某型发动机曲轴小头断裂失效原因分析及对策

2022-08-02刘俊杰

内燃机与配件 2022年12期

0 前言

曲轴是柴油机中最重要的部件之一，柴油机的全部功率都由曲轴输出

，曲轴的作用是把活塞、连杆传来的气体力转变为扭矩，以驱动汽车的传动系统和发动机配气机构以及其他辅助装置。曲轴容易产生弯曲和扭转变形，导致曲轴疲劳和产生裂纹，甚至断裂。通常情况下曲柄与轴径过渡的圆角处表面所受交变应力最大，故疲劳裂纹最容易在圆角处产生。曲轴常见的失效为曲轴连杆颈、主轴颈、圆角位置开裂。

但某型柴油发动机开发过程中出现前端小头开裂和紧固螺栓断裂(如图1所示)。此种断裂形式与以上理论相违背，为了解决曲轴前端断裂失效的重复发生，提升柴油机安全性和可靠性，对此机型曲轴断裂失效进行了分析研究，提出改进措施并进行试验验证，使曲轴前端断裂问题得到有效解决。

1 失效零部件件分析

对试验过程曲轴前端失效进行统计，曲轴在交变负荷试验过程中运行至383小时出现曲轴前端断裂，前端正时带轮螺栓断裂。

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1.1 宏观形貌分析

体式显微镜下观察曲轴前端断口(图2)。可见断口分为两部分，中间为螺栓断口，高低不平整，有扭转特征，断裂从螺栓边缘开始，最后扩展到中部凸起部位断裂，其中螺栓断口下部已经锈蚀，说明断裂发生时间较早：断口外部为曲轴断口，有扭转痕迹，依据疲劳扩展方向，可以推断出断裂源区，最后扩展区域疲劳辉纹间距变大，在断口下部有人字形裂纹扩展(图3)，说明曲轴属于低周高应力疲劳断裂。

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1.2 微观形貌分析

用扫描电镜观察螺栓和曲轴前端断口的微观形貌。螺栓断口下部边缘为断裂源区(图4)，源区为准解理与疲劳辉纹混合断裂特征，并向中部扩展；螺栓断口中部为疲劳断裂特征(图5)，疲劳辉纹遍布断口大部分区域，最终扩展到螺栓中部位置。曲轴前端断口源区(图6)有较大面积的磨损，有疲劳痕迹；曲轴扩展区(图7)有明显的疲劳辉纹，少量二次裂纹存在；断裂后期快速扩展(图8)，疲劳辉纹间距明显变大，有二次裂纹存在；人字形裂纹(图9)表面也有大间距的疲劳辉纹。

探索传统村落活态再生之道——浙江黄岩乌岩头古村实践为例杨贵庆开欣宋代军等2018/05 49

1.3 金相分析

通过以上分析，提出以下整改措施，并对改进后的曲轴金相可靠性试验验证。

1.4 硬度分析

计算步骤及公式如下

从上面表格可以看出，失效曲轴的硬度符合技术要求(290HB～350HB)，失效螺栓的硬度也在GB/T 3098.1标准范围内。

1.5 失效原因初步分析

从更善无、虚汝华两家人以及他们两人之间的对话与行动中，我们不仅读到了邻居之间甚至家人之间沟通的困难，也看到了人与人之间紧张而相互提防的关系，以及对改善人际关系的徒劳无益的努力，不论更善无尝试着说或做什么自以为可以取悦他们的事，结果都是陷入更大的僵局中。

2 失效起因分析

螺栓和曲轴前端断裂都属于疲劳断裂，造成螺栓疲劳断裂的主要原因是运行时螺栓与曲轴连接处的微动；造成曲轴前端疲劳断裂的主要原因是螺栓断裂后引起曲轴受力过大。故而需进一步分析螺栓断裂原因，方能彻底解决曲轴前端断裂问题。

我们回到本案例中，因为有这个虚压的存在，车身电脑无法判断点火开关是否有关闭动作，启动机无法正常工作，那么这个不正常的“虚电”从哪来的呢？

引起曲轴前端螺栓断裂的原因有：1)皮带轮不匹配；2)前端扭转应力大；3)螺栓安全系数不足；4)试验过程异常；5)曲轴前端薄弱

这里使用DDR2存放算法的激励,具体内存条型号是MT4HTF3264HY。采用Xilinx的IP核MIG产生DDR2控制器,DDR2控制器经分层处理,可以简化设计并使其模块化[13]。

