船舶柴油機曲軸斷裂失效分析

張新春

連云港市地方海事局，江蘇省連云港 222004

曲軸是發(fā)動機上的一個重要的機件，其材料是由碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個重要部位：主軸頸，連桿頸。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個典型的曲柄滑塊機構(gòu)。曲軸的潤滑主要是指與搖臂間軸瓦的潤滑和兩頭固定點的潤滑。曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動機的動力源，也是整個機械系統(tǒng)的源動力。

1 曲軸的結(jié)構(gòu)形式和工作條件

1.1 曲軸的結(jié)構(gòu)形式

曲軸功用：曲軸是發(fā)動機中最重要的部件之一，其作用是把活塞連桿組傳來的氣體作用力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩并對外輸出。另外，還用來驅(qū)動配氣機構(gòu)及其他各種輔助裝置。

整體式曲軸具有工作可靠、重量輕、剛度、強度較高、加工表面較少的特點，中小型發(fā)動機中廣泛采用，一般配合滑動軸承。

組合式曲軸，當曲軸尺寸較大，曲拐數(shù)較多時，采用整體式結(jié)構(gòu)將導致加工非常困難，可采用組合式結(jié)構(gòu)。

1.2 工作條件

由于曲軸工作條件惡劣，因此對曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求都十分嚴格。如果其中任何一個環(huán)節(jié)質(zhì)量沒有得到保證，則可嚴重影響曲軸的使用壽命和整機的可靠性。

工作條件：要承受周期性變化的氣體壓力、往復慣性力、慣性力矩、離心力、缺油、高速、軸向竄動。第一，受周期變化力和力矩作用，重點彎曲交變荷載（80%是彎曲疲勞破壞）；第二，曲軸形狀復雜，應力集中嚴重；第三，曲軸軸頸比壓大，摩擦磨損嚴重。

在材料的選擇上，用高強度、高沖擊韌性、耐磨性材料，主要采用中碳鋼、中碳合金鋼、稀土球墨鑄鐵模鍛而成。為提高耐磨性和耐疲勞強度，軸頸表面經(jīng)高頻淬火或氮化處理，并經(jīng)精磨加工，以達到較高的表面硬度和表面粗糙度的要求。

2 曲軸的疲勞斷裂

柴油機在運轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生曲軸斷裂、裂紋、變形等現(xiàn)象，其中發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象最多。曲軸的疲勞斷裂是曲軸失效的情況之一，同時也是最嚴重的情況，是發(fā)動機嚴重的機件故障，斷裂一般發(fā)生在曲柄銷和主軸頸與曲柄臂的連接圓角處或軸頸油孔等應力集中部位。

曲軸的受力情況比較復雜,它承受著氣體爆發(fā)力、運動件的慣性力,各種振動以及與機體軸承等約束情況有關的反作用力,與被帶動裝置的反作用力等。曲軸工作時,軸頸主要受扭轉(zhuǎn),曲柄臂主要受彎曲，這些載荷是周期性變化的，近似地可看作脈動循環(huán)載荷。當曲柄處于上止點附近承受最大爆發(fā)壓力時,曲柄臂承受最大彎矩，使曲柄臂與軸頸過渡圓角處產(chǎn)生很大的應力。當此應力超過曲軸的疲勞極限時，即會導致彎曲疲勞裂紋的出現(xiàn)。

曲軸疲勞斷裂的特點有：第一，疲勞斷裂是脆性斷裂，是在長期的使用過程中不斷磨損造成的，是沒有變形的，首先會產(chǎn)生裂紋，然后接下來磨損會加重裂紋，最終演變成曲軸斷裂。第二，疲勞斷裂是壽命的斷裂，斷裂應力水平低于材料抗拉強度。

柴油發(fā)電機的曲軸在折斷之前發(fā)生的裂紋，如果及時的發(fā)現(xiàn)軸頸表層的縱向裂紋，在經(jīng)過磨削之后是可以消除裂紋的，然后曲軸就可以繼續(xù)使用；如果是橫向裂紋，裂紋會迅速擴大，這時要及時的更新曲軸，以免曲軸突然斷裂而造成一些人身安全事故。

3 柴油機的曲軸斷裂失效原因分析

柴油機曲軸斷裂的原因很多，可以從四個方面來分析：

3.1 材料的不合格和熱處理不當

曲軸鋼材料的致密度差會導致熱處理淬火開裂，所以在鋼材料的選擇上要選擇熱工藝性較高的鋼材料。曲軸斷裂是脆性斷裂，這就要求曲軸的原材料脆性比較差，這樣能夠有效的避免曲軸的早期失效破壞。

