牟恕寬,孫永才,孫喜運(yùn),梁圣童

(1中國(guó)北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司 企業(yè)技術(shù)中心,遼寧大連116022;2中國(guó)北車股份有限公司,北京100078)

一般來(lái)說(shuō)鍛鋼具有較高的力學(xué)性能,據(jù)國(guó)外有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)記載和我們所獲悉的一些技術(shù)資料得知,國(guó)外除了俄羅斯制造的 Д49系列大功率機(jī)車柴油機(jī)等少數(shù)幾個(gè)廠家采用鑄鐵曲軸外,絕大多數(shù)制造廠家所生產(chǎn)的高強(qiáng)化中高速大功率4沖程柴油機(jī)都無(wú)一例外地采用鍛鋼曲軸。而國(guó)內(nèi)除了一些廠家制造的汽車和拖拉機(jī)等中小功率發(fā)動(dòng)機(jī)上采用球鐵曲軸外,國(guó)產(chǎn)的16V 280ZJ等型內(nèi)燃機(jī)車用中高速大功率4沖程柴油機(jī)也都是采用鍛鋼曲軸。由于曲軸形狀復(fù)雜,制造鍛鋼曲軸不僅需要消耗大量的優(yōu)質(zhì)合金鋼材及加工工時(shí)多,生產(chǎn)周期長(zhǎng),而且還需要大量投資6 000 t以上大型鍛壓設(shè)備,這往往又是一般機(jī)械生產(chǎn)工廠很難具備的。

球墨鑄鐵(球鐵)也具有優(yōu)良的力學(xué)性能,如吸振性能好、跑合性好、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度高、刻痕敏感性小、受力變形小、應(yīng)力集中不敏感,有良好的自潤(rùn)滑能力、抗氧化性好和耐磨性好等,這些性能對(duì)于制造曲軸來(lái)說(shuō)無(wú)疑都是非常寶貴的,并且用球鐵制造曲軸可以充分利用鑄造工藝的優(yōu)越性,制作復(fù)雜的曲柄和內(nèi)部油腔等,能獲得理想的結(jié)構(gòu)形狀,使應(yīng)力分布更加合理,材料利用更加充分,同時(shí)加工余量小,加工方便,生產(chǎn)周期短,便于大批量生產(chǎn),而且造價(jià)低廉,不需要特大型鍛壓設(shè)備。因此采用球鐵曲軸是一種多快好省的環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品,這也是近年來(lái)球鐵曲軸獲得進(jìn)一步發(fā)展的重要原因。

1 16V240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

為了加速我國(guó)鐵路牽引動(dòng)力現(xiàn)代化的進(jìn)程,早在1969年設(shè)計(jì)研制中速大功率16V 240ZJ型柴油機(jī)時(shí)就大膽采用了球鐵曲軸。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,為了滿足鐵路運(yùn)輸任務(wù)日益繁重的需要,中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司從1984年起,與英國(guó)里卡多工程師咨詢公司繼評(píng)價(jià) 2 430 kW(3 300馬力)16V 240ZJB型柴油機(jī),進(jìn)行技術(shù)合作開發(fā)2 940 kW(4 000馬力)16V 240ZJD型柴油機(jī)之后,于1989年又第3次進(jìn)行技術(shù)合作,開發(fā)研制出3 680 kW(5 000馬力)16V 240ZJE型柴油機(jī)(字母E為16V 240ZJ型柴油機(jī)重大設(shè)計(jì)改進(jìn)后的型號(hào)排序)。

16V 240ZJE型柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下:

(20)柴油機(jī)干重 25 200 kg。

16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸就是在16V 240ZJB型柴油機(jī)原來(lái)使用的球鐵曲軸基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)的。

1.1 16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。曲軸全長(zhǎng)為3 819mm,總重為2.004 t。主要由曲軸體和平衡鐵兩大部分組成。

圖1 16V240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸

曲軸體用稀土鎂鉬銅合金球墨鑄鐵鑄造而成,簡(jiǎn)稱球鐵曲軸。共有8個(gè)曲柄銷、9個(gè)主軸頸和16個(gè)曲柄臂,組成8個(gè)形狀相同的單位曲拐。曲柄銷直徑為195 mm,主軸頸直徑為 220 mm,其軸頸重疊度為70mm,曲柄臂鑄造成380 mm×440 mm橢圓形,厚度為69 mm。平衡鐵的結(jié)合面距曲軸中心線為145mm,從而使曲軸的止推法蘭形成一個(gè)整圓。