针对以上可能原因逐一排查，排查结果如下。

升级机型(失效)减震皮带轮质量比基础款重量增加了50%，转动惯量增加50%，导致曲轴前端所受扭转应力较基础机型增大。

2.1 曲轴扭振测试

针对此机型进行皮带轮扭转测试。试验准备4个不同固有频率的皮带轮，分别与发动机轴系匹配测试。

试验工况：全负荷下，运行2分钟左右，发动机转速由1000rpm到额定功率转速左右，测试约3个循环，测量曲轴前端的扭转振动。

此型发动机曲轴扭振各主要阶次的振幅如表2：

样本2的4阶振幅最大，扭振角度0.21deg，主阶次振幅能够满足发动机要求。

为了弄清楚曲轴前端失效起因，对曲轴进行以下分析检测。

2.2 前端扭转应力

失效机型为升级款，减震皮带轮与基础机型对比，参数如表3。

(2)个人意愿得不到满足。具体是指个人愿望、要求得到满足,心理存在挫败感、自卑感。此类患者问题在于,社会或环境适应能力差、承受力低,从而生活中一旦遇到巨大打击,如钱财受损、失恋等问题,可能出现自杀冲动;

2.3 前端螺栓安全系数校核

此型发动机为螺栓断裂引起曲轴断裂，故校核螺栓安全系数。

此型发动机曲轴皮带轮由4跟M8螺栓固定在正时带轮上，再由1根曲轴正时带轮螺栓一起固定在曲轴前端。如图14所示，计算A1、A2面螺栓紧固安全系数。

选取失效螺栓和失效曲轴前端横向部位做硬度测量。如表1所示

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通过断口分析表明：失效螺栓断口属于高周低应力的疲劳断裂，失效曲轴属于低周高应力疲劳断裂，说明螺栓先断裂，然后引起的曲轴断裂。金相分析表明：失效螺栓和失效曲轴的抛光态显示材料夹杂级别控制正常；组织及组织级别都符合技术要求。硬度也在标准范围内。结合曲轴工况分析失效曲轴断裂。发动机工作时，曲轴前端部位震动较大，有可能引起曲轴和螺栓之间的微动，曲轴和螺栓依靠螺纹连接，在螺纹的一、二扣处受力最大，发生微动后，此处受影响最大，易形成疲劳源，在运行中发生疲劳断裂，螺栓断裂后引起曲轴前端部位受力过大，最终大致曲轴轴径处产生低周高应力疲劳断裂。

1)计算各轮摩擦传递的最大力矩：即各齿轮附件载荷最大值；如表1中第2项(正时系统最大驱动力矩)。

岳西县是山洪灾害易发地区，洪灾发生概率较高，新中国成立以来共发生15次大的洪灾，其中21世纪就有5次。岳西县山洪灾害具有突发性、毁灭性、隐蔽性等特点，造成山洪灾害的主要因素有灾害性天气、特殊的地理环境、脆弱的水利设施等。

2)计算曲轴皮带轮传递的最大力矩：

即曲轴皮带轮附件载荷最大值；如表1中第1项。

3)扭振力矩：由CAE分析得出。如表1中第3项。

4)摩擦面的需求总力矩，即以上三项之和

5)压紧摩擦面的平均作用半径：

6)传递力矩：

7)螺栓拧紧安全系数

其中：

——螺栓紧固力矩；

——各接触面间的摩擦系数；

——螺栓的轴力；

和

——接触面的最大和最小半径；

——螺栓安全系数。

此型正时带轮螺栓安全系数为0

497，不满足标准最小1

1。用同样的方法计算4颗

8的皮带轮螺栓安全系数为1

5，满足标准1

1。

故本次失效主要原因为正时带轮螺栓安全系数不足导致。

2.4 试验数据排查

排查发动机装机数据、台架运行爆压等数据无异常，故非试验异常导致此次失效。

2.5 CAE分析

运用ALV.Excite.Power Unit 软件对当前曲轴状态进行强度评估

。

曲轴前端扭矩工况应力为278MPa，圆角处最大应力72MPa,运行工况最大应力296MPa,均小于材料屈服强度800MPa。

曲轴前端键槽根部安全系数为1.08，小于标准值1.1，见图15。断裂自此薄弱位置开始，此处需要加强。

2.6 失效起因总结

经过对故障件分析得知故障由正时带轮螺栓失效引起，进一步排查螺栓失效起因。经过计算得出螺栓安全系数不足，引起失效，发动机升级后曲轴前端没有加强致使前端结构较弱。以上两个方面引起本次故障，针对以上失效起因制定对策。

3 改进措施及验证

取失效螺栓和曲轴切割制备成金相试验观察。抛光态下观察，依据GB/T 10561-2005标准，判定试样夹杂物等级。失效螺栓夹杂物(图10)等级为D1.0，曲轴夹杂物(图11)等级为D2.0，符合技术要求。将金相试样用4%硝酸酒精腐蚀后观察金相组织，失效螺栓组织为回火索氏体+铁素体(图12)，依据GB/T 13320-2007标准评级为3级；失效曲轴(图13)组织为回火索氏体+铁素体，依据GB/T 13320-2007标准评级为2级。

由表4可知，试验组的生长性能包括产蛋率、平均蛋重、平均采食量、料蛋比和不合格蛋率，与对照组相比均为差异极显著（P＜0.01），产蛋率提高2.53%，平均蛋重提高5.44%。