設備裝配與結構組成

柴油發電機曲軸結構與裝配注意事項

 

摘要：采用FEMFAT疲勞仿真軟件，結合柴油機曲軸材料、表面加工工藝、應力循環特征等各方面因素，綜合分析后得出曲軸的疲勞壽命及安全系數。應用曲軸疲勞試驗機，通過升降法獲取對有效數據分析曲軸的疲勞極限和安全系數。對比仿真與臺架試驗計算數據及結果，找尋曲軸發生應力集中的部位，對仿真及試驗結果進行安全系數評估，分析影響柴油發電機曲軸壽命的因素，最終得出2種試驗方法所得試驗結果均滿足安全要求。

 

一、曲軸結構

 

      曲軸的結構（如圖1所示）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。

1、主軸頸

      圖2所示，主軸頸用來支撐曲軸，曲軸幾即繞其中心線旋轉。主軸頸支撐于滑動主軸承上，主軸頸結構和連桿軸頸類似，不同點于滑動主軸承上，主軸頸結構和連桿軸頸類似，不同點是內外表有油槽。主軸承蓋用螺栓與上曲軸箱的主軸承座緊固在一起。為了使各主軸頸磨損相對均勻，對于受力交大的中部和兩端的主軸頸制造得較寬。在連桿軸頸的兩側都有主軸頸者，稱為全支撐曲軸。全支撐曲軸鋼度好，主軸頸負荷小，但它比擬長。如果主軸頸數目比連桿軸頸少，那么稱為非全支撐曲軸。其特點和全支撐主軸相反。

 

圖1 曲軸結構圖

圖2 主軸頸位置圖

 

2、連桿軸頸

      連桿軸頸用來安裝連桿大頭。直列式柴油發電機的連桿軸項數與汽缸數相等；V型柴油發電機因為兩個連桿共同裝在一個連桿軸頸上，故連桿軸頸數為汽缸數的一半。連桿軸頸通常被制成中空，其目的是為了減輕曲拐旋轉局部的質量，以減小離心力。中空的局部還可兼作油道和油腔，如圖3所示。油腔不鉆通，外端用螺塞封閉，并用開口銷鎖住。連桿中部插入一彎管，管口位于油腔中心。當曲軸旋轉時，在曲軸油管機油中的較重的雜質被甩向油腔壁，而潔凈的機油那么經彎管流向連桿軸向外表，減輕了軸頸的磨損。

 

圖3 連桿軸頸位置圖

圖4 曲軸臂位置圖

 

3、曲軸臂

      曲軸臂用來連接主軸頸和連桿軸頸，如圖4所示。有的柴油發電機曲軸臂上加有平衡塊，用來平衡曲軸的不平衡的離心力和離心力矩，有的還可平衡一局部往復慣性力。圖示5為四缸柴油發電機曲軸受力情況。1.4道連桿軸頸的離心力F1、F4與2.3道連桿軸頸的離心力F2、F3大小相等，方向相反。從整體上看，似乎在內部能相互平衡，但由于在F1與F2形成的力偶MF2和F3與F4形成的力偶M3-4作用下，如果曲軸的剛度缺乏，那么發生彎曲變形，加劇主軸頸的磨損。為此，需加寬軸頸，增加剛度，以減少磨損。但更有效的措施是在曲軸臂反方向延伸一塊平衡塊（如圖6所示）。平衡塊與曲軸制成一體，也可單獨制造，再用螺栓固裝在曲軸臂上，加平衡塊會導致曲軸質量和材料消耗增加，制造工藝復雜。因此，曲軸是否要加平衡塊，應視具體情況而定。

 

圖5 曲軸上離心力作用

圖6 曲軸加平衡塊示意圖

 

4、曲軸的前軸端

      通常的前軸端裝有正時齒輪皮帶輪扭轉減震器和啟動爪等，為防止機油沿曲軸軸頸外漏，一般在正時齒輪前端裝一個甩油盤，正時齒輪蓋內孔周圍還嵌有自緊式油封。當機油濺落在隨著曲軸旋轉的甩油盤上時，由于離心力的作用，被甩到正時齒輪蓋的內壁上，油封擋住機油，是機油沿壁面流回油殼中。

