發(fā)動機曲軸的斷裂失效分析

斷裂失效是指金屬、合金材料、機械產(chǎn)品的一個具有有限面積的幾何表面的分離過程。斷裂是發(fā)動機曲軸在運行過程中的主要失效形式，且疲勞斷裂居首位，占失效實例約60%，對企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營造成巨大浪費和損失，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，為改進設(shè)計及加工工藝提供依據(jù)，消除隱患確保產(chǎn)品安全可靠等，同時也是企業(yè)節(jié)能增效的有利途徑。

一、曲軸斷裂簡介
曲軸作為發(fā)動機核心零件之一，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性差的特點，是發(fā)動機本體五大件中加工質(zhì)量最難保證的零件。同時，曲軸又是把燃燒氣體推動活塞進行直線運動轉(zhuǎn)變成回轉(zhuǎn)運動的橋梁，曲軸的旋轉(zhuǎn)運動是整車或發(fā)動機的動力源，因此曲軸的壽命是發(fā)動機考核的關(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度的薄弱環(huán)節(jié)，長期的高速旋轉(zhuǎn)運轉(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頸R角處，沿著約45°方向往曲柄梢擴展，最后斷裂，包括裂紋源、裂紋擴展、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，達不到設(shè)計要求。

（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原因。因為校直是塑性變形，會產(chǎn)生微裂紋，大大降低了曲軸的強度，因而在交變載荷的作用下，會導(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失效機體本身變形引起的以外，往往還由于維修裝配或刮瓦時主軸承不同心引起。

（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接觸而形成線接觸，則發(fā)動機工作時，飛輪就會松動，造成曲軸與飛輪之間的沖擊，此時飛輪受到兩個方向的沖擊，將易使曲軸鍵槽兩側(cè)面很快出現(xiàn)裂紋，如繼續(xù)使用，裂紋逐漸擴大，必將導(dǎo)致曲軸斷裂。這種情況一般在單缸機中多見。

2.裝配問題
（1）軸承裝配間隙過大或合金脫落，引起沖擊載荷增大。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動之后產(chǎn)生甩動現(xiàn)象，或機器發(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，或安裝時錯位以及曲軸磨修時采用偏心法，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，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，運轉(zhuǎn)時前后串動，在柴油機負(fù)荷工作時，曲軸臂受到端面的附加反擊力，使應(yīng)力集中而加速曲軸斷裂。

3.使用不當(dāng)
（1）運行中發(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）飛輪連接螺栓松動，運轉(zhuǎn)時曲軸發(fā)生抖動而失去平衡，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)動機潤滑油道不暢通，使曲軸與軸瓦長時間處于摩擦狀態(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）長期處于各缸供油量不均的情況下運轉(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，時間長了也可能引起曲軸斷裂。

（6）在曲軸修整過程中，對曲軸主軸頸與連桿頸的圓角加工不夠重視，修理后的圓角往往是幾何尺寸及粗糙度不符合技術(shù)要求，則易使曲軸圓角處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，尤其曲軸軸頸經(jīng)幾次磨修后，由于軸頸尺寸相應(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)動機產(chǎn)生強烈的振動，使曲軸斷裂。

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

（9）使用操作不當(dāng)。如拖拉機起步過猛或長期超負(fù)荷工作，曲軸受到過大的扭矩作用，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)動機運轉(zhuǎn)不平衡，曲軸受到較大的沖擊載荷，長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造成曲軸斷裂。

三、曲軸斷裂的預(yù)防措施
1.保證機加工的技術(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、光潔度、動平衡等機加工全尺寸，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、曲軸飛輪組件的動平衡等）進行嚴(yán)格的檢驗，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，造成曲軸與飛輪之間的沖擊。

（5）各缸供油量（或點火）應(yīng)均勻，并使供油提前或點火時間符合技術(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)動和潤滑，過渡配合和過盈配合都有可能使得軸與軸套之間摩擦系數(shù)過高和潤滑油不能進入工作面。

（7）按規(guī)定的順序和扭力距緊固飛輪與曲軸的連按螺栓，并加以鎖緊，以防松動。

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

（9）保持發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中油路暢通，潤滑油充足。使?jié)櫥己茫员苊庠斐奢S瓦與軸頸發(fā)生干摩擦。

（10）發(fā)動機大修時，應(yīng)對曲軸進行磁力探傷檢查，也可用浸油敲擊法、錘擊法，當(dāng)曲頸表面有徑向裂紋，或有較深的延至主軸肩圓角的軸向裂紋時，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，圓角滾壓是曲軸強化的非常有效的措施，同時它也是提升企業(yè)競爭力的核心技術(shù)。

通過采用各種強化方法提高材料的強度，尤其是表面強度，在軸頸R角表面形成殘余壓應(yīng)力，可使疲勞強度顯著提高。此外，能修復(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，

像圓角滾壓強化、氮化圓角強化、感應(yīng)淬火圓角滾壓強化等復(fù)合強化工藝是最有效的強化手段，即提高了曲軸的疲勞強度，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，改善表面光潔度，結(jié)果提高整體的疲勞強度?，F(xiàn)在各發(fā)動機曲軸生產(chǎn)廠家常用的是圓角沉割滾壓強化，提高疲勞強度約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，根據(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暫時減小或晶粒間產(chǎn)生滑動，當(dāng)外力達到一定數(shù)值時，被加工表面金屬除產(chǎn)生彈性變形外，還形成塑性變形。由于塑性變形的產(chǎn)生，使零件被加工表面的形狀、組織結(jié)構(gòu)和物理性能都發(fā)生了變化，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度，被滾壓金屬表面的強度極限、屈服極限和疲勞極限都有提高。

滾壓效果與曲軸設(shè)計尺寸、材料強度、滾輪尺寸、滾壓力、圈數(shù)等有關(guān)，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的特點進行滾輪、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)勢作用，提升產(chǎn)品的品質(zhì)。

四、結(jié)語
發(fā)動機曲軸工作過程中的斷裂，是非常嚴(yán)重的失效事故。有材質(zhì)、機加工、裝配、使用、維護等多方面的原因，由此，分析斷裂機理、規(guī)律，優(yōu)化制造工藝方案、嚴(yán)格控制生產(chǎn)以及裝配過程，合理的使用、定時保養(yǎng)維護以及更換，確保曲軸的質(zhì)量要求和使用要求能滿足發(fā)動機正常運行的需要，特別嚴(yán)禁在運行過程中的違規(guī)操作，尤其通過提升曲軸本身的疲勞性能，可顯著地降低斷軸率。

文：張立平、張學(xué)強，濱州海得曲軸有限責(zé)任公司