某柴油机曲轴的失效分析

３４罄　４　２０１７　８　Ｊ　Ｊ　＼ｌ１１．３４、Ｉ】．４　、ｌＩ　．　（】Ｉ　７　【内燃机可靠性】　某柴油机曲轴的失效分析　白　莹，宋建锋，周廷矗，张光林，张红艳　（中国石油集闭济柴动力总厂．山东济南２５０３０６）　摘要：某柴油机曲轴采Ｊ｝］谐振疲劳试验系统进行静态与动态疲劳试验，３根试验曲轴均在　连杆轴颈与曲柄的过渡处，与轴颈呈４５度角处出　断裂，通过曲轴的材料化学成分、断口形　貌、金相组织检验、氮化层、力学性能等方面的分析，确认导致曲轴疲劳断裂的主耍原因是曲轴　高应力集中和高应力区存在非金幅夹杂物　关键词：曲轴：疲劳试验；断裂　ＤＯＩ：１０．Ｉ９４７ｌ／．＿ｃｎｋｉ。１６７３—６３９７．２０ｌ　７．０４．０１３　中图分类号：　ＦＫ４２３．３　文献标志码：、　文章编号：ｌ　６７３—６３９７（２０１　７）／）４一（）０５７—０４　Ｃｒａｎｋ　Ｓｈａｆｔ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅ　ｌ｛＿、１、ｉｎｇ，ＳＯＮＧ　Ｊｉａｎ—ｔｉ＇ｎｇ，ＺＩｌ（）Ｌ　ｒｉ『１ｇ一（。ｈｕ．ＺＩＩ、　（　（；ｕａｎｇ—ｌｉｎ，　ｌＩ＼　（　Ｉ　ｈ川ｇ—　ＬＩＩ１　（ＣＮＩＪＣ　Ｊｉ（’ｈａｉ　ｌ）Ｉｌ、、　Ｉ　Ｅｑｕｉｐｎｌ￣　ｎｌ（：ｏｍｐａｎ＞．．１ｉｎａｎ　２５０３０６．（：ｈｉ，ｍ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｌａｌｉ（’￣１１ｔ（１（ｂ　ｌｌａｌｌｌｉ（’ｆａｔｉｇｕｅ　ｔｅｓ！ｉｓ｝ＪＩ　Ｉ’Ｉ＇ｎｌ　ｌｌＩｅ（１（ＨＩ　（ＩＩＫｔｉｌｌ・　・）Ｅｔ・ｉｌｌａｌｉＩ）１１　ｌｉｇｕｃ　ｌｅｓｔ　—　ｔｅｒｎ　Ｉ　ｌｒ　ＰＩ／｛．／．，Ｉ’ＩｔＵ＂【’ｒａｎｋｓｈａｆｔ．３‘。ｒａｎｋｓｈａｆｌｓ　ｉＩＩ‘ｒ【　ｒＬＩ（‘ｋ（、（Ｉ　ａｌ　Ｉ　ｒｉｍｓｉｌｉｏｎ　Ｌｌｌ’（、　Ｉ　Ｉ）ｔ・ｔｘ￣ｃ（　Ｉ／（・ｔｌ『１『ｌｔ　ｔ・ｔｉｎｇ　ｒ１）（Ｉ　ｉＯＵ１’１１；Ｉｌ　ｉ１１１（１【・１’ＬＩＩＩｋ、～ＰＩ）、～ｈｅｌ’Ｐ　４５。ａｎｇｈ　ｉｓ　Ｉ　ＩＪ’Ｉ１１（、ｔｔ　ｗｊＩｈ（＇０１ｔ１１（－‘・１ｉｎｇ　ｒ【ｌ（Ｉ　ｉＩ）Ｉｌｌ　１ｌ　ｌ　Ｊ．　Ａｆｆｔ、Ｉ’ｉ１１Ｕ．Ｉｌ、Ｓ，Ｉ　Ｓ　ｌ　Ｊｆ【・Ｉ１　１ｔｌｉ（－ＬＩＩ　（＇ｏｒａ１）ＯＩｔ（￣ｌｌ［（１ｆ１　ｌｈｅ　ｌ｜ｔ￣ｉｔｅｌ’ｉａ１．