曲軸的曲柄以90°夾角分成 1和8、2和7、3和6、4和5,共計(jì)4對(duì),形成鏡面對(duì)稱結(jié)構(gòu)。根據(jù)16V 240ZJE型柴油機(jī)的綜合動(dòng)力性能要求,采用如圖2所示的間斷發(fā)火順序(氣缸號(hào)從自由端數(shù),右列為1～8,左列為9～16),同一軸頸上左右兩個(gè)氣缸的發(fā)火間隔角為410°。

圖2 16V240ZJE型柴油機(jī)的發(fā)火順序

曲軸所有軸頸內(nèi)鑄有直徑為80 mm的空芯做為輸送潤(rùn)滑油的油腔,主軸頸上的潤(rùn)滑油孔直徑為20mm,曲柄銷上的油孔直徑為14 mm,油孔外邊緣5 mm倒圓并拋光。曲軸配合用鋼背20高錫鋁合金薄壁軸瓦。為連通主軸頸和曲柄銷的油腔,在每個(gè)曲柄臂上鉆有直徑為23 mm的通油孔,油腔鑄孔的兩端采用鋁堵帶過(guò)盈量裝配封死,其外側(cè)裝有防松脫彈性擋圈。曲軸的第9位主軸頸設(shè)計(jì)有止推法蘭,其與主軸頸連接處采用R7 mm外圓弧,其余所有主軸頸和曲柄銷與曲柄臂的連接處氮化時(shí)均采用R10mm加R6mm復(fù)合內(nèi)圓孤。

曲軸自由端采用直徑為192 mm的1∶50錐面與曲軸齒輪相連接,利用液壓套裝,該齒輪的壓裝行程為8 mm。最外端直徑為170mm的1∶50錐面與減振器相連接,其壓裝行程為10 mm。驅(qū)動(dòng)3大泵的泵主動(dòng)齒輪由8個(gè)M 16的螺栓緊固在減振器的輪轂上。曲軸的輸出端通過(guò)8個(gè)直徑為M 32mm螺栓將其輸出法蘭與彈性聯(lián)軸器的花鍵軸或剛性聯(lián)軸器的法蘭相連接。

為了改善柴油機(jī)的綜合動(dòng)力性能,在每個(gè)曲柄臂的下方設(shè)有用M 33×2螺栓把緊的平衡鐵。平衡鐵呈弓形,厚度為76 mm,質(zhì)量為33.2 kg,最大回轉(zhuǎn)半徑為315 mm,為避開機(jī)體R40 mm拉筋的干涉,其外側(cè)面采用20 mm×45°大倒角。緊固平衡鐵的螺釘采用240/275系列柴油機(jī)連桿螺釘?shù)某墒旒夹g(shù),但做了適當(dāng)簡(jiǎn)化,其材質(zhì)改為42CrM o合金鋼,進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,加工成形后整體鍍銅固化處理,涂以M oS2潤(rùn)滑脂時(shí)的螺釘緊固力矩為120 N?m。此外,為防止此螺釘產(chǎn)生附加剪切應(yīng)力,并使平衡鐵定位,在曲柄臂與平衡鐵結(jié)合面之間還加有直徑為30mm銷子和10mm彈性銷各1個(gè)。曲軸全部零件組裝完成后,整體進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn),其不平衡量允差為17N?cm,以鉆孔或銑削方式在平衡鐵的外圓柱面上去重。組裝完成后,整個(gè)曲軸的內(nèi)油腔進(jìn)行1.0 MPa、10 min油壓密封試驗(yàn)。

1.2 16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的主要技術(shù)參數(shù)

(1)16V240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的化學(xué)成分(表1)

表1 球鐵曲軸的化學(xué)成分 %

(2)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸體和平衡鐵緊固螺釘?shù)牧W(xué)性能(表2)

表2 球鐵曲軸體和曲軸螺釘?shù)牧W(xué)性能

(3)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的金相組織要求(表3)

表3 球鐵曲軸的金相組織要求

(4)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的氮化技術(shù)要求(表4)

表4 球鐵曲軸的氮化技術(shù)要求

(5)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸表面粗糙度參數(shù)Ra上限值要求(表5)

表5 球鐵曲軸表面粗糙度參數(shù)Ra/μm

(6)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的尺寸偏差和形位公差(表6)

表6 球鐵曲軸的尺寸偏差和形位公差

1.3 16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸體的加工工藝流程和主要特點(diǎn)