曲軸的熱處理關鍵技術是表面強化處理。球墨鑄鐵曲軸一般均采用正火處理，為表面處理做好組織準備，表面強化處理一般采用感應淬火或氮化工藝。在熱處理過程中，如果淬火冷卻不足，就會形成大量的鐵素體和上貝體組織，這樣會使曲軸的強度、硬度、沖擊韌度降低，造成曲軸的早期失效破壞。

3.2 曲軸鑄鍛毛坯質(zhì)量缺陷

曲軸鑄鍛毛坯的質(zhì)量影響的是曲軸的強度，毛坯的鑄鍛中應該有四個方面的保證：第一，保證鑄件的壁厚要合適、均勻。第二，保證鑄造圓角要適當，不會出現(xiàn)尖尖的棱角。第三，保證鑄件的結(jié)構(gòu)簡化，要有合理的模斜度，減少分型面。第四，保證強肋的厚度和分布合理，避免冷卻時鑄件變形或產(chǎn)生裂紋。由于毛坯質(zhì)量的好壞直接影響到曲軸的強度，當強度不夠時就會極容易產(chǎn)生裂紋進而產(chǎn)生曲軸斷裂，所以在鑄鍛毛坯時要嚴格按照規(guī)定，一步步鑄造出符合質(zhì)量要求的毛坯。

3.3 外加負荷的變化

船舶柴油機中，柴油機在船舶的使用過程中會受自然條件的影響而發(fā)生大幅度的振動，由于自由端處一般沒有載荷的作用，在軸系振動加大的情況下就會造成整個軸系的扭振節(jié)點集中于此，于是表面應力就會加大，進而就會比較容易產(chǎn)生裂紋，最終導致曲軸的斷裂失效。

3.4 潤滑條件惡化帶來的裂紋的產(chǎn)生

曲軸的斷裂不是一瞬間的直接斷裂，在斷裂前會產(chǎn)生裂紋，如果不對裂紋進行恰當?shù)奶幚?，在接下來的循環(huán)磨損中就會演變成斷裂。裂紋的產(chǎn)生主要是由于潤滑條件的惡化。潤滑劑受污染、潤滑劑老化、潤滑劑質(zhì)量不好、軸承的潤滑合理間隙不能保證都會影響潤滑的質(zhì)量，導致潤滑條件惡化。潤滑不夠會加劇軸頸和軸瓦的磨損，然后就會產(chǎn)生裂紋。對于裂紋的處理上，如果是縱向裂紋，可以進行相應工藝的磨削消除裂紋，曲軸可以繼續(xù)使用；如果是橫向裂紋的話就需要進行曲軸的更換了。

結(jié)束語

柴油機曲軸斷裂原因是多方面的，既有本身材料或熱處理的不規(guī)范，也有曲軸鑄鍛毛坯質(zhì)量的缺陷、外加負荷的變化以及潤滑條件的惡化造成的裂紋，這些原因都會產(chǎn)生曲軸斷裂。曲軸是柴油機中比較重要的一個零件，造價也比較的高昂，當曲軸斷裂，曲軸的壽命就終止了，也意味著需要重新?lián)Q曲軸，這也就增加了成本。對曲軸在材料的選擇、制作中工藝嚴格要求，以及在使用過程中進行恰當?shù)木S護管理，可以適當?shù)奶岣咔S的壽命，從而降低成本。而且，由于曲軸斷裂會帶來嚴重的安全事故，進行曲軸斷裂分析，在使用的過程中加以注意，可以在一定程度上減少安全事故的產(chǎn)生或降低安全事故帶來的影響。

[1]王曉青,夏水華.曲軸斷裂失效影響因素與影響機制研究[J].柴油機，2011,33(1).

[2]陳黃浦.大型柴油機曲軸斷裂失效分析[J].機械工程材料，2007,31(9).

[3]王金玉,侯佃平,范文章,王洪友.曲軸斷裂原因分析及解決方法[J].山東內(nèi)燃機,2001(4).

[4]梁永榮.徐羅平機車柴油機曲軸斷裂失效分析[J].機車車輛工藝,2012(6).

[5]劉樹國,李小泉.某型柴油機曲軸斷裂失效分析[J].內(nèi)燃機配件,2009(6).

[6]Paris P C，Erdogan F.A critical analysis of crack propagation.Trans Asme J Basic Eng，1963，85：528.