5、曲軸的后軸端

      后軸端制有甩油突緣、回油螺紋和飛輪結合盤。飛輪結合盤是用來連接飛輪輸出動力。甩油突緣與回油螺紋用來防止既有外漏，從主軸頸間隙流向后端的機油，主要被甩油突緣甩入主軸承座孔后邊緣的凹槽內，并經回油孔流向底殼。少量的機油流至回油螺紋區，被回油螺紋返回到甩油突緣而甩回油低殼。

      為更可靠地防止漏油，有時柴油發電機還在最后一道主軸承蓋的端面上裝有油封，油封材料有橡膠，含石墨的石棉繩等。此外，最后一道主軸承蓋與缸體結合面出還嵌有軟木條或石棉繩等填料，起密封作用。曲軸作為轉動件，如果軸向竄動量過大，將破壞各機件的正常工作。但也不能過小，應給曲軸留有熱膨脹伸長的余地。為此，曲軸必須有一定的軸向間隙，此間隙一般在0.05~0.25mm。

6、曲軸軸向限位裝置

      一般設置在某道主軸頸的兩側。其材料加工與滑動軸承類似，也是在鋼背上澆注一層減磨合金，但是具體結構因車而異。有的是兩片整圓形的止推墊圈，通常安裝在前端軸上，有的是兩片或四片半圓型的止推片；采用更多的是將四片半圓形止推片與主軸承制成一體而成為翻邊軸瓦，，但軸承前后竄動是翻邊軸瓦端面的減磨合金與相對應的曲軸臂止推面接觸摩擦，限制了曲軸竄動。

7、曲軸的形狀和各曲軸的相對位置

      曲軸的形狀和各曲軸的相對位置取決于汽缸數，汽缸排列和工作順序等多種因素。在安排多缸柴油發電機的工作順序時，首先應該使各缸作功間隔相等，以保證柴油發電機運轉平衡；其次應該使連續作功的兩缸相距盡可能遠一些，以減輕主軸承的載荷，同時，防止兩缸相鄰發生進氣重疊現象而影響沖氣。根據以上原理，四缸柴油發電機工作順序及曲拐的布置表達如下：四沖程直列四缸柴油發電機，在一個工作循環中各缸均要作功一次，所以作功間隔角720度/4=180度；工作順序有兩種可能的排列法；即1-2-4-3或1-3-4-2其中前一種采用較廣泛。在機床上進行機械零件的機械加工時，所需工藝裝備中除了刀具量具輔助工具外，還必須有共裝夾工件用的機床夾具〔簡稱夾具〕。

 

二、曲軸疲勞分析和試驗

 

      曲軸疲勞試驗的主要目的是評估曲軸在長期使用過程中的彎曲疲勞壽命，為曲軸的設計和制造提供依據。通過試驗，可以確定曲軸的疲勞強度和疲勞壽命，為改進曲軸的設計和材料選擇提供參考。

1、疲勞研究方法

      在柴油機零件的疲勞壽命預測及分析的研究中最為經典的方法是S-N、e-N疲勞裂紋擴展壽命法。通過高周疲勞分析法得到的材料S-N曲線，通常在試驗中用一組標準試件，對其施加不同的應力幅，測出試件斷裂時的循環數N，然后以應力σ縱坐標，N為橫坐標，得出S-N曲線。

      一條完整的S-N曲線，被劃分為低循環疲勞段(LCF)，宏觀屈服，非線性段；高循環疲勞段(HCF)，線性段，N=10E4~10E6；疲勞極限段(SF)，N>10E7，這樣三個疲勞階段。而對于S-N曲線進行修正時，主要需要考慮理論應力集中系數、尺寸系數、表面精度、加載方式4個方面的影響因素。

2、試驗準備

      在發動機運轉時，由計算可知，影響疲勞壽命的主要是彎曲載荷，扭矩對它的影響不是很大。所以評價主要考慮彎曲疲勞。

      彎曲疲勞試驗在脈動疲勞試驗裝置上進行。曲軸被切成兩部分，包括按兩個主軸頸和一個曲軸軸頸為一個軸段單元，通常用第二曲柄做試驗。把這個單元的一個主軸銷和一個曲柄銷夾緊，試驗載荷加在第二個軸承頸上，這里加載荷的向量應該在由主軸頸、曲柄銷和無軸向力的中軸線確定的平面上。試驗載荷可