1.3.1 16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸體的主要加工工藝流程

低壓鑄造→粗加工→噴霧淬火熱處理→噴丸→半精加工→超聲波探傷→時(shí)效處理→噴丸→精加工→粗精磨軸頸→氮化→圓角滾壓→拋光→磁粉探傷和著色探傷→安裝油堵和平衡鐵→動(dòng)平衡→油壓試驗(yàn)→綜合檢查。

由于該曲軸性能參數(shù)要求高,難度大,關(guān)鍵技術(shù)多,工藝復(fù)雜,通過(guò)不斷地探索、攻關(guān)和改進(jìn),從而形成了具有中國(guó)特色的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和獨(dú)特冷熱加工工藝。

1.3.2 16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的主要特點(diǎn)

(1)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上大膽采用球鐵曲軸體上鑲裝平衡鐵、橢圓形曲柄、復(fù)合內(nèi)圓孤,自由端采用錐面連接,其設(shè)計(jì)方案新穎合理。其中鑄鐵曲軸鑲裝平衡塊,明顯地改善了柴油機(jī)的綜合動(dòng)力性能,大大方便了曲軸體機(jī)械加工。

(2)采用稀土鎂鉬銅合金球鐵鑄造成型,以鐵代鋼,以鑄代鍛,充分利用我國(guó)豐富的稀土資源,選取了低硫磷,中碳硅材質(zhì),確定了以鎂為主,加入微量稀土元素進(jìn)行球化處理方法,獲得理想的鑄造基體組織,機(jī)械加工量小,完全符合中國(guó)國(guó)情和工廠廠情。

(3)在鑄造工藝上成功地開發(fā)了低壓鑄造和鑄型串水冷卻及冒口加壓新技術(shù),把曲軸鑄造用的模子傾斜放置,鐵水通過(guò)低壓氣體由鑄模底部壓入,然后再把鑄模豎直冷卻。這種鑄造工藝保證了鐵水迅速充滿鑄模,含熱量高,增加了鐵水的補(bǔ)償能力,使鑄件的縮松和氧化夾渣等缺陷大為減少,提高了球鐵曲軸鑄件表面質(zhì)量和內(nèi)部組織的致密性以及力學(xué)性能,明顯提高了球鐵曲軸產(chǎn)品合格率,使其由原來(lái)的30%達(dá)到84%以上,為世界領(lǐng)先水平。

(4)創(chuàng)造性地采用噴霧等溫淬火熱處理技術(shù),明顯提高了球鐵曲軸體的力學(xué)性能,使其拉抗強(qiáng)度達(dá)到785 M Pa,延伸率達(dá)到1%,沖擊值達(dá)到14.7 J/cm2。

(5)國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)短時(shí)整體氣體氮化熱處理工藝,采取了氮化前多進(jìn)行一次消除組織應(yīng)力退火熱處理,氮化時(shí)采用溫度均勻性好的專用井式爐和拉壓均分的杠桿式吊具等設(shè)備和工藝措施,圓滿地解決了球鐵曲軸氮化變形難題,節(jié)省了大量工時(shí)和電能,大大提高了熱處理工作效率。經(jīng)單位曲拐對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證,其疲勞強(qiáng)度達(dá)到250MPa,可與鍛鋼曲軸媲美。

(6)為了適應(yīng)16V 240ZJE型柴油機(jī)大功率的需要,球鐵曲軸除設(shè)計(jì)上加大加厚平衡鐵、增加主軸徑向連桿的供油孔徑外,還采用曲軸整體氮化加上軸徑單圓弧圓角滾壓復(fù)合強(qiáng)化工藝,從而使球鐵曲軸的單拐疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步提升到320M Pa,達(dá)到世界先進(jìn)水平。

2 16V240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的計(jì)算分析

根據(jù)圖3所示的柴油機(jī)綜合動(dòng)力性能關(guān)系要求,16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸進(jìn)行了如下計(jì)算分析:

(1)16V 240ZJE型柴油機(jī)的動(dòng)力計(jì)算,其中包括曲軸干擾力的簡(jiǎn)諧分析;

(2)16V 240ZJE型柴油機(jī)各種方案的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算,其中包括曲軸軸系自振頻率和扭轉(zhuǎn)振形的自由振動(dòng)計(jì)算。使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的共振計(jì)算和強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算,從而計(jì)算出曲軸各軸段的扭振綜合振幅值和扭振附加應(yīng)力,其中還包括彈性聯(lián)軸器和扭轉(zhuǎn)減振器等大部件的性能計(jì)算分析,計(jì)算中還考慮到曲軸質(zhì)量阻尼和曲軸軸段阻尼對(duì)軸系扭振的影響;

