技術(shù)維修與康明斯知識

柴油發(fā)電機曲軸裂紋和疲勞斷裂的原因與檢驗

 

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

 

一、曲軸裂紋與斷口原因

 

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

② 軸承的間隙過(guò)大或合金脫落，引起沖擊載荷的增大。

③ 曲軸長(cháng)期工作后發(fā)生疲勞損傷。

④ 曲軸經(jīng)常在臨界轉速運轉。

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(xiàn)上。

⑥ 潤滑油道不暢通，曲軸處于半干摩擦狀態(tài)，導致曲軸裂斷。

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、曲軸設計理論計算與試驗

   

      根據受力的大小，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(jiàn)現象，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(kāi)始，最后橫斷整個(gè)曲柄臂，說(shuō)明曲軸主要是彎矩作用下的疲勞破壞，所以計算中不考慮扭轉應力。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，初步認為在活塞上止點(diǎn)時(shí)，由于爆發(fā)壓力的作用，使曲軸內部彎曲應力最大，下止點(diǎn)時(shí)應力最小?？得魉构具x取了此款柴油發(fā)電機最大轉矩點(diǎn)工況進(jìn)行分析，此時(shí)，柴油發(fā)電機爆發(fā)壓力最大，曲軸所受的彎曲應力也最大，對柴油發(fā)電機在上止點(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力數值，為此處的圓角疲勞強度計算提供了計算依據。該曲軸的材料為40Cr整體調質(zhì)（斷裂圓角處為車(chē)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，抗拉強度σb＝750 MPa，屈服強度σs＝550 MPa、彎曲疲勞極限σ-1=350 MPa。

 

圖1  柴油機曲軸容易疲勞部位示意圖

圖2  曲軸常見(jiàn)裂紋源示意圖

 

1、靜力載荷計算

      柴油發(fā)電機在最大轉矩點(diǎn)、1個(gè)做功循環(huán)內的缸內燃氣壓強如圖3所示，分析得知，在曲軸轉角14°附近，缸內燃氣壓強達到峰值約為80 bar，選取此位置對整個(gè)曲柄連桿機構進(jìn)行受力計算，為圓角處最大應力的有限元計算提供載荷條件。

      如圖3所示，最小彎曲應力時(shí)的曲柄連桿機構受力在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力，選取a＝540°作為計算工況點(diǎn)，此時(shí)β＝0°，求得機構受力情況。

2、最大彎曲應力時(shí)的曲柄連桿機構受力

（1）作用于活塞頂部氣體爆發(fā)產(chǎn)生的爆發(fā)壓力；

（2）活塞部分往復運動(dòng)產(chǎn)生的慣性力；

（3）曲柄部分不平衡回轉質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力；

（4）整個(gè)曲柄機構的重力。

3、 曲軸疲勞試驗

      曲軸疲勞試驗的主要目的的評估曲軸的疲勞強度。試驗是在專(zhuān)門(mén)的疲勞試驗機上進(jìn)行的，它通常是液壓驅動(dòng)，模擬發(fā)動(dòng)機運行時(shí)曲軸上所受到的相應載荷。曲軸疲勞試驗分析過(guò)程如圖4所示。

      這個(gè)疲勞試驗是作為產(chǎn)品的認可依據試驗件應該可以作為部件生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)主要驗證方法。因此樣件應該達到生產(chǎn)的標準。在發(fā)動(dòng)機開(kāi)發(fā)的早期階段就應該做原型件的初步試驗。試驗的區間應該是曲軸的圓角，可以用不同的方法增加彎曲疲勞強度，例如滾壓和淬水?？梢杂肊XCITE軟件計算發(fā)動(dòng)機運轉期間的曲軸疲勞強度。計算出曲柄銷(xiāo)圓角最低安全安全系數(在最大疲勞破壞載荷),然后用于試驗件的彎曲載荷試驗的載荷確定。這個(gè)意味著(zhù)彎曲載荷的條件應該用于曲軸疲勞分析的基礎上進(jìn)行。疲勞強度的分析應結合至少兩個(gè)曲柄銷(xiāo)的圓角區域的金相分析檢測，另外曲柄銷(xiāo)的圓角區域的微硬度測量也應該做，因為他決定于硬度型線(xiàn)。曲軸截面上多點(diǎn)硬度測量結果進(jìn)行。

 

圖3  柴油發(fā)電機最大轉矩的缸壓曲線(xiàn)圖

圖3  柴油機曲軸疲勞與損傷分析

 

三、曲軸損傷檢查與修復

 

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(guān)察，如有裂紋，在鐵粉末聚積的中間就會(huì )發(fā)現有清楚的裂紋線(xiàn)條。以康明斯發(fā)動(dòng)機KTA38-G5某案例為例，磁粉檢測后裂紋的宏觀(guān)形貌見(jiàn)圖5。裂紋大致相互平行，垂直于磨削方向，排列規則，呈細小、聚集、斷續串接特征。軸頸圓角及主軸頸高頻感應淬火層深度為3~6mm，與軸頸垂直的磨削平面高頻感應淬火層最深為8mm，見(jiàn)圖6，均超過(guò)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(wú)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觀(guān)察，如發(fā)現油漬冒出或成一黑線(xiàn)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 )由裂紋內部滲出而使曲軸表面的滑石粉變成黃褐色，即可發(fā)現裂紋之所在。