      以通過一個可以在第二個主軸徑處自由運動、具有節點的桿處來施加。主軸銷和曲柄銷的夾具必須被設計成壓緊力對軸銷半徑對壓力外圓的影響可以忽略的裝置，由此在夾具板與銷之間的接觸域對主軸頸和曲柄銷必須有一個很小的距離，這個距離大于圓角半徑的3.5倍。

3、曲軸疲勞分析

（1）參數設置

      試驗及仿真所用曲軸材料為42CrMo4，在FEMFAT軟件中載入曲軸的應力分析結果并設置曲軸的材料屬性，定義曲軸模型當前節點組的表面粗糙度，離散度和溫度場，曲軸表面采用感應淬火加工工藝等重要參數。在影響參數設置界面，勾選應力梯度、滲碳、感應硬化和鍛造選項。疲勞分析參數中選擇耐久安全系數，定義全局參數，定義存活率，等效應力等。

（2）曲軸疲勞分析結果

      曲軸的強度很大程度上決定了發動機的使用壽命及其可靠性，因此對曲軸的安全可靠性提出了很高的要求。如圖7所示，若設X_q0是曲軸的理論設計強度。X_y0是曲軸的理論工作應力，曲軸的安全系數為n=X_q0/X_q0>1，理論上不應該發生破壞。而實際工作應力和零件強度都呈現正態分布，因此存在一個概率曲線與強度概率曲線相重疊的區域，如果零件的強度和工作應力都落在這個區域，就會發生破壞。這個區域的大小，就是可靠性中零件發生破壞的概率。

      運用FEMFAT軟件將曲軸動力學分析結果進行了疲勞計算，其中包含各節點疲勞安全系數、疲勞壽命、損傷結果以及破壞程度較大節點應力循環等，基于這些結果對曲軸進行全壽命評價。

      通過對曲軸材料、加工工藝等方面的參數設置后，分析得出曲軸的各部位的安全系數，如圖8所示。為曲軸在額定轉速下最小疲勞安全系數出現在第八曲柄臂主軸頸圓角處，在存活率為99.9%時，曲軸全工況下與連桿所連接軸頸處的最小安全系數為2.218，查找許用安全系數為1.3~1.5，說明曲軸滿足疲勞計算要求。

      計算得出最小疲勞壽命為1.33928E×10¹⁰個工作循環，所在節點為36384。折合曲軸的運轉時間約10年以上。

 

圖7 曲軸試驗應力強度干涉模型圖

圖8 曲軸疲勞試驗最小安全系數

 

4、曲軸疲勞試驗研究

（1）疲勞試驗機工作原理

      依托仿真軟件進行曲軸疲勞模擬試驗，得出曲軸的最小疲勞壽命及安全系數，曲軸試驗模型如圖9所示。但與曲軸實際工況仍存在些許差距，一般可以通過臺架試驗，與仿真分析結果做以對比，以使試驗結果更加可靠。

      據統計，由于疲勞引起的柴油發電機零部件損壞占比80%。ZQP-6000型曲軸疲勞試驗機是由函數發生器發出指定頻率和指定幅度的正弦波，驅動功率放大器使激振器產生振動波形，機械諧振系統隨之產生振動，調整函數發生器發出的頻率至系統的共振頻率，即進入正常的工作狀態。根據共振頻率下降的情況測試并觀察曲軸試件在拉、壓或拉壓、交變載荷下的疲勞特性。其試驗結果用于曲軸優化設計、變更加工工藝、鑒定貨源、產品質量抽檢等。

（2）曲軸疲勞試驗結果

      通過曲軸疲勞試驗，能夠為曲軸的設計、結構優化等方面提供可靠的研究數據。對各種材料、加工工藝的曲軸進行多次反復試驗，總結分析試驗結果，這些結果能夠為曲軸的結構優化、加工工藝以及表面粗糙度的調整等方面起到指導作用。