圖3 柴油機(jī)的綜合動(dòng)力性能關(guān)系圖

(3)16V 240ZJE型柴油機(jī)內(nèi)外力矩等平衡計(jì)算,分析了柴油機(jī)輸出扭矩的不均勻性;

(4)16V 240ZJE型柴油機(jī)曲軸軸心軌跡計(jì)算,其中包括不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和載荷,不同發(fā)火順序,不同曲軸平衡鐵大小,不同軸承直徑、寬度和間隙,不同潤(rùn)滑油溫度、壓力和流量以及軸頸和軸承表面粗糙度及油槽因素等對(duì)軸承最小油膜厚度和最大油膜壓力等的影響,并從中進(jìn)行優(yōu)化,選取最佳油孔位置和軸承間隙及油槽位置等,避免軸瓦發(fā)生穴蝕現(xiàn)象,為軸承設(shè)計(jì)和計(jì)算打下基礎(chǔ);

(5)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算;

(6)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算,找出球鐵曲軸危險(xiǎn)軸段,選取合理的軸頸圓角和油孔處應(yīng)力集中系數(shù),綜合其彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和扭振附加應(yīng)力等,根據(jù)第三強(qiáng)度理論或第四強(qiáng)度理論計(jì)算出球鐵曲軸的安全系數(shù),進(jìn)行曲軸強(qiáng)度評(píng)價(jià)分析;

(7)應(yīng)用斷裂力學(xué)分析方法對(duì)球鐵曲軸的耐久可靠性進(jìn)行評(píng)估和使用壽命預(yù)測(cè);

(8)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸有限元計(jì)算,以摸清楚球鐵曲軸的應(yīng)力分布規(guī)律。

按里卡多公司的計(jì)算方法,得知16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸如果只是進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理和氮化處理時(shí),在1 000 r/min、3 860 kW(5 000馬力)運(yùn)用工況下,其安全系數(shù)為1.997,小于球鐵曲軸的許用值2.0。為此對(duì)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸氮化后又進(jìn)行圓角滾壓處理,最終使其安全系數(shù)達(dá)到了2.21。正是由于采取不同層次的強(qiáng)化措施,從而滿足了同系列16V 240ZJE型總共8 000余臺(tái)不同功率等級(jí)柴油機(jī)對(duì)曲軸的使用要求。

3 16V240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸實(shí)物試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)和運(yùn)用情況

3.1 16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸實(shí)物試驗(yàn)情況

(1)采用稀土鎂鉬銅合金的球鐵曲軸在材料的合金化、化學(xué)成分配比、球化率、鐵水鑄造溫度,充風(fēng)壓力、充風(fēng)時(shí)間和調(diào)質(zhì)、正火及噴霧等溫淬火幾種不同熱處理工藝方法等方面進(jìn)行了大量的對(duì)比和一系列參數(shù)試驗(yàn);

(2)球鐵曲軸實(shí)物還做了材料的泊松比、拉壓彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)試驗(yàn);

(3)球鐵曲軸實(shí)物測(cè)試單曲拐彎曲剛度和整根曲軸扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn);

(4)球鐵曲軸的光彈性試驗(yàn);

(5)采用調(diào)質(zhì)、氮化、滾壓、激光和噴丸等不同物理方法和化學(xué)方法強(qiáng)化工藝及復(fù)合強(qiáng)化工藝,以及具有各種不同鑄造缺欠的球鐵曲軸單拐實(shí)物彎曲對(duì)稱疲勞試驗(yàn);

(6)球鐵曲軸進(jìn)行了實(shí)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)應(yīng)用銀制集流環(huán)將應(yīng)力信號(hào)傳遞出來(lái);

(7)對(duì)球鐵曲軸進(jìn)行了多種方案實(shí)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn),其中包括各種不同聯(lián)軸器和減振器方案試驗(yàn)。

通過(guò)上述大量的試驗(yàn),全面摸清了16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的各種工藝參數(shù)、理化性能和靜應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力性能及實(shí)際可行的各種強(qiáng)化方法及較佳配套方案等,并從中找出帶規(guī)律性的東西。

3.2 16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸臺(tái)架試驗(yàn)

