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技术维修与康明斯知识 |
柴油发电机曲轴裂纹和疲劳断裂的原因与检验 |
摘要：根据康明斯公司多年的经验和实践表明，弯曲和扭转疲劳断裂是柴油发电机曲轴的主要破坏形式，特别是曲轴弯曲疲劳断裂更为常见。疲劳破坏形式是指曲轴的横断面沿君轴线方向急剧变化，因而应力分布极不均匀，很难准确计算出应力，给出强度判据。尤其在曲柄臂和轴颈的过渡圆角部分，油孔附近会产生严重的应力集中。在循环应力作用下，在应力集中区便可能产生疲劳破坏。
一、曲轴裂纹与断口原因
曲轴断裂往往从最小的裂纹开始，裂纹断裂部位大多发生在第一缸或最后一缸的连杆轴颈与曲柄臂的连接处。在运行过程中，裂纹逐渐扩大，达到一定程度时突然断裂。经常会发现断裂面上有一个褐色的部分，很明显是旧裂纹，发亮的组织是后来突然断裂的痕迹。实践证明，如果轴颈表面的纵向裂纹能在磨削后消除，就可以继续使用。但由于使用中受力较强，横向裂纹会逐渐扩大。当发现此裂纹时，应及时更换曲轴。其原因除与曲轴弯、扭大致相同外，还有以下几个方面。
① 光磨轴颈时，没有使轴颈与曲轴臂（曲柄）连接处保持一定的内圆角（一般要求轴颈的内圆角为1~3mm之间）引起应力集中而使曲轴断裂。
② 轴承的间隙过大或合金脱落，引起冲击载荷的增大。
③ 曲轴长期工作后发生疲劳损伤。
④ 曲轴经常在临界转速运转。
⑤ 汽缸体变形，曲轴轴承座不正，修配曲轴轴承时，各曲轴轴承座孔不在一轴线上。
⑥ 润滑油道不畅通，曲轴处于半干摩擦状态，导致曲轴裂断。
⑦ 曲轴材质不佳，或制造时存有缺陷。
⑧ 曲轴平衡遭到破坏，曲轴受到很大的惯性冲击，使曲轴疲劳而裂断。
表1 曲轴疲劳破坏与断裂形式分析
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破坏形式示意图
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特征
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主要原因
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裂纹最初常发生在主轴颈或连杆轴颈与曲柄臂过渡圆角处应力集中严重点，随后逐渐发展成横断曲柄臂的疲劳裂纹。
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1.由于曲轴过渡圆角太小，曲柄臂太薄，过渡圆角加工不完善所致。
2.曲轴箱或支承刚度太小，引起附加弯矩过大。
3.由于曲轴箱刚度不够，主轴颈变形太大，引起不均匀磨损，造成不同轴，致使附加弯矩过大。这时断裂常发生在运行较长时间之后。
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裂纹起源于油孔，沿与轴线呈45°方向发展。
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1.由于过大的扭转振动，引起附加应力。
2.油孔边缘加工不完善，或孔口过渡圆角太小，引起过大的应力集中。
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裂纹起源于过渡圆角或油孔，且只有一个方向裂纹，裂纹与轴线呈45°。
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1.由于不对称交变转矩引起最大应力，致使疲劳破坏。
