某型發(fā)動機(jī)曲軸小頭斷裂失效原因分析及對策

0 前言

曲軸是柴油機(jī)中最重要的部件之一，柴油機(jī)的全部功率都由曲軸輸出

，曲軸的作用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ兀则?qū)動汽車的傳動系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)以及其他輔助裝置。曲軸容易產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致曲軸疲勞和產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂。通常情況下曲柄與軸徑過渡的圓角處表面所受交變應(yīng)力最大，故疲勞裂紋最容易在圓角處產(chǎn)生。曲軸常見的失效為曲軸連桿頸、主軸頸、圓角位置開裂。

但某型柴油發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中出現(xiàn)前端小頭開裂和緊固螺栓斷裂(如圖1所示)。此種斷裂形式與以上理論相違背，為了解決曲軸前端斷裂失效的重復(fù)發(fā)生，提升柴油機(jī)安全性和可靠性，對此機(jī)型曲軸斷裂失效進(jìn)行了分析研究，提出改進(jìn)措施并進(jìn)行試驗驗證，使曲軸前端斷裂問題得到有效解決。

1 失效零部件件分析

對試驗過程曲軸前端失效進(jìn)行統(tǒng)計，曲軸在交變負(fù)荷試驗過程中運(yùn)行至383小時出現(xiàn)曲軸前端斷裂，前端正時帶輪螺栓斷裂。

“不忘初心，砥礪前行?！睏钭显谛强昭葜v中說：“認(rèn)識到自己所愛，堅定自己的夢想，并且一路去追尋，本就是一件很美的事情?！睏钭显?jīng)陷在不夠美的自卑中，但其實，熱愛表演、執(zhí)著演技，又有一股逆襲精神的楊紫，就是最美的自己！

成分不同，安全劑量不同。對乙酰氨基酚的日常最大用量為每4小時1次，每次15mg/kg，如孩子體重超過44千克，可參考成人劑量1000mg/次或4000mg/日。布洛芬的日常最大用量為每6小時1次，每次10mg/kg，如孩子體重超過44千克，可參考成人劑量600mg/次或2400mg/日。

“蔡先生大鑒，適才與我們民族博物館館長提倫紐斯教授商量過您的事情。他認(rèn)為，您夫人在漢堡大學(xué)注冊一事，當(dāng)不成問題。我草擬了一份入學(xué)申請，隨信寄上。務(wù)請您夫人盡快向大學(xué)提出申請。您若需要其他幫助，不妨去找漢堡大學(xué)漢學(xué)研究所的助教，他有意結(jié)識您及您夫人……希望不久能在此見到您和您夫人，并致以衷心問候?！盵14]207

1.1 宏觀形貌分析

體式顯微鏡下觀察曲軸前端斷口(圖2)?？梢姅嗫诜譃閮刹糠?，中間為螺栓斷口，高低不平整，有扭轉(zhuǎn)特征，斷裂從螺栓邊緣開始，最后擴(kuò)展到中部凸起部位斷裂，其中螺栓斷口下部已經(jīng)銹蝕，說明斷裂發(fā)生時間較早：斷口外部為曲軸斷口，有扭轉(zhuǎn)痕跡，依據(jù)疲勞擴(kuò)展方向，可以推斷出斷裂源區(qū)，最后擴(kuò)展區(qū)域疲勞輝紋間距變大，在斷口下部有人字形裂紋擴(kuò)展(圖3)，說明曲軸屬于低周高應(yīng)力疲勞斷裂。

健康調(diào)查簡表(SF-36量表)自20世紀(jì)70年代引入我國，之后在臨床廣泛應(yīng)用。與其他生命質(zhì)量評估量表相比，SF-36量表具有短小、靈活的優(yōu)點，其內(nèi)容包括生理功能、生理職能、軀體疼痛、總體健康、活力、社會功能、情感職能、精神健康8方面。腹腔鏡下大腸癌根治術(shù)病人術(shù)后往往伴隨排便功能下降癥狀，反映在SF-36量表中即生理功能評分下降，病人術(shù)后焦慮、抑郁情緒反映在SF-36量表中即情感職能、精神健康評分下降[9]。