ｎ’ｉｔ（　ｈｕ‘‘　ａｌ　ｌ１１（‘ｔＪ，ｌｔ１￣￣ｌｌ１１Ｉ．ｇｌａｐｈｉ（　ｓｌ｜．／Ｉ（　Ｉ　Ｌｌ！’　ｌ‘ｌｔＳＩ）（，《。Ｉｉｏｎ．Ｉｔ￣ｔ［Ｉ’ｉ【　Ｉ　ｌａ＞　ｅ　ｒ．　ＩｌｌＣ（　Ｉｍｎｉ，．　ａｌ　１）ｌ’ｔ’｝１ＰＩ’　ｔ　ｈ’，ｉｔ　ｉｓ　ｔ’（）Ｉｌｌ、ｉｌ’１１１１　Ｅｌ　ｔｈａｔ　ＩｔｌａｉＨ　ｒｒｉｌＳＯｌｌ“’（・ｉ１１１Ｓ（、ｆａｔｉｇｕ￣　（・Ｉ　ＩＩＩ・ｋ　ｉ　ＩＩｌＩ　ｔｏ　ｈｉｇｌ１　ｓｉｔ’（　（‘（Ｊｎ　Ｐｎｈ’ｄｌｆＩｌｉｔ￡ｌＪ１【Ｉ　ｌｔＯＩ１一ｍｅｔａｌｌｉ（‘ｉｌＩ【‘ｌｕｓｉ．ｎ　ａｌ　ｔｈｉｓ　ｈｉｇｈ　ｓｈ’Ｐ　【‘ＩｌＩ１ｔ‘　ｎｉｌ’ａｌｉｏｎ　｛ｒＩ、　ｌ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：（：ｌ’ａｌ￣ｋｓｈａｔＩ：Ｉ＂ａｔｉｇｍ、ＴＰｓｌ：（：¨＿ｌ【・ｋ　引　言　『Ｉｆ１轴足Ｉ』、Ｊ燃饥的砸要构件和ｉｉ　运动什．它的　戊Ｊｌ：；　『　坛　皮，　．｝、￣：ｌｆｌ：Ｒ　Ｉ　试验准备　…　ｌ　验台　Ｉｌ　ｌ　作状况直接　响发动机的正　Ｉ　ｆｉ　ｆｌｌ发全运什　【Ｉ『靠性和　命　人　幔上决定ｒ发功￣ＩＬｆｌＯ　汁　，试验机．　魁　成功　小义迎过谐振式『¨１轴：　ＩＩＩｌ　埘　轴进行动、静忿的疲　试验，并ｘ，Ｊ　ｉｉｉ１　４＝ｆ｝１ｎ　断裂失　效情况进行分析　ｌ　疲劳试验　录删谐振　ｆｌＩｌ　弯『｝ｆｌ疲劳试验ｆＪ　Ｉ栽，埘　验　轴进仃坡　酞验，　验弯ｆ１¨哉简　作城衙　（ｆ　，＝１　８ＭＰａ）的１．６俯，循环　数为１．Ｏｘ１０　次；载似　作者简介：Ｉ　｛　（１９７７一），　，高级Ｉ　＇Ｊｆｌｉ．　收稿日期：！（）ｌ７一（）６一（）６　帙０ｊ　ｆ：ＪＬ没汁Ｊ之　勒ｆＪＬ』ｌｔ　部什设　燃机　ｊ动力装戡　验、Ｆ　上安装激振摆惜：州整下端弹簧，使激　抓　忖水ｔ＂－；州　驱动ｌ乜机的旋转巾心与主摆体偏　心装　旋转巾心咀合；测试…Ｉｊ＝Ｉｌｊ发装，渊整下端弹簧　他　ｉ　、从动摆体　测试　什　成的振动平面处丁水　ｆ　；　轴的合适　’　嘘力应变片和桥路　补　：Ｊ　，　Ｊ　．　１．２试验载荷计算　九十　振汁并公式（１）　…ｌｌｌＩ轴名ＫＴ＿作弯　，然　选样　化系数１．６，最终确认　际试验弯艇裁荷　＂＝ＫＲＧ＝￣Ｄ　，　凡　／４Ｌ　（１）　Ｊ＾　｛ｌ：　为缸ｆ　，Ｉ１１１ｌｌ’取ｆｉ‘ｆ　ｌ４０；　，，　爆发　Ｊ，Ｍｔ　取　１　８；　，　，　力臂支撑宽　，Ⅲ，．ｋｔ￣ｆｉ　ｆ　０．０４５；　乃支撑反力惜，Ｉｌｌ，．