2.圆角加工不好，及热加工工艺不完善，造成材料组织不均匀。
3.油孔孔口圆角加工不完善。
4.连杆轴颈太细。
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裂纹沿过渡圆角周向同时发生，断口呈径向锯齿形。
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由于圆角太尖锐，引起过大的应力集中。
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二、曲轴设计理论计算与试验
根据受力的大小，容易造成曲轴疲劳的部位如图1所示。由此，造成曲轴断裂属于常见现象，其断裂后的状态如图2所示。由于曲轴断裂的方向是从主轴颈圆角处开始，最后横断整个曲柄臂，说明曲轴主要是弯矩作用下的疲劳破坏，所以计算中不考虑扭转应力。为简单起见，初步认为在活塞上止点时，由于爆发压力的作用，使曲轴内部弯曲应力最大，下止点时应力最小。康明斯公司选取了此款柴油发电机最大转矩点工况进行分析，此时，柴油发电机爆发压力最大，曲轴所受的弯曲应力也最大，对柴油发电机在上止点附近的最大爆发压力点和下止点分别进行了有限元静力分析，得到主轴颈断裂处的弯曲应力数值，为此处的圆角疲劳强度计算提供了计算依据。该曲轴的材料为40Cr整体调质（断裂圆角处为车削加工，未做特殊处理），查得该曲轴材料的弹性模量E＝206 GPa，剪切模量G＝79.38 GPa，泊松比u＝0.3，抗拉强度σb＝750 MPa，屈服强度σs＝550 MPa、弯曲疲劳极限σ-1=350 MPa。
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图1 柴油机曲轴容易疲劳部位示意图 |
图2 曲轴常见裂纹源示意图 |
1、静力载荷计算
柴油发电机在最大转矩点、1个做功循环内的缸内燃气压强如图3所示，分析得知，在曲轴转角14°附近，缸内燃气压强达到峰值约为80 bar，选取此位置对整个曲柄连杆机构进行受力计算，为圆角处最大应力的有限元计算提供载荷条件。
如图3所示，最小弯曲应力时的曲柄连杆机构受力在a＝180°（爆发下止点）时，气体爆发压力约为1 153 N；a＝540°（换气下止点）时，爆发压力约为347 N。为得到圆角最小弯曲应力，选取a＝540°作为计算工况点，此时β＝0°，求得机构受力情况。
2、最大弯曲应力时的曲柄连杆机构受力
（1）作用于活塞顶部气体爆发产生的爆发压力；
（2）活塞部分往复运动产生的惯性力；
（3）曲柄部分不平衡回转质量产生的离心惯性力；
（4）整个曲柄机构的重力。
3、 曲轴疲劳试验
曲轴疲劳试验的主要目的的评估曲轴的疲劳强度。试验是在专门的疲劳试验机上进行的，它通常是液压驱动，模拟发动机运行时曲轴上所受到的相应载荷。曲轴疲劳试验分析过程如图4所示。
这个疲劳试验是作为产品的认可依据试验件应该可以作为部件生产过程的一个主要验证方法。因此样件应该达到生产的标准。在发动机开发的早期阶段就应该做原型件的初步试验。试验的区间应该是曲轴的圆角，可以用不同的方法增加弯曲疲劳强度，例如滚压和淬水。可以用EXCITE软件计算发动机运转期间的曲轴疲劳强度。计算出曲柄销圆角最低安全安全系数(在最大疲劳破坏载荷),然后用于试验件的弯曲载荷试验的载荷确定。这个意味着弯曲载荷的条件应该用于曲轴疲劳分析的基础上进行。疲劳强度的分析应结合至少两个曲柄销的圆角区域的金相分析检测，另外曲柄销的圆角区域的微硬度测量也应该做，因为他决定于硬度型线。曲轴截面上多点硬度测量结果进行。
