發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的斷裂失效分析

張立平，張學(xué)強(qiáng)

斷裂是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在運(yùn)行過程中的主要失效形式，且疲勞斷裂居首位，占失效實(shí)例約60%，給企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)造成巨大浪費(fèi)和損失，那么曲軸斷裂失效分析特別重要，可以防止同類失效現(xiàn)象的重復(fù)發(fā)生，為改進(jìn)設(shè)計(jì)及加工工藝提供依據(jù)，消除隱患確保產(chǎn)品安全可靠等，同時(shí)也是企業(yè)節(jié)能增效的有利途徑。

一、曲軸斷裂簡(jiǎn)介

曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件之一，由于加工基準(zhǔn)在曲軸中心孔和主軸頸間經(jīng)常轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生基準(zhǔn)不重合誤差，再加上各軸頸加工精度高和軸類零件加工過程中剛度差的特點(diǎn)，是發(fā)動(dòng)機(jī)本體五大件中加工質(zhì)量最難保證的零件。同時(shí)，曲軸又是把燃燒氣體推動(dòng)活塞進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的橋梁，曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是整車或發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源，因此曲軸的壽命是發(fā)動(dòng)機(jī)考核的關(guān)鍵指標(biāo)之一。由于曲軸在工作中承受交變載荷，主軸頸和連桿頸圓角過渡處屬于曲軸強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，長(zhǎng)期的高速旋轉(zhuǎn)和較大的交變負(fù)荷應(yīng)力將造成曲軸圓角處產(chǎn)生裂紋或斷裂。軸頸圓角處、軸頸表面如有缺陷，將成為裂紋源，易造成曲軸的早期非疲勞斷裂。裂紋源一般位于連桿軸頸R角處，沿著約45°方向往曲柄梢擴(kuò)展，最后斷裂，包括裂紋源、裂紋擴(kuò)展、斷裂三階段。如圖1、圖2所示。

曲軸的斷裂大多是突然發(fā)生，易引起人員的傷亡和機(jī)器的損壞，造成的損失非常巨大，是曲軸生產(chǎn)廠家生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中特別關(guān)注的課題。

二、曲軸斷裂分析

曲軸斷裂的原因主要有以下幾種情況。

1.機(jī)加工不符合要求

（1）曲軸制造質(zhì)量不好，加工粗糙，材質(zhì)不佳，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

（2）各缸工作不平衡，活塞連桿組重量偏差過大，引起曲軸受力不均而導(dǎo)致斷裂。

（3）冷校直也是曲軸斷裂的一個(gè)原因。因?yàn)樾Ｖ笔撬苄宰冃危瑫?huì)產(chǎn)生微裂紋，大大降低了曲軸的強(qiáng)度，因而在交變載荷的作用下，會(huì)導(dǎo)致曲軸斷裂。

（4）各道主軸承中心線不同心，使曲軸受交變壓力的作用，導(dǎo)致曲軸斷裂。造成主軸承不同心的原因，除了缸體熱處理過程中自然時(shí)效機(jī)體本身變形引起的以外，往往還由于維修裝配或刮瓦時(shí)主軸承不同心引起。

圖1 斷軸

圖2 曲軸斷裂示意

（5）曲軸軸心線偏移使飛輪偏擺，在慣性力的作用下，也易使曲軸產(chǎn)生疲勞斷裂。按要求飛輪擺差不能超過0.8mm。

（6）曲軸與飛輪的錐孔配合不符合技術(shù)要求。若兩者之間貼合不是面接觸而形成線接觸，則發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，飛輪就會(huì)松動(dòng)，造成曲軸與飛輪之間的沖擊，此時(shí)飛輪受到兩個(gè)方向的沖擊，將易使曲軸鍵槽兩側(cè)面很快出現(xiàn)裂紋，如繼續(xù)使用，裂紋逐漸擴(kuò)大，必將導(dǎo)致曲軸斷裂。這種情況一般在單缸機(jī)中多見。

