淺談柴油機(jī)曲軸斷裂

-.z.交通大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院201屆航運(yùn)工程系畢業(yè)生論文論文題目：淺談柴油機(jī)曲軸斷裂班級(jí)：輪機(jī)七班：方東靈指導(dǎo)教師：譚顯坤日期：2013年6月1號(hào)交通大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院航運(yùn)工程系淺談柴油機(jī)曲軸斷裂Thefractureofthecrankshaftofdieselengine[摘要]柴油機(jī)作用和工作條件;分析柴油機(jī)曲軸斷裂的主要特征；指出影響曲軸斷裂的主要原因有曲軸扭振臨界轉(zhuǎn)速、不平衡離心力引起的不平衡載荷、修理方法不當(dāng)、惡劣工況與局部構(gòu)造不合理等因素；提出預(yù)防解決曲軸斷裂的措施。[關(guān)鍵詞]柴油機(jī)曲軸扭振臨界轉(zhuǎn)速疲勞源動(dòng)平衡[Abstract]indieselenginefunctionandworkingconditions;mainfeaturesoffractureanalysisofdieselenginecrankshaft;pointedoutthatthemainreasonofthecriticalspeedofcrankshaft,crankshafttorsionalvibrationunbalancedcentrifugalforcecausedbytheunbalancedload,therepairimpropermethods,harshworkingconditionsandlocalstructureofunreasonablefactors;preventivemeasurestosolvethecrankshaftfracture.[Keyword]dieselengincrankshafttorsionalvibrationinincriticalspeedinthefatiguesourceindynamicbalance前言在世界貿(mào)易高速開展的今天，船舶依然扮演者最主要的角色。船舶運(yùn)營(yíng)中會(huì)經(jīng)常發(fā)生一些故障，這些故障需要我們論及人員去處理和修理，在船舶上，曲軸扮演著一個(gè)主要角色，它傳遞動(dòng)力，是船舶動(dòng)力傳遞的樞紐，如果曲軸斷裂，后果是不堪設(shè)想的，本文講的是關(guān)于曲軸斷裂的一些故障處理措施以及引起斷裂的原因。1.曲軸的構(gòu)造、作用、工作條件1.構(gòu)造曲軸的構(gòu)造如下列圖所示：它由主軸頸，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(gè)連桿頸和它兩端的曲臂以及前后兩個(gè)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。2作用〔1〕通過連桿將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)〔2〕把各缸所作的功聚集起來向外輸出〔3〕帶動(dòng)柴油機(jī)的復(fù)數(shù)設(shè)備，如：噴油泵、氣閥、啟動(dòng)空氣分配器、離心式調(diào)速器、，在中、小型柴油機(jī)中，還帶動(dòng)滑油泵、冷卻水泵、空氣壓縮機(jī)等。3.工作條件〔1〕受力復(fù)雜：曲軸工作中受其體力、王府慣性力和離心力以及它們產(chǎn)生的彎矩和扭矩的作用，使曲軸產(chǎn)生很大交變的彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，且均為疲勞應(yīng)力?！?〕應(yīng)力集中嚴(yán)重：曲軸彎彎曲曲形狀復(fù)雜，截面變化集聚，使曲軸部應(yīng)力分布極不均勻，尤其在曲臂與軸頸的過渡圓處及油孔周圍產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象?！?〕附加應(yīng)力大：曲軸形狀又細(xì)又長(zhǎng)，剛性很差，是一個(gè)彈性體，它在各種力的作用下會(huì)長(zhǎng)生扭轉(zhuǎn)、橫向和縱向振動(dòng)，當(dāng)曲軸的自由頻率較低時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速圍可能出現(xiàn)共振，使振幅大大增加，產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力。〔4〕軸頸磨損嚴(yán)重：軸頸在很大的比壓下會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，由于交變沖擊性負(fù)荷的作用，以及經(jīng)常啟動(dòng)、停車，使軸頸與軸承不易保證良好的液體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)，從而使軸頸產(chǎn)生較嚴(yán)重的磨損，嚴(yán)重時(shí)引起軸承燒損，特別是在潤(rùn)滑不良，機(jī)座或經(jīng)常啟停柴油機(jī)時(shí)，軸頸的磨損都會(huì)明顯加劇。正是因?yàn)榍S工作條件苛刻所以曲軸會(huì)有損壞二、曲軸斷裂面特征1.曲軸斷口與位置

所有曲軸斷口上均有明顯的光滑區(qū)和粗糙區(qū)。說明曲軸是在疲勞破壞下發(fā)生斷裂的。曲軸外部形狀尺寸突然變化，具備局部應(yīng)力集中的條件，在復(fù)雜的拉、壓、彎、扭等周期交變應(yīng)力作用和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)作用下，會(huì)在應(yīng)力集中處首先形成初始微觀裂紋，分散的微觀裂紋經(jīng)過集結(jié)溝通，將形成宏觀裂紋即疲勞源。裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋的兩個(gè)側(cè)面在交變載荷下，時(shí)而壓緊，時(shí)而分開，屢次反復(fù)，形成斷口的光滑區(qū)。粗糙區(qū)則是在裂紋到達(dá)臨界零件尺寸后，在應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較少的情況下迅速斷裂形成的。