      根據QC/T 637—2000《發動機曲軸彎曲疲勞試驗方法》，循環基數取107次，通過升降法測定曲軸的疲勞極限和安全系數。

      進行試驗時，彎矩增量ΔM小于5%，試驗在四到五級應力水平下進行。圖10為試驗結束后的結果升降曲線，圖中圓點代表試驗結果越出，十字標記代表試驗結構未達到循環基數，試件發生疲勞損傷，根據升降圖取6對有效數據。

      通過計算承載彎矩疲勞極限為M_-1(50%)=1479.17 N·m，標準差為S_n-1=58.07 N·m，變異系數Y=0.039，置信度為95%，相對誤差≤5%時，試驗結果滿足零件加工精度要求，M_-1(99.9%)=1 344.59 N·m。計算曲軸名義彎矩為M_-1=787.73N·m，安全系數為n_(99.9%)=1.707。

      將試驗得出的安全系數與有限元仿真得出的安全系數做以比較，略低于FEMFAT疲勞分析結果，n>1.3~1.5，證明曲軸滿足工作需求。

      利用FEMFAT軟件計算，分析曲軸在額定轉速下，曲軸的主軸頸和連桿軸頸上最小安全系數為2.218，查找許用安全系數為1.3~1.5，說明曲軸滿足疲勞計算要求。依據QC/T 637—2000，曲軸疲勞試驗所得曲軸部件安全系數為1.707滿足設計需要。仿真分析方法日趨成熟，但其結果與實際臺架實驗仍存有一定差距，本文通過對比仿真分析結果及臺架試驗結果，證明仿真分析能夠快速的分析出試件的疲勞結果，與實際臺架實驗結果具有較好的一致性，都滿足設計與工作所需條件。仿真及試驗結果也可作為零件突發斷裂時，快速分析原因及優化設計的重要手段，若需要更為精確的分析結果，還需通過臺架試驗做以對比分析。

 

圖9  柴油機曲軸疲勞試驗模型

圖10  曲軸疲勞試驗結果升降曲線圖

 

三、影響曲軸壽命的因素

 

      導致曲軸失效的最常見形式是疲勞損壞。通過實驗及仿真分析后可知，曲軸在正常工作條件下所能承受交變負荷的循環次數能夠得到曲軸的疲勞壽命，疲勞壽命一般包括曲軸的裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命2個階段。

      曲軸所產生的裂紋一般出現在曲柄臂與連桿軸頸的過渡圓角處，這種裂紋是由于曲軸發生了扭轉疲勞所引起的，一旦曲軸出現裂紋，隨之而來的是裂紋快速發展成的界面斷裂。而導致曲軸產生裂紋的原因，主要是由于曲軸的自身材料有缺陷，剛度強度未達到生產要求；或者在曲軸的設計階段，曲軸主軸頸、連桿軸頸和曲柄臂等部位的尺寸及受力分析存在誤差；甚至在加工過程中，由于加工工藝的不完善導致曲軸某部位出現嚴重的應力集中現象，以上這些都是在曲軸的設計及生產過程中導致其出現裂紋的幾點原因。當曲軸被安裝在發動機中時，在運行過程中，由于發動機爆缸導致曲軸受載過高，氣缸內出現拉缸現象，導致曲軸連桿軸頸磨損嚴重，且受力不均，致使曲軸出現裂紋。而曲軸在工作過程中產生的不平衡振動導致曲軸受力不均的現象是無法避免的，甚至由此出現扭轉共振現象而導致曲軸受到額外的扭轉應力，進而產生了裂紋。

     曲軸自身所受應力值在遠低于曲軸材料抗拉強度的情況下也會發生疲勞破壞，而且疲勞破壞在零件斷裂前基本上是沒有征兆的，會發生突然斷裂，這是一種極具危險的失效形式。

 

總結：

      應當注意，在完成試驗后，應編制試驗報告，報告內容應包括試驗目的、試驗方法、試驗過程、試驗結果和評估等。試驗報告應詳細記錄試驗過程中的數據和觀察結果，并進行必要的分析和解釋。曲軸彎曲疲勞試驗是評估曲軸可靠性和耐久性的重要手段。試驗標準的制定旨在確保試驗的準確性和可重復性，為曲軸的設計和制造提供科學依據。通過正確執行曲軸彎曲疲勞試驗，可以評估曲軸的疲勞強度和疲勞壽命，為提高曲軸的使用性能和可靠性提供參考。

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