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图3 柴油发电机最大转矩的缸压曲线图
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图3 柴油机曲轴疲劳与损伤分析 |
三、曲轴损伤检查与修复
1、曲轴裂纹与折断的检查
曲轴裂纹多发生在连杆轴颈端部或曲轴臂与曲轴轴颈的结合处。其检查方法有以下几种。
① 磁力探伤法
用磁力探伤器进行检查，先把曲轴用磁力探伤器磁化，再用铁粉末撒在需要检查的部位，同时用小手锤轻轻敲击曲轴。这时注意观察，如有裂纹，在铁粉末聚积的中间就会发现有清楚的裂纹线条。以康明斯发动机KTA38-G5某案例为例，磁粉检测后裂纹的宏观形貌见图5。裂纹大致相互平行，垂直于磨削方向，排列规则，呈细小、聚集、断续串接特征。轴颈圆角及主轴颈高频感应淬火层深度为3~6mm，与轴颈垂直的磨削平面高频感应淬火层最深为8mm，见图6，均超过产品技术要求。
② 锤击法
先清除黏附在曲轴表面上的油污，然后用煤油或柴油浸洗整个曲轴，再取出曲轴将其抹拭干净，最后将曲轴的两端支撑在木架上，用小手锤轻轻敲击每道曲轴臂。如发出“锵、锵”（连贯的尖锐金属声），则表示曲轴无裂纹；如发出“波、波”（不连贯，短促的哑金属声），则表示曲轴有裂纹。然后在这附近容易产生裂纹的部位，用眼看或用放大镜仔细观察，如发现油渍冒出或成一黑线的地方，就是裂纹之所在。
③ 粉渍法
将曲轴用煤油或柴油洗净抹干后，在曲轴表面均匀涂上一层滑石粉，然后用小手锤轻敲曲轴臂，如果曲轴存在裂纹，油渍就会由裂纹内部渗出而使曲轴表面的滑石粉变成黄褐色，即可发现裂纹之所在。
④ 石灰乳法
将曲轴洗净浸在热油（机油）中约2h，让油进人裂缝，取出抹干后，用喷枪把“石灰乳液"喷到曲轴上使其干燥（石灰乳液是清洁的白垩和酒精的混合液，其比例为1：10-1：12），或用气焊火焰将曲轴上的喷层加热至70~80℃。这时，白垩便吸收储存在裂缝中的油液，这部分白垩便成暗色，显示出裂纹的形状。
2、曲轴裂纹、折断的修理
曲轴有了裂纹或折断，可用“焊修”的方法进行修复，其工艺要点简述如下。
① 焊修前的准备
先将曲轴放在碱水中煮洗清洁，除去油污，再用凿刀沿着裂纹表面凿成“U”形槽。槽深以不见裂纹为好。槽的底部呈圆弧形，槽口的宽需根据裂纹的深度、长度和形状等情况来决定。然后进行校正，使曲轴的弯曲摆差不超过规定范围。最后，将曲轴装在专制的焊架上，或装在汽缸体上，并在曲轴与焊架或汽缸体之间垫以铁质衬瓦。再将轴承盖用螺栓紧固，避免曲轴在焊接过程中弯曲变形。如果焊接折断的曲轴，需按曲轴折断的原痕找出中心缝，用电焊在断缝两侧先点焊几点，再在裂缝未电焊的两面开槽后焊接。
② 焊修
焊修前，先用气焊火焰在焊补部位加温至350~450℃，再用直径3~4mm的低碳钢电焊条进行电焊焊接。焊接时，用采用对向焊接（与裂纹垂直方向移动焊条）的方法，而且每焊完一层后，应立即清除焊渣，再焊下一层。
③ 焊后整理
焊后，应先将焊修处凿修平整，并钻通油道，检验焊接处有无裂纹，曲轴有没有弯曲变形。然后用磨床在焊接处进行磨削加工，使表面光洁平整，并可在曲轴的工作表面进行热处理，以增加工作表面的抗磨性能。
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图5 磁粉检测后曲轴裂纹的宏观形貌 |
图6 曲轴裂纹组织分布及宏观偏析 |
四、曲轴断裂的预防措施
1、保证机加工的技术要求和使用中的合理性