ｋｔ￣ｆｉ　（）．０９２５；　，　缸心　，－ｌｌ＿取似０．Ｉ８５；　Ｋ　支撑系数，Ｊ４ｘｆ：ｉ．（）．７５；　Ｍ．为　义　作　，Ｎ－ｔ，、．取ｑ４￣：ｆｆ　４６７５　．　１．３试验结果　验…Ｉ轴ｌ　选取３个｝ＩＩ１样进行疲劳试验，均　ＧｙｉＪ　ｔ　求的衔环　数，发　ｌ－ｌ＊Ｊｉ￣，疲劳试验结果　１（ｆ　什ｌ与佯什２取…　・ｔ…轴，样件３取　’ｊ　一　ｌ｝ｌＩ轴）　表１试验结果　ｆ　Ｉ：断【］处的外观非常类似，断口均位于连卡ｒ　４＝ｌＩｌ颁ｔｊ　Ｉｉｔｉ．￣ｆｔｔ　仙的过渡　处，与连卡１：轴颈　４５。　『『Ｊ　…脱裂纹的化　及断【Ｉ　２～５　２　失效分析　２．１材料成分分析　分别　ｌＩｌｊ，人效Ｉ｝｛１轴的连卡｜轴颈　取样进行成分　分析，结果　＆２，参数值为样件材料４２ＣＩ’Ｍｔ，Ａ的成　分范［＿词．　分析｛Ｉ　爪，　元素　￣ｕ，ＪＸ｛Ｉ　姚池　Ｊ之　『＝ｆｊ之内．　ｆ¨１轴材料化　、　；：成分　常　表２化学成分　２．２断口表现分析　断裂处仃　嚣：　坦的网弧状疲　断裂Ｉ）‘＝，根据　疲劳断裂　停止线的外彤可以判断．疲　裂纹是从　样件连杆轴预　Ｉｔｌｉ俩连接处过渡　ｆｆ】处　始彤核并　向外扩散的，　Ｉ＊１－　６所永　存裂纹边缘部似明　ｆ一　形　亮Ｉｘ　域，　约　ｎ　．　７所，Ｊ　．　纠６　ＩＩ１Ｉ垧　ｉ　ｌ『　白茕，等：　某柴油机曲轴的失效分析　罔７曲轴２　采用显微镜扫描，观察断裂处的微观形态，可见　白亮点是一个圆形的疲劳裂纹形核　．曲轴１白亮　点　域是一个约为４０１￣ｍ的凹坑．距实物表层约　引１１局部区域沿品断裂　０．７ｒａｍ，是由夹杂物脱落形成的，见网８所示。　８曲轴Ｉ凹坑形貌　冬ｉ　ｌ２　Ｉ｝｝１轴２　ｎ　瞬崮　ｌ　曲轴２白亮点处则是一个约为４０１ｘｍ的夹杂物．　距实物表层约０．５ｒａｍ。所有白亮点　域为裂纹形核　位置，裂纹从该　域中心向周同扩展，冈９所示：　１３疲劳裂纹扩展　通过能谱分析，颗粒夹杂物以氧化铝为主．主要　９曲轴２凸点形貌　含Ａ１、Ｏ、Ｃａ等成分，　罔１４所示　１　曲轴１的瞬断区为解理＋韧窝断口．见图１０，局　部区域存在粗大的沿品断裂见冈ｌｌ。｝Ｈ１轴２的瞬　断区为韧窝断口，见图ｌ２。网形区以外的疲劳裂纹　扩展ｊ爰均为穿晶疲劳断口如　１３　§　莺　Ｏ　Ｓｉ　一　Ｃａ＾．　Ｆｅ　．射线能量／ｋｅＶ　网ｌ４颗粒能谱　２．３金相组织检验　分别从两曲轴断口附近取样．检验金相组织　曲轴的基体组织为回火索氏体＋铁素体：　ｆＨ１轴１的基体组织见图１５　曲轴２的基体组织存在显著的带状偏析．　