在所考察的曲軸中，斷裂位置均發(fā)生在主軸頸與連桿軸頸之間和連桿軸頸段〔圖1〕，有兩種情況：(1)在主軸頸圓角處與連桿軸頸圓角處之間的A—A截面。主軸頸過渡圓角處具有明顯的占截面較小份額的光滑區(qū)，而其對(duì)面的連桿軸頸過渡圓角處具有較大的粗糙區(qū)，說明裂紋是先從主軸頸過渡圓角處產(chǎn)生的，逐步擴(kuò)大之后，通過曲柄臂開展到連桿軸頸過渡圓角處斷裂開。(2)在連桿軸頸靠近曲柄的圓角處的B—B截面。用同樣的方法可以判斷出裂紋是先從連桿軸頸過渡圓角處開場(chǎng)產(chǎn)生，逐步斜向遠(yuǎn)離曲柄位置開展，擴(kuò)大之后斷裂。2.各曲軸斷裂情況

在多根斷裂的曲軸中選出6根見表1，表1中連桿軸頸和主軸頸編號(hào)是從飛輪端開場(chǎng)的。

三、曲軸斷裂原因分析在近似穩(wěn)定的交變載荷下，柴油機(jī)曲軸一般能到達(dá)正常使用壽命。但是，發(fā)生比正常壽命提前許多的斷裂情況，往往是與大修過程中磨軸修理、矯直等措施不當(dāng)分不開的。

1.不平衡載荷的影響

(1)不平衡重量。在磨曲軸時(shí)，連桿軸頸尺寸變小后，與原始出廠相比，重量會(huì)減小。

(2)不平衡力臂。曲軸彎曲所采用的磨主軸頸的方法來保證各個(gè)主軸頸的同心度工藝，會(huì)導(dǎo)致主軸重量減小，主軸軸線向曲柄方向平移，產(chǎn)生不平衡力臂。

表1各曲軸斷裂情況(3)不平衡轉(zhuǎn)矩。不平衡重量和不平衡力臂導(dǎo)致不平衡轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。例如：假設(shè)一個(gè)平衡塊重13.5kg，該塊平衡塊因旋轉(zhuǎn)軸線平移0.2mm，則可產(chǎn)生270g?cm的不平衡轉(zhuǎn)矩；假設(shè)兩塊平衡塊因旋轉(zhuǎn)軸線的平移0.2mm，則可產(chǎn)生540g?cm的不平衡轉(zhuǎn)矩。如果φ130mm的連桿軸頸磨去兩級(jí)〔0.5mm〕，則其重量減輕99.998，在曲柄旋轉(zhuǎn)半徑105mm處減少1050g?cm的不平衡轉(zhuǎn)矩；與之相對(duì)應(yīng)的平衡塊處，就多出1050g?cm的不平衡轉(zhuǎn)矩。因?yàn)?，這兩個(gè)不平衡轉(zhuǎn)矩在一個(gè)方向上，總的不平衡轉(zhuǎn)矩相加后可達(dá)15908g?cm。曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不平衡轉(zhuǎn)矩加劇了曲軸的扭振作用。

由于第4主軸頸大約在整個(gè)曲軸的中間位置，曲軸上各橫向載荷作用下產(chǎn)生的彎矩疊加后，在曲軸的中間位置到達(dá)最大，彎曲應(yīng)力也達(dá)最大；而不平衡離心力引起的附加彎曲應(yīng)力在此處也到達(dá)最大，這就是所分析的6根曲軸都在第4主軸頸附近斷裂的主要原因，所受彎矩方向在第3曲柄和第4曲柄的反方向上。

以上分析說明，在柴油機(jī)曲軸的修理過程中，不平衡離心力對(duì)曲軸的工作影響不可無視，應(yīng)想方法消除不平衡離心力對(duì)曲軸壽命的影響。

2.扭振臨界轉(zhuǎn)速的影響

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲軸系統(tǒng)受到大小和方向周期性變化著的氣體壓力和運(yùn)動(dòng)零件慣性力的作用，這些力會(huì)使曲軸相對(duì)于飛輪發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形而引起扭振，即強(qiáng)制振動(dòng)。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，易在工作轉(zhuǎn)速圍發(fā)生強(qiáng)烈共振，發(fā)生共振時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)速即臨界轉(zhuǎn)速，輕則引發(fā)較大的噪聲，加劇與曲軸相連齒輪系的磨損，重則使曲軸扭斷。柴油機(jī)曲軸的自振頻率是8000次／min左右，當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速的*一分?jǐn)?shù)時(shí)，曲軸的扭振振幅也可以超出允許限度。如果柴油機(jī)工作過程中，把其轉(zhuǎn)速設(shè)置在主臨界轉(zhuǎn)速次臨界轉(zhuǎn)速這兩個(gè)轉(zhuǎn)速附近，對(duì)曲軸來說都是比擬危險(xiǎn)的。3.修理方法不當(dāng)?shù)挠绊?/p>