1.2 微觀形貌分析

用掃描電鏡觀察螺栓和曲軸前端斷口的微觀形貌。螺栓斷口下部邊緣為斷裂源區(qū)(圖4)，源區(qū)為準(zhǔn)解理與疲勞輝紋混合斷裂特征，并向中部擴(kuò)展；螺栓斷口中部為疲勞斷裂特征(圖5)，疲勞輝紋遍布斷口大部分區(qū)域，最終擴(kuò)展到螺栓中部位置。曲軸前端斷口源區(qū)(圖6)有較大面積的磨損，有疲勞痕跡；曲軸擴(kuò)展區(qū)(圖7)有明顯的疲勞輝紋，少量二次裂紋存在；斷裂后期快速擴(kuò)展(圖8)，疲勞輝紋間距明顯變大，有二次裂紋存在；人字形裂紋(圖9)表面也有大間距的疲勞輝紋。

探索傳統(tǒng)村落活態(tài)再生之道——浙江黃巖烏巖頭古村實踐為例 楊貴慶 開 欣 宋代軍 等2018/05 49

1.3 金相分析

通過以上分析，提出以下整改措施，并對改進(jìn)后的曲軸金相可靠性試驗驗證。

1.4 硬度分析

計算步驟及公式如下

從上面表格可以看出，失效曲軸的硬度符合技術(shù)要求(290HB～350HB)，失效螺栓的硬度也在GB/T 3098.1標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

1.5 失效原因初步分析

從更善無、虛汝華兩家人以及他們兩人之間的對話與行動中，我們不僅讀到了鄰居之間甚至家人之間溝通的困難，也看到了人與人之間緊張而相互提防的關(guān)系，以及對改善人際關(guān)系的徒勞無益的努力，不論更善無嘗試著說或做什么自以為可以取悅他們的事，結(jié)果都是陷入更大的僵局中。

2 失效起因分析

螺栓和曲軸前端斷裂都屬于疲勞斷裂，造成螺栓疲勞斷裂的主要原因是運(yùn)行時螺栓與曲軸連接處的微動；造成曲軸前端疲勞斷裂的主要原因是螺栓斷裂后引起曲軸受力過大。故而需進(jìn)一步分析螺栓斷裂原因，方能徹底解決曲軸前端斷裂問題。

我們回到本案例中，因為有這個虛壓的存在，車身電腦無法判斷點火開關(guān)是否有關(guān)閉動作，啟動機(jī)無法正常工作，那么這個不正常的“虛電”從哪來的呢？

引起曲軸前端螺栓斷裂的原因有：1)皮帶輪不匹配；2)前端扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大；3)螺栓安全系數(shù)不足；4)試驗過程異常；5)曲軸前端薄弱

這里使用DDR2存放算法的激勵,具體內(nèi)存條型號是MT4HTF3264HY。采用Xilinx的IP核MIG產(chǎn)生DDR2控制器,DDR2控制器經(jīng)分層處理,可以簡化設(shè)計并使其模塊化[13]。

針對以上可能原因逐一排查，排查結(jié)果如下。

升級機(jī)型(失效)減震皮帶輪質(zhì)量比基礎(chǔ)款重量增加了50%，轉(zhuǎn)動慣量增加50%，導(dǎo)致曲軸前端所受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力較基礎(chǔ)機(jī)型增大。

2.1 曲軸扭振測試

針對此機(jī)型進(jìn)行皮帶輪扭轉(zhuǎn)測試。試驗準(zhǔn)備4個不同固有頻率的皮帶輪，分別與發(fā)動機(jī)軸系匹配測試。

試驗工況：全負(fù)荷下，運(yùn)行2分鐘左右，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由1000rpm到額定功率轉(zhuǎn)速左右，測試約3個循環(huán)，測量曲軸前端的扭轉(zhuǎn)振動。

此型發(fā)動機(jī)曲軸扭振各主要階次的振幅如表2：

樣本2的4階振幅最大，扭振角度0.21deg，主階次振幅能夠滿足發(fā)動機(jī)要求。

為了弄清楚曲軸前端失效起因，對曲軸進(jìn)行以下分析檢測。

2.2 前端扭轉(zhuǎn)應(yīng)力

失效機(jī)型為升級款，減震皮帶輪與基礎(chǔ)機(jī)型對比，參數(shù)如表3。

(2)個人意愿得不到滿足。具體是指個人愿望、要求得到滿足,心理存在挫敗感、自卑感。此類患者問題在于,社會或環(huán)境適應(yīng)能力差、承受力低,從而生活中一旦遇到巨大打擊,如錢財受損、失戀等問題,可能出現(xiàn)自殺沖動;