2.裝配問題

（1）軸承裝配間隙過大或合金層脫落，引起沖擊載荷增大。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)之后產(chǎn)生甩動(dòng)現(xiàn)象，或機(jī)器發(fā)生飛車、搗缸、頂氣門等，造成曲軸過度受力，也可導(dǎo)致曲軸斷裂。

（2）曲軸換裝了不符合要求的平衡塊，或安裝時(shí)錯(cuò)位以及曲軸磨修時(shí)采用偏心法，使曲軸半徑超差，破壞了原來的平衡，曲軸產(chǎn)生較大的慣性力，使曲軸疲勞而斷裂。

（3）在裝配軸承時(shí)，各曲軸主軸承緊度不一，使曲軸軸頸受力不均而造成曲軸斷裂。

（4）曲軸軸向間隙過大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)前后竄動(dòng)，在柴油機(jī)負(fù)荷工作時(shí)，曲軸臂受到端面的附加反擊力，使應(yīng)力集中而加速斷裂。

3.使用不當(dāng)

（1）運(yùn)行中發(fā)生飛車、燒瓦、抱軸、瓦蓋斷裂、活塞頂氣門等事故，導(dǎo)致曲軸斷裂。

（2）飛輪聯(lián)接螺栓松動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)曲軸發(fā)生抖動(dòng)而失去平衡，產(chǎn)生較大的慣性力，使曲軸疲勞，極易在其尾端斷裂。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油道不暢通，使曲軸與軸瓦長(zhǎng)時(shí)間處于干摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致曲軸斷裂。

（4）軸頸磨損超過使用極限，或表面裂紋劃痕太深，導(dǎo)致斷裂。

（5）長(zhǎng)期處于各缸供油量不均的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，因而各缸爆發(fā)力的大小也不一致，從而使曲軸各軸頸受力不均，時(shí)間長(zhǎng)了也可能引起曲軸斷裂。

（6）在曲軸修整過程中，對(duì)曲軸主軸頸與連桿軸頸的圓角加工不夠重視，修理后的圓角往往是幾何尺寸及表面粗糙度不符合技術(shù)要求，則易使曲軸圓角處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，尤其是曲軸軸頸經(jīng)幾次磨修后，軸頸尺寸相應(yīng)減小，更易斷裂。

（7）曲軸彎扭變形超差，使不平衡量大大超過允許值，由此引起的不平衡離心力，將導(dǎo)致軸承超載，并使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，使曲軸斷裂。

（8）供油時(shí)間過早，在活塞未達(dá)到止點(diǎn)前，柴油便燃燒，使曲軸受到過大的沖擊載荷，由于機(jī)車長(zhǎng)時(shí)間在此情況下作業(yè)，使曲軸疲勞而產(chǎn)生斷裂。

（9）操作不當(dāng)。如拖拉機(jī)起步過猛或長(zhǎng)期超負(fù)荷工作，曲軸受到過大的轉(zhuǎn)矩作用，或過大的沖擊載荷，導(dǎo)致曲軸斷裂。另外，由于操作不熟練，工作中油門控制不好，忽大忽小使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡，曲軸受到較大的沖擊載荷，長(zhǎng)期在這種情況下工作，造成曲軸斷裂。

（10）在使用中，不踏離合器踏板而猛烈緊急制動(dòng)造成曲軸斷裂。

三、斷裂預(yù)防措施

1.保證機(jī)加工技術(shù)要求和使用中的合理性

（1）首先保證材質(zhì)符合技術(shù)要求，以避免曲軸在運(yùn)行中所承載的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)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、表面粗糙度、動(dòng)平衡等機(jī)加工全尺寸，必須保證滿足技術(shù)要求。

（3）在安裝曲軸之前對(duì)其主要技術(shù)要求（如曲軸的連桿軸頸圓角、曲軸半徑、曲軸飛輪組件的動(dòng)平衡等）進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（4）曲軸與飛輪的錐孔的配合應(yīng)符合技術(shù)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(dòng)，造成曲軸與飛輪之間的沖擊。

