòng)，根據(jù)金屬變形理論，零件表面在外力作用下，被滾壓金屬的原子間距離會(huì)暫時(shí)減小或晶粒間產(chǎn)生滑動(dòng)，當(dāng)外力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，被加工表面金屬除產(chǎn)生彈性變形外，還形成塑性變形。由于塑性變形的產(chǎn)生，使零件被加工表面的形狀、組織結(jié)構(gòu)和物理性能都發(fā)生了變化，在圓角表層內(nèi)產(chǎn)生一定殘余壓應(yīng)力，使金屬表面得到強(qiáng)化，提高了零件表層冷作硬化硬度，壓平了微觀不平度，降低了零件的表面粗糙度，被滾壓金屬表面的強(qiáng)度極限、屈服極限和疲勞極限都有提高。

      滾壓效果與曲軸設(shè)計(jì)尺寸、材料強(qiáng)度、滾輪尺寸、滾壓力、圈數(shù)等有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)進(jìn)行滾輪、滾壓力、壓入角、滾壓圈數(shù)等的選擇，力求能充分發(fā)揮出曲軸材料、圓角滾壓的優(yōu)勢作用，提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)曲軸工作過程中的斷裂，是非常嚴(yán)重的失效事故。有材質(zhì)、機(jī)加工、裝配、使用、維護(hù)等多方面的原因，由此，分析曲軸斷裂機(jī)理、規(guī)律，優(yōu)化制造工藝方案、嚴(yán)格控制生產(chǎn)以及裝配過程，合理的使用、定時(shí)保養(yǎng)維護(hù)以及更換，確保曲軸的質(zhì)量要求和使用要求能滿足柴油發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的需要，特別嚴(yán)禁在運(yùn)行過程中的違規(guī)操作，尤其通過提升曲軸本身的疲勞性能，可顯著地降低斷軸率。

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