(1)滲氮層厚度的減少。原廠的柴油機(jī)曲軸頸外表經(jīng)氮化處理，具有較高的耐磨性。經(jīng)過磨修后，軸頸外表滲氮層的厚度減少，降低了曲軸的抗疲勞性和耐磨性。(2)未進(jìn)展動(dòng)平衡調(diào)試。曲軸經(jīng)過磨修或矯直后，假設(shè)不進(jìn)展動(dòng)平衡調(diào)試，未使不平衡載荷得到有效控制，曲軸的疲勞強(qiáng)度會(huì)大大降低。

(3)過渡圓角變小。經(jīng)過磨修后的曲軸，各個(gè)過渡圓角半徑R比設(shè)計(jì)圖紙上標(biāo)注的小，致使曲軸過渡圓角處應(yīng)力集中加大，易促成曲軸在此產(chǎn)生初始微觀裂紋。

4.局部構(gòu)造不合理的影響

主要原因是連桿軸頸外表油道口的位置及油道方向不當(dāng)，致使在局部形成的油膜質(zhì)量變差，導(dǎo)致曲軸的連桿軸頸側(cè)磨損大，軸頸橢圓度超差，從而磨修曲軸，進(jìn)而導(dǎo)致不平衡載荷的產(chǎn)生。尤其是當(dāng)活塞處于膨脹做功下行過程中，連桿軸頸旋轉(zhuǎn)到*特定位置時(shí)，使其承載寬度變小，單位面積上承受的壓力相對(duì)較高，油膜易遭破壞；其次，當(dāng)連桿大頭中心旋轉(zhuǎn)至主軸軸線以下位置時(shí)，連桿軸瓦外表相對(duì)連桿軸頸外表滑動(dòng)速度較低，油膜厚度變薄，均使軸頸外表產(chǎn)生磨損；油道方向不當(dāng)也降低了潤(rùn)滑油的相對(duì)流動(dòng)速度，致使所形成的油膜質(zhì)量變差。除此之外，曲軸意外負(fù)荷突增、沖擊、使用維護(hù)不當(dāng)，均可促成曲軸斷裂。

四、預(yù)防曲軸斷裂的措施1.設(shè)置柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速時(shí)，避開臨界轉(zhuǎn)速，主臨界轉(zhuǎn)速和次臨界轉(zhuǎn)速。

2.改變連桿軸頸外表油道口位置和油道方向。當(dāng)連桿軸頸外表承受連桿較大的單位面積作用力時(shí)，防止油道口附近外表處于較高壓力位置；通過改變油道方向提高潤(rùn)滑油的相對(duì)流動(dòng)速度，從而改善連桿軸頸側(cè)磨損大的現(xiàn)象。防止在一次大修周期連桿軸頸偏磨或減小連桿軸頸偏磨，就可以在大修時(shí)按照修理標(biāo)準(zhǔn)要求不磨曲軸或減少磨削量。

3.加大過渡圓角半徑。使得R/D>0.05或R=0.05～0.06D(R—圓角半徑，D—主軸直徑或連桿軸徑)，減小有效應(yīng)力集中系數(shù)。

4.滲氮。磨軸磨削量超過一定厚度后，進(jìn)展外表滲氮處理，以增加曲軸的耐磨性和抗擠強(qiáng)度。

5.做動(dòng)平衡試驗(yàn)并配重。每次曲軸磨修完后，做動(dòng)平衡試驗(yàn)并配重，保證大修質(zhì)量。此外，為了方便每次大修時(shí)曲軸動(dòng)平衡試驗(yàn)，建議廠家：①在加工平衡塊時(shí)，在平安、結(jié)實(shí)、方便、合理的位置上預(yù)先安置小“砝碼〞，通過調(diào)節(jié)“琺碼〞位置來配重。例如：12V135型柴油機(jī)，其曲軸尺寸較大，平衡塊比擬大。可在連桿軸頸軸線相對(duì)于主軸軸線的對(duì)稱位置或其徑向延長(zhǎng)線上做一個(gè)緊配合的螺柱，其中間設(shè)置一個(gè)六方形的通孔，插入六方扳手，就可調(diào)節(jié)螺柱的位置。柴油機(jī)大修磨軸后，通過調(diào)節(jié)螺柱的位置或減輕其重量，即可到達(dá)調(diào)節(jié)動(dòng)平衡的作用。②廠家在做動(dòng)平衡調(diào)試時(shí)，應(yīng)考慮單個(gè)連桿軸頸油道機(jī)油重量〔約0.17kg〕對(duì)動(dòng)平衡的影響。

6.嚴(yán)格認(rèn)真執(zhí)行柴油機(jī)使用、維護(hù)、修理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定。詞在我的論文即將完成之際，我首先要向在論文寫作中給予我悉心關(guān)心、鼓