2.3 前端螺栓安全系數(shù)校核

此型發(fā)動機(jī)為螺栓斷裂引起曲軸斷裂，故校核螺栓安全系數(shù)。

此型發(fā)動機(jī)曲軸皮帶輪由4跟M8螺栓固定在正時帶輪上，再由1根曲軸正時帶輪螺栓一起固定在曲軸前端。如圖14所示，計算A1、A2面螺栓緊固安全系數(shù)。

選取失效螺栓和失效曲軸前端橫向部位做硬度測量。如表1所示

社會認(rèn)知論是社會心理學(xué)的重要理論之一，與讀心術(shù)有著或多或少的關(guān)系。實用性利潤重視商品的效用、價值。感知性利潤重視購買者的自我體驗。例如，在兒童節(jié)節(jié)日時，某廠家品牌的兒童奶粉價格進(jìn)行8.5折促銷活動。當(dāng)那些需求奶粉的購買者看見此品牌價格促銷進(jìn)行時，他們通常會觀察期商品的保質(zhì)期、成分等，并核實在8.5折之后的奶粉具體價格，能夠優(yōu)惠多少金錢。倘若此奶粉品牌在贈品促銷時，對買一罐奶粉的購買者都贈與兒童玩具，購買者看到可以獲得贈品，會感到非常合適，就會增加對廠家品牌的認(rèn)可。價格促銷能提升產(chǎn)品質(zhì)量和價值本質(zhì)，贈品促銷能夠提升額外和驚喜感知。

通過斷口分析表明：失效螺栓斷口屬于高周低應(yīng)力的疲勞斷裂，失效曲軸屬于低周高應(yīng)力疲勞斷裂，說明螺栓先斷裂，然后引起的曲軸斷裂。金相分析表明：失效螺栓和失效曲軸的拋光態(tài)顯示材料夾雜級別控制正常；組織及組織級別都符合技術(shù)要求。硬度也在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。結(jié)合曲軸工況分析失效曲軸斷裂。發(fā)動機(jī)工作時，曲軸前端部位震動較大，有可能引起曲軸和螺栓之間的微動，曲軸和螺栓依靠螺紋連接，在螺紋的一、二扣處受力最大，發(fā)生微動后，此處受影響最大，易形成疲勞源，在運(yùn)行中發(fā)生疲勞斷裂，螺栓斷裂后引起曲軸前端部位受力過大，最終大致曲軸軸徑處產(chǎn)生低周高應(yīng)力疲勞斷裂。

1)計算各輪摩擦傳遞的最大力矩：即各齒輪附件載荷最大值；如表1中第2項(正時系統(tǒng)最大驅(qū)動力矩)。

岳西縣是山洪災(zāi)害易發(fā)地區(qū)，洪災(zāi)發(fā)生概率較高，新中國成立以來共發(fā)生15次大的洪災(zāi)，其中21世紀(jì)就有5次。岳西縣山洪災(zāi)害具有突發(fā)性、毀滅性、隱蔽性等特點，造成山洪災(zāi)害的主要因素有災(zāi)害性天氣、特殊的地理環(huán)境、脆弱的水利設(shè)施等。

2)計算曲軸皮帶輪傳遞的最大力矩：

即曲軸皮帶輪附件載荷最大值；如表1中第1項。

3)扭振力矩：由CAE分析得出。如表1中第3項。

4)摩擦面的需求總力矩，即以上三項之和

5)壓緊摩擦面的平均作用半徑：

6)傳遞力矩：

=

7)螺栓擰緊安全系數(shù)

其中：

——螺栓緊固力矩；

——各接觸面間的摩擦系數(shù)；

——螺栓的軸力；

和

——接觸面的最大和最小半徑；

——螺栓安全系數(shù)。

此型正時帶輪螺栓安全系數(shù)為0

497，不滿足標(biāo)準(zhǔn)最小1

1。用同樣的方法計算4顆

8的皮帶輪螺栓安全系數(shù)為1

5，滿足標(biāo)準(zhǔn)1

1。

故本次失效主要原因為正時帶輪螺栓安全系數(shù)不足導(dǎo)致。

2.4 試驗數(shù)據(jù)排查

排查發(fā)動機(jī)裝機(jī)數(shù)據(jù)、臺架運(yùn)行爆壓等數(shù)據(jù)無異常，故非試驗異常導(dǎo)致此次失效。

2.5 CAE分析

運(yùn)用ALV.Excite.Power Unit 軟件對當(dāng)前曲軸狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度評估

