技術維修與康明斯知識

柴油發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驗和實踐表明，彎曲和扭轉疲勞斷裂是柴油發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。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渡圓角部分，油孔附近會產生嚴重的應力集中。在循環應力作用下，在應力集中區便可能產生疲勞破壞。

 

一、曲軸裂紋與斷口原因

 

① 光磨軸頸時，沒有使軸頸與曲軸臂（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 軸承的間隙過大或合金脫落，引起沖擊載荷的增大。

③ 曲軸長期工作后發生疲勞損傷。

④ 曲軸經常在臨界轉速運轉。

⑤ 汽缸體變形，曲軸軸承座不正，修配曲軸軸承時，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，導致曲軸裂斷。

⑦ 曲軸材質不佳，或制造時存有缺陷。

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現象，其斷裂后的狀態如圖2所示。由于曲軸斷裂的方向是從主軸頸圓角處開始，最后橫斷整個曲柄臂，說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。為簡單起見，初步認為在活塞上止點時，由于爆發壓力的作用，使曲軸內部彎曲應力最大，下止點時應力最小。康明斯公司選取了此款柴油發電機最大轉矩點工況進行分析，此時，柴油發電機爆發壓力最大，曲軸所受的彎曲應力也最大，對柴油發電機在上止點附近的最大爆發壓力點和下止點分別進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（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  曲軸常見裂紋源示意圖

 

1、靜力載荷計算

      柴油發電機在最大轉矩點、1個做功循環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，選取此位置對整個曲柄連桿機構進行受力計算，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，最小彎曲應力時的曲柄連桿機構受力在a＝180°（爆發下止點）時，氣體爆發壓力約為1 153 N；a＝540°（換氣下止點）時，爆發壓力約為347 N。為得到圓角最小彎曲應力，選取a＝540°作為計算工況點，此時β＝0°，求得機構受力情況。

2、最大彎曲應力時的曲柄連桿機構受力

（1）作用于活塞頂部氣體爆發產生的爆發壓力；

（2）活塞部分往復運動產生的慣性力；

（3）曲柄部分不平衡回轉質量產生的離心慣性力；

（4）整個曲柄機構的重力。

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。試驗是在專門的疲勞試驗機上進行的，它通常是液壓驅動，模擬發動機運行時曲軸上所受到的相應載荷。曲軸疲勞試驗分析過程如圖4所示。

      這個疲勞試驗是作為產品的認可依據試驗件應該可以作為部件生產過程的一個主要驗證方法。因此樣件應該達到生產的標準。在發動機開發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。可以用EXCITE軟件計算發動機運轉期間的曲軸疲勞強度。計算出曲柄銷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。這個意味著彎曲載荷的條件應該用于曲軸疲勞分析的基礎上進行。疲勞強度的分析應結合至少兩個曲柄銷的圓角區域的金相分析檢測，另外曲柄銷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。曲軸截面上多點硬度測量結果進行。

 

圖3  柴油發電機最大轉矩的缸壓曲線圖

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，同時用小手錘輕輕敲擊曲軸。這時注意觀察，如有裂紋，在鐵粉末聚積的中間就會發現有清楚的裂紋線條。以康明斯發動機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，見圖6，均超過產品技術要求。

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。如發出“鏘、鏘”（連貫的尖銳金屬聲），則表示曲軸無裂紋；如發出“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生裂紋的部位，用眼看或用放大鏡仔細觀察，如發現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，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”的方法進行修復，其工藝要點簡述如下。

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，槽口的寬需根據裂紋的深度、長度和形狀等情況來決定。然后進行校正，使曲軸的彎曲擺差不超過規定范圍。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，用電焊在斷縫兩側先點焊幾點，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部位加溫至350~450℃，再用直徑3~4mm的低碳鋼電焊條進行電焊焊接。焊接時，用采用對向焊接（與裂紋垂直方向移動焊條）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，檢驗焊接處有無裂紋，曲軸有沒有彎曲變形。然后用磨床在焊接處進行磨削加工，使表面光潔平整，并可在曲軸的工作表面進行熱處理，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、曲軸斷裂的預防措施

 

1、保證機加工的技術要求和使用中的合理性

（1）首先保證材質符合技術要求，以避免曲軸在運行中所承載的載荷遠遠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、動平衡等機加工全尺寸，必須保證滿足技術要求。

（3）在安裝曲軸之前對其主要技術要求（如曲軸的連桿軸頸圓角、曲軸半徑、曲軸飛輪組件的動平衡等）進行嚴格的檢驗，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，造成曲軸與飛輪之間的沖擊。

（5）各缸供油量（或點火）應均勻，并使供油提前或點火時間符合技術要求。

（6）曲軸軸頸與軸瓦的間隙，應符合技術要求。間隙配合是為更好的轉動和潤滑，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過高和潤滑油不能進入工作面。

（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。

（8）避免發動機在超負荷條件下工作，并防止突爆的發生；機車重載時，應平穩起步，不可抬腳過快，遇到障礙物時，不要加大油門猛松離合器硬沖；機車行駛中，一般應先踏離合器脫檔后再制動停車；正確控制油門，切勿忽大忽小。

（9）保持發動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生干摩擦。

（10）發動機大修時，應對曲軸進行磁力探傷檢查，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，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鍵，圓角滾壓是曲軸強化的非常有效的措施，同時它也是提升企業競爭力的核心技術。

      通過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量問題，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。僅就圓角滾壓來說，能使曲軸產生表面壓應力，提高表面硬度，改善表面光潔度，結果提高整體的疲勞強度。現在各發動機曲軸生產廠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，滾壓輪在接觸壓力下沿著溝槽圓周方向移動，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暫時減小或晶粒間產生滑動，當外力達到一定數值時，被加工表面金屬除產生彈性變形外，還形成塑性變形。由于塑性變形的產生，使零件被加工表面的形狀、組織結構和物理性能都發生了變化，在圓角表層內產生一定殘余壓應力，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，在實際應用中，應根據產品的特點進行滾輪、滾壓力、壓入角、滾壓圈數等的選擇，力求能充分發揮出曲軸材料、圓角滾壓的優勢作用，提升產品的品質。

 

總結：

      柴油發電機曲軸工作過程中的斷裂，是非常嚴重的失效事故。有材質、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，優化制造工藝方案、嚴格控制生產以及裝配過程，合理的使用、定時保養維護以及更換，確保曲軸的質量要求和使用要求能滿足柴油發電機正常運行的需要，特別嚴禁在運行過程中的違規操作，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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