（1）首先保证材质符合技术要求，以避免曲轴在运行中所承载的载荷远远超过曲轴本身的疲劳极限而引起过载断裂。
（2）轴颈尺寸、圆角、光洁度、动平衡等机加工全尺寸，必须保证满足技术要求。
（3）在安装曲轴之前对其主要技术要求（如曲轴的连杆轴颈圆角、曲轴半径、曲轴飞轮组件的动平衡等）进行严格的检验，应符合标准规定。
（4）曲轴与飞轮的锥孔的配合应符合技术要求，两者之间的贴合面在75%以上，以避免贴合面过小引起飞轮松动，造成曲轴与飞轮之间的冲击。
（5）各缸供油量（或点火）应均匀，并使供油提前或点火时间符合技术要求。
（6）曲轴轴颈与轴瓦的间隙，应符合技术要求。间隙配合是为更好的转动和润滑，过渡配合和过盈配合都有可能使得轴与轴套之间摩擦系数过高和润滑油不能进入工作面。
（7）按规定的顺序和扭力距紧固飞轮与曲轴的连按螺栓，并加以锁紧，以防松动。
（8）避免发动机在超负荷条件下工作，并防止突爆的发生；机车重载时，应平稳起步，不可抬脚过快，遇到障碍物时，不要加大油门猛松离合器硬冲；机车行驶中，一般应先踏离合器脱档后再制动停车；正确控制油门，切勿忽大忽小。
（9）保持发动机润滑系统中油路畅通，润滑油充足。使润滑良好，以避免造成轴瓦与轴颈发生干摩擦。
（10）发动机大修时，应对曲轴进行磁力探伤检查，也可用浸油敲击法、锤击法，当曲颈表面有径向裂纹，或有较深的延至主轴肩圆角的轴向裂纹时，不易修复使用，应立即更换曲轴。
2、改善曲轴的疲劳性能
改善曲轴的疲劳性能，是降低曲轴断裂的关键，圆角滚压是曲轴强化的非常有效的措施，同时它也是提升企业竞争力的核心技术。
通过采用各种强化方法提高材料的强度，尤其是表面强度，在轴颈R角表面形成残余压应力，可使疲劳强度显著提高。此外，能修复曲轴上各种能引起应力集中的缺陷、刀痕、尖角、截面突变等造成的质量问题，从而提高曲轴的抗疲劳能力。像圆角滚压强化、氮化圆角强化、感应淬火圆角滚压强化等复合强化工艺是最有效的强化手段，即提高了曲轴的疲劳强度，又改善了曲轴表面的耐磨性。仅就圆角滚压来说，能使曲轴产生表面压应力，提高表面硬度，改善表面光洁度，结果提高整体的疲劳强度。现在各发动机曲轴生产厂家常用的是圆角沉割滚压强化，提高疲劳强度约80%以上，大幅度降低断轴率。
沉割滚压原理：在曲轴圆角处加工沉割槽，使用滚压技术，滚压轮在接触压力下沿着沟槽圆周方向移动，根据金属变形理论，零件表面在外力作用下，被滚压金属的原子间距离会暂时减小或晶粒间产生滑动，当外力达到一定数值时，被加工表面金属除产生弹性变形外，还形成塑性变形。由于塑性变形的产生，使零件被加工表面的形状、组织结构和物理性能都发生了变化，在圆角表层内产生一定残余压应力，使金属表面得到强化，提高了零件表层冷作硬化硬度，压平了微观不平度，降低了零件的表面粗糙度，被滚压金属表面的强度极限、屈服极限和疲劳极限都有提高。
滚压效果与曲轴设计尺寸、材料强度、滚轮尺寸、滚压力、圈数等有关，在实际应用中，应根据产品的特点进行滚轮、滚压力、压入角、滚压圈数等的选择，力求能充分发挥出曲轴材料、圆角滚压的优势作用，提升产品的品质。
总结：
柴油发电机曲轴工作过程中的断裂，是非常严重的失效事故。有材质、机加工、装配、使用、维护等多方面的原因，由此，分析曲轴断裂机理、规律，优化制造工艺方案、严格控制生产以及装配过程，合理的使用、定时保养维护以及更换，确保曲轴的质量要求和使用要求能满足柴油发电机正常运行的需要，特别严禁在运行过程中的违规操作，尤其通过提升曲轴本身的疲劳性能，可显著地降低断轴率。
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