某型柴油机曲轴开裂原因

2024-03-16胡前城

理化检验(物理分册) 2024年1期

胡前城,李兵,周俊

(1.海军装备部驻上海地区第十一军事代表室,上海 200129;2.沪东重机有限公司,上海 200129)

曲轴是柴油机最重要的部件之一,也是柴油机中质量最大、长度最长的部件,其形状复杂、技术要求严格,是柴油机中造价最高的零部件之一。曲轴的作用是将柴油机各缸发出的热量汇集起来,并以回转运动的形式传递出去。因此在柴油机运转时,曲轴会受到较大的周期性扭转力和弯曲、压缩载荷力。在多种外力叠加的作用下,曲轴易发生扭转和弯曲变形,以及裂纹和折断等故障。曲轴轴颈还容易受到摩擦副的磨损作用。因此曲轴应有较高的加工精度和粗糙度,轴颈处应具有良好的耐磨性、润滑性,更重要的是还要有足够的强度和刚度。

某型柴油机运行时突发滑油进机低压报警,随即发生滑油进机低压安保降速和停车。船员停机检查发现曲轴的1道曲柄销处存在2条裂纹(见图1)。该曲轴使用时间约为21 000 h。笔者采用一系列理化检验方法分析了该曲轴开裂的原因,以避免该类问题再次发生。

图1 曲轴1道曲柄销的宏观形貌

1 理化检验

1.1 宏观观察

曲轴宏观形貌如图2所示。由图2可知:开裂轴段曲柄表面可见大量环向的磨损痕迹,相邻的另外两段曲轴表面均未见明显的磨损痕迹。

图2 曲轴的宏观形貌

将曲轴沿裂纹人工打开,对断口进行宏观观察,结果如图3所示。由图3可知:裂纹源所在位置为曲柄销和曲拐的过渡R处的腐蚀坑,该处与连杆轴瓦接触不到,因此可以排除因连杆轴瓦和曲柄磨损造成曲轴开裂的原因;裂纹扩展区可见明显的疲劳贝纹线,呈疲劳断裂的宏观形貌特征[1]。其他非裂纹源区域也存在较多的腐蚀坑(见图4)。

图3 曲轴断口宏观形貌

图4 其他非裂纹源区域的宏观形貌

1.2 化学成分分析

在开裂曲轴上取样并对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:开裂曲轴的化学成分符合技术要求。

表1 开裂曲轴的化学成分分析结果 %

1.3 金相检验

在曲轴裂纹源处剖面截取金相试样,将试样进行腐蚀处理,然后置于光学显微镜下观察,结果如图5所示。由图5可知:曲轴表面与心部的显微组织均为回火索氏体,显微组织存在一定偏析。

图5 曲轴的显微组织形貌

1.4 力学性能测试

在开裂曲轴的相邻轴段上取样并对试样进行力学性能测试,结果如表2所示。由表2可知:曲轴的各项力学性能均符合相关技术要求。

表2 曲轴的力学性能测试结果

1.5 扫描电镜(SEM)及能谱分析

利用扫描电镜对曲轴断口进行观察,结果如图6所示。由图6可知:裂纹源处被完全擦伤,无法观察原始裂纹形貌,R处表面可见明显的腐蚀坑;裂纹扩展区可见大致平行的二次裂纹及疲劳辉纹,呈疲劳断裂特征。

图6 曲轴断口的SEM形貌

对裂纹源区的腐蚀坑进行SEM观察,并对腐蚀产物进行能谱分析,结果如图7,8所示。由图7,8可知:腐蚀产物中主要含有氯、硫等腐蚀性元素。

图7 腐蚀坑的SEM形貌

图8 腐蚀坑的能谱分析结果

过渡R处其他腐蚀坑的SEM形貌如图9所示,可见在腐蚀坑底部已经有裂纹萌生并扩展。

图9 过渡R处其他腐蚀坑的SEM形貌

2 综合分析

由上述理化检验结果可知:开裂曲轴的化学成分和力学性能均满足相关技术要求;曲柄表面可见大量环向的磨损痕迹,开裂起源于曲柄与曲拐过渡R处,该位置无法与连杆轴瓦接触,因此判断曲柄表面的磨损是在曲轴开裂后,轴瓦和曲柄间隙变小而产生的异常磨损;裂纹源可见明显点腐蚀坑,裂纹扩展区可见贝纹线,因此该开裂为典型的疲劳开裂。疲劳扩展区可见大致平行的二次裂纹及疲劳辉纹,符合疲劳断裂的微观形貌特征。裂纹源的腐蚀坑中可检测到腐蚀性较强的硫、氯元素,说明曲轴表面在腐蚀介质的影响下发生了点腐蚀。除主裂纹外的其他腐蚀坑底部也可见裂纹的萌生及扩展。

曲轴在曲柄与曲拐之间过渡R表面处发生了腐蚀,形成了腐蚀坑,同时过渡R处也是曲轴工作时受应力较大的敏感位置。

开裂曲轴表面在含有硫、氯等腐蚀性元素介质的作用下发生了点腐蚀,形成了较多的腐蚀坑。曲轴的曲柄与曲拐之间过渡R处为曲轴工作时受应力较大的敏感位置,因此过渡R处的腐蚀坑成为疲劳源,在使用过程中,曲轴受到旋转和弯曲交变应力的作用,腐蚀坑以疲劳的方式开裂并扩展,最终导致曲轴开裂。曲轴开裂后,曲柄与轴瓦之间的间隙变小,从而使曲轴发生异常磨损,导致曲柄产生大量环向摩擦痕迹[2]。