（5）各缸供油量（或點(diǎn)火）應(yīng)均勻，并使供油提前或點(diǎn)火時(shí)間符合技術(shù)要求。

（6）曲軸軸頸與軸瓦的間隙，應(yīng)符合技術(shù)要求。間隙配合是為更好的轉(zhuǎn)動(dòng)和潤(rùn)滑，過渡配合和過盈配合都有可能使得軸與軸套之間摩擦因數(shù)過高和潤(rùn)滑油不能進(jìn)入工作面。

（7）按規(guī)定的順序和擰緊力矩緊固飛輪與曲軸的聯(lián)接螺栓，并加以鎖緊，以防松動(dòng)。

（8）避免發(fā)動(dòng)機(jī)在超負(fù)荷條件下工作，并防止突爆的發(fā)生；機(jī)車重載時(shí)，應(yīng)平穩(wěn)起步，不可抬腳過快，遇到障礙物時(shí)，不要加大油門猛松離合器硬沖；機(jī)車行駛中，一般應(yīng)先踏離合器脫檔后再制動(dòng)停車；正確控制油門，切勿忽大忽小。

（9）保持發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)油路暢通，潤(rùn)滑油充足。使?jié)櫥己?，以避免造成軸瓦與軸頸發(fā)生干摩擦。

（10）發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，應(yīng)對(duì)曲軸進(jìn)行磁粉無損檢測(cè)，也可用浸油敲擊法、錘擊法，當(dāng)軸頸表面有徑向裂紋，或有較深的延至主軸肩圓角的軸向裂紋時(shí)，不易修復(fù)使用，應(yīng)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(guān)鍵，圓角滾壓是曲軸強(qiáng)化的非常有效的措施，同時(shí)它也是提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)。

通過采用各種強(qiáng)化方法提高材料的強(qiáng)度，尤其是表面強(qiáng)度，在軸頸R角表面形成殘余壓應(yīng)力，可使疲勞強(qiáng)度顯著提高。此外，修復(fù)曲軸上各種能引起應(yīng)力集中的缺陷、刀痕、尖角、截面突變等造成的質(zhì)量問題，從而提高曲軸的抗疲勞能力，

像圓角滾壓強(qiáng)化、軟氮化強(qiáng)化、感應(yīng)淬火圓角滾壓強(qiáng)化等復(fù)合強(qiáng)化工藝是最有效的強(qiáng)化手段，既提高了曲軸的疲勞強(qiáng)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(chǎn)生表面壓應(yīng)力，提高表面硬度，改善表面粗糙度，結(jié)果提高整體的疲勞強(qiáng)度?，F(xiàn)在各發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸生產(chǎn)廠家常用的是圓角沉割滾壓強(qiáng)化，提高疲勞強(qiáng)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(shù)，滾壓輪在接觸壓力下沿著溝槽圓周方向移動(dòng)，據(jù)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(huì)暫時(shí)減小或晶粒間產(chǎn)生滑動(dòng)，當(dāng)外力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，被加工表面金屬除產(chǎn)生彈性變形外，還形成塑性變形。因塑性變形的產(chǎn)生，使零件加工表面的形狀、組織結(jié)構(gòu)和物理性能都發(fā)生變化，在圓角表層內(nèi)產(chǎn)生一定殘余壓應(yīng)力，使金屬表面得到強(qiáng)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值，被滾壓金屬表面的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都有提高。

滾壓效果與曲軸設(shè)計(jì)尺寸、材料強(qiáng)度、滾輪尺寸、滾壓力、圈數(shù)等有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)進(jìn)行滾輪、滾壓力、壓入角、滾壓圈數(shù)等的選擇，力求能充分發(fā)揮出曲軸材料、圓角滾壓的優(yōu)勢(shì)作用，提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

20140217