图　『弩１　ｌ０曲轴１的瞬断【ｘ　ｌ６、　内燃机与动力装置　２０１７年８月　以搭载ＷＩＳＥ多功能控制系统的某５吨装载机　节能效果明显。　Ｖ型作业工况为例，根据轻载工况铲运物料的不同，　开启多功率输出功能前后，可实现省油５％一１５％，　柴油机各种油门控制方式的应用范围见表１。　表１　ＷＩＳＥ控制器新功能列表　４结论　参考文献：　［１］周龙宝．内燃机学［Ｍ］．机械工业出版社．２００９（０１）．　随着排放法规的升级，柴油机技术路线由机械　泵升级为电控高压共轨。为我们提升产品性能并统　一［２］张成国，魏志友等．工程机械的油门控制系统及控制方法　［Ｐ］．２０１６．　［３］赵福芹，刘彬等等．一种发动机控制方法及装置［Ｐ］．　２０１３．　柴油机配置提供了可能性．某公司自主研发的　ＷＩＳＥ控制器较好的兼顾了对油门控制形式及多功　率输出功能的需求，现已在批量配套的非道路三阶　段柴油机上得到应用　（上接第６０页）　利用有限元计算。在试验载荷下，连杆轴颈与曲　柄结合处最大主应力为４８０ＭＰａ，通过静态应力检　测，在试验载荷下，此处的最大主应力为５４５～　６９０ＭＰａ。但是由于圆角处加工质量较差的原因．导　致存在尖角应力集中。根据试验经验，材料为　４２ＣｒＭｏＡ的曲轴，经过表面处理，能够承受的最大圆　角应力为６８５ＭＰａ，而该试件在疲劳测试中出现断　裂，加工质量不是主要原因。　和该区域内存在大颗粒非金属夹杂物是造成曲轴疲　劳断裂的主要原因。建议控制加工材料中非金属夹　杂物的含量，通过工艺手段提高曲轴圆角加工质量，　避免应力集中，提高曲轴安全系数。　两根曲轴基体组织不均匀，芯部硬度较低，其中　一根还出现明显的带状组织。这些都会降低曲轴的　安全系数，也成为导致曲轴疲劳断裂的重要因素。　需对曲轴锻造和热处理工艺进行严格把控。　参考文献：　［１］徐家炽．ＱＣ／Ｔ６３７－２０００汽车发动机曲轴弯曲疲劳试验　方法［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０００．　『２］何群雄．ＧＢ／Ｔ　１０５６１—２００５钢中非金属夹杂物含量的测　两根样件曲轴的疲劳断裂源均为位于连杆轴颈　与曲柄臂连接处近表面的非金属夹杂物颗粒。在疲　劳试验交变应力作用下，在夹杂物部位引发疲劳裂　纹核，形核裂纹直径约ｌｍｍ后迅速与表面结合。裂　纹加速扩展，最终导致曲轴疲劳断裂失效。　定标准评级图显微检验法［ｓ］．北京：中国标准出版社，　４结　论　曲轴连杆轴颈和曲柄臂过渡圆角处高应力集中　２００５．