。

曲軸前端扭矩工況應(yīng)力為278MPa，圓角處最大應(yīng)力72MPa,運(yùn)行工況最大應(yīng)力296MPa,均小于材料屈服強(qiáng)度800MPa。

曲軸前端鍵槽根部安全系數(shù)為1.08，小于標(biāo)準(zhǔn)值1.1，見圖15。斷裂自此薄弱位置開始，此處需要加強(qiáng)。

2.6 失效起因總結(jié)

經(jīng)過對故障件分析得知故障由正時帶輪螺栓失效引起，進(jìn)一步排查螺栓失效起因。經(jīng)過計算得出螺栓安全系數(shù)不足，引起失效，發(fā)動機(jī)升級后曲軸前端沒有加強(qiáng)致使前端結(jié)構(gòu)較弱。以上兩個方面引起本次故障，針對以上失效起因制定對策。

3 改進(jìn)措施及驗證

取失效螺栓和曲軸切割制備成金相試驗觀察。拋光態(tài)下觀察，依據(jù)GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)，判定試樣夾雜物等級。失效螺栓夾雜物(圖10)等級為D1.0，曲軸夾雜物(圖11)等級為D2.0，符合技術(shù)要求。將金相試樣用4%硝酸酒精腐蝕后觀察金相組織，失效螺栓組織為回火索氏體+鐵素體(圖12)，依據(jù)GB/T 13320-2007標(biāo)準(zhǔn)評級為3級；失效曲軸(圖13)組織為回火索氏體+鐵素體，依據(jù)GB/T 13320-2007標(biāo)準(zhǔn)評級為2級。

由表4可知，試驗組的生長性能包括產(chǎn)蛋率、平均蛋重、平均采食量、料蛋比和不合格蛋率，與對照組相比均為差異極顯著（P＜0.01），產(chǎn)蛋率提高2.53%，平均蛋重提高5.44%。

3.1 曲軸小頭改進(jìn)

增大曲軸斷裂位置圓角，提高斷面截面積，同時曲軸前端直徑增加4mm， 增加后小頭安全系數(shù)提升至1.21，見圖16，更改有效。

減震皮帶輪可減重設(shè)計減小前端扭振應(yīng)力，本案例中前兩項措施有效，故減重設(shè)計未采納。

3.2 提升皮帶輪螺栓擰緊安全系數(shù)

提升螺栓擰緊安全系數(shù)，通過上面公式可知，提供螺栓安全系數(shù)一共有3種方式：1)提高摩擦系數(shù)；2)螺栓軸力加大；3)增加作用半徑。

方法1在螺栓連接結(jié)合面增加金剛石墊片增大摩擦力，可提升螺栓擰緊安全系數(shù)至1.1以上。

方法2軸力增大至320N·m以上方能保證最小安全系數(shù)1.1以上，不可行。

方法3均需增大接觸半徑40mm以上，方能保證最小安全系數(shù)1.1，不可行。

a.與氧化性酸(如濃硫酸、濃硝酸)反應(yīng):常溫生成一層致密的氧化物膜而鈍化。加熱或稀硝酸,則持續(xù)反應(yīng),如。

綜上增加金剛石墊片最可行。

3.3 試驗驗證

按以上方案完成樣件試制，完成皮帶輪匹配測試、600h交變負(fù)荷試驗、冷熱沖擊試驗驗證無任何失效，整改有效。

4 總結(jié)

1)該柴油機(jī)曲軸小頭端斷裂從表現(xiàn)來看是屬于曲軸扭轉(zhuǎn)疲勞失效；

2)經(jīng)深入分析發(fā)現(xiàn)螺栓擰緊安全系數(shù)不足才是導(dǎo)致問題發(fā)生的根本原因；

3)問題通過運(yùn)用斷口詳細(xì)分析鎖定了問題真因，同時通過分析計算找到了問題所在。

4)依據(jù)問題真因制定適用的整改措施，徹底解決問題。

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