④ 石灰乳法

      將曲軸洗凈浸在熱油（機油）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，其工藝要點(diǎn)簡(jiǎn)述如下。

① 焊修前的準備

      先將曲軸放在堿水中煮洗清潔，除去油污，再用鑿刀沿著(zhù)裂紋表面鑿成“U”形槽。槽深以不見(jiàn)裂紋為好。槽的底部呈圓弧形，槽口的寬需根據裂紋的深度、長(cháng)度和形狀等情況來(lái)決定。然后進(jìn)行校正，使曲軸的彎曲擺差不超過(guò)規定范圍。最后，將曲軸裝在專(zhuān)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(guò)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，用電焊在斷縫兩側先點(diǎn)焊幾點(diǎn)，再在裂縫未電焊的兩面開(kāi)槽后焊接。

② 焊修

      焊修前，先用氣焊火焰在焊補部位加溫至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，應立即清除焊渣，再焊下一層。

③ 焊后整理

      焊后，應先將焊修處鑿修平整，并鉆通油道，檢驗焊接處有無(wú)裂紋，曲軸有沒(méi)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(guān)形貌

圖6  曲軸裂紋組織分布及宏觀(guān)偏析

 

四、曲軸斷裂的預防措施

 

1、保證機加工的技術(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，以避免曲軸在運行中所承載的載荷遠遠超過(guò)曲軸本身的疲勞極限而引起過(guò)載斷裂。

（2）軸頸尺寸、圓角、光潔度、動(dòng)平衡等機加工全尺寸，必須保證滿(mǎn)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)行嚴格的檢驗，應符合標準規定。

（4）曲軸與飛輪的錐孔的配合應符合技術(shù)要求，兩者之間的貼合面在75%以上，以避免貼合面過(guò)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，應符合技術(shù)要求。間隙配合是為更好的轉動(dòng)和潤滑，過(guò)渡配合和過(guò)盈配合都有可能使得軸與軸套之間摩擦系數過(guò)高和潤滑油不能進(jìn)入工作面。

（7）按規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)機在超負荷條件下工作，并防止突爆的發(fā)生；機車(chē)重載時(shí)，應平穩起步，不可抬腳過(guò)快，遇到障礙物時(shí)，不要加大油門(mén)猛松離合器硬沖；機車(chē)行駛中，一般應先踏離合器脫檔后再制動(dòng)停車(chē)；正確控制油門(mén)，切勿忽大忽小。

（9）保持發(fā)動(dòng)機潤滑系統中油路暢通，潤滑油充足。使潤滑良好，以避免造成軸瓦與軸頸發(fā)生干摩擦。

（10）發(fā)動(dòng)機大修時(shí)，應對曲軸進(jìn)行磁力探傷檢查，也可用浸油敲擊法、錘擊法，當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)，不易修復使用，應立即更換曲軸。

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(guò)采用各種強化方法提高材料的強度，尤其是表面強度，在軸頸R角表面形成殘余壓應力，可使疲勞強度顯著(zhù)提高。此外，能修復曲軸上各種能引起應力集中的缺陷、刀痕、尖角、截面突變等造成的質(zhì)量問(wèn)題，從而提高曲軸的抗疲勞能力。像圓角滾壓強化、氮化圓角強化、感應淬火圓角滾壓強化等復合強化工藝是最有效的強化手段，即提高了曲軸的疲勞強度，又改善了曲軸表面的耐磨性。僅就圓角滾壓來(lái)說(shuō)，能使曲軸產(chǎn)生表面壓應力，提高表面硬度，改善表面光潔度，結果提高整體的疲勞強度?，F在各發(fā)動(dòng)機曲軸生產(chǎn)廠(chǎng)家常用的是圓角沉割滾壓強化，提高疲勞強度約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(zhù)溝槽圓周方向移動(dòng)，根據金屬變形理論，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)，當外力達到一定數值時(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、組織結構和物理性能都發(fā)生了變化，在圓角表層內產(chǎn)生一定殘余壓應力，使金屬表面得到強化，提高了零件表層冷作硬化硬度，壓平了微觀(guān)不平度，降低了零件的表面粗糙度，被滾壓金屬表面的強度極限、屈服極限和疲勞極限都有提高。

      滾壓效果與曲軸設計尺寸、材料強度、滾輪尺寸、滾壓力、圈數等有關(guān)，在實(shí)際應用中，應根據產(chǎn)品的特點(diǎn)進(jìn)行滾輪、滾壓力、壓入角、滾壓圈數等的選擇，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：

      柴油發(fā)電機曲軸工作過(guò)程中的斷裂，是非常嚴重的失效事故。有材質(zhì)、機加工、裝配、使用、維護等多方面的原因，由此，分析曲軸斷裂機理、規律，優(yōu)化制造工藝方案、嚴格控制生產(chǎn)以及裝配過(guò)程，合理的使用、定時(shí)保養維護以及更換，確保曲軸的質(zhì)量要求和使用要求能滿(mǎn)足柴油發(fā)電機正常運行的需要，特別嚴禁在運行過(guò)程中的違規操作，尤其通過(guò)提升曲軸本身的疲勞性能，可顯著(zhù)地降低斷軸率。

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