16V 240ZJE型柴油機(jī)樣機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上先后完成了性能試驗(yàn)和耐久可靠性試驗(yàn),這些考核包括UIC100 h試驗(yàn)(其中3 680 kW連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)80 h)、ORE360 h試驗(yàn)、30 h惰轉(zhuǎn)試驗(yàn)、10×5 h循環(huán)試驗(yàn)、6 000次熱沖擊試驗(yàn)和50 h超負(fù)荷4 040 kW(5 500馬力)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用了歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)柴油機(jī)新產(chǎn)品最嚴(yán)格的考核手段。50 h超負(fù)荷4 040 kW可靠性試驗(yàn)時(shí)最大氣缸爆發(fā)壓力達(dá)到16.7 MPa。臺(tái)架試驗(yàn)累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)了1 500多小時(shí),其中耐久試驗(yàn)長(zhǎng)達(dá)1 000多小時(shí)。試驗(yàn)完成后,對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了全面解體、檢查和測(cè)量。拆檢表明,16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸狀態(tài)幾乎與新裝時(shí)一樣,所有軸頸無(wú)任何損傷,因?yàn)橛械囊驕y(cè)量上的微小誤差為負(fù)值,所以9個(gè)主軸頸平均磨損量為0。曲柄銷磨損也小得無(wú)法精確測(cè)量,所記錄的最大磨損量是0.006 mm。探傷檢查未發(fā)現(xiàn)任何裂紋。球鐵曲軸經(jīng)受了16V 240ZJE型柴油機(jī)高負(fù)荷1 500 h考驗(yàn)后,狀態(tài)如此之好,說(shuō)明該球鐵曲軸的設(shè)計(jì)和工藝水平都達(dá)到了相當(dāng)高的水平。

3.3 16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的實(shí)際運(yùn)用

已有23臺(tái)16V 240ZJE型柴油機(jī)安裝在內(nèi)燃機(jī)車和挖泥船上進(jìn)行了運(yùn)用考核,有的已運(yùn)用了10多年,并順利地進(jìn)行過(guò)幾次大修。這其中有北京鐵路局“神州”號(hào)內(nèi)燃動(dòng)車組10臺(tái),蘭州鐵路局“金輪”號(hào)內(nèi)燃動(dòng)車組9臺(tái),這些動(dòng)車組柴油機(jī)的裝車運(yùn)用功率為3 310 kW。還有中交天航挖泥船4臺(tái),柴油機(jī)按等扭矩特性運(yùn)用功率為3 240 kW。長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)用考核表明,該球鐵曲軸表現(xiàn)出十分優(yōu)良的耐磨性及工作耐久性和可靠性。根據(jù)用戶反饋信息,在正常運(yùn)用和維護(hù)保養(yǎng)前提下,至今沒有一根球鐵曲軸由于自身的質(zhì)量問(wèn)題而發(fā)生過(guò)故障。

4 與國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)曲軸技術(shù)水平的對(duì)比

4.1 與國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)曲軸技術(shù)水平的對(duì)比

通過(guò)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸與國(guó)內(nèi)外同類柴油機(jī)曲軸技術(shù)水平對(duì)比可以明顯看出:

(1)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的抗拉強(qiáng)度大于785 MPa,在力學(xué)性能上遠(yuǎn)超過(guò)俄羅斯的5Д49型柴油機(jī)的抗拉強(qiáng)度500 MPa。

(2)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸通過(guò)采取一系列強(qiáng)化措施,曲軸的單拐實(shí)物對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度高達(dá)320 MPa,比俄羅斯 5Д49型柴油機(jī)球鐵曲軸的210 MPa高出52%。

(3)該球鐵曲軸的正常使用壽命達(dá)到300萬(wàn)走行公里以上,折合柴油機(jī)運(yùn)用時(shí)間約為75 000 h,達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類柴油機(jī)鍛鋼曲軸水平。

(4)16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的售價(jià)每根約為20萬(wàn)元,為整個(gè)柴油機(jī)造價(jià)的10%以下。而國(guó)外同類柴油機(jī)鍛鋼曲軸每根約為 100萬(wàn)元以上,至少為16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的5倍,國(guó)內(nèi)同類柴油機(jī)鍛鋼曲軸每根價(jià)格至少也在50萬(wàn)元以上,是16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸的2.5倍。

4.2 與俄羅斯球鐵曲軸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的比較

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐,為16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸制定了一套嚴(yán)格的可以實(shí)地操作的《內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)球鐵曲軸技術(shù)條件》,將本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與俄羅斯的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ10167—73《柴油機(jī)和煤氣機(jī)鑄鐵曲軸技術(shù)條件》進(jìn)行仔細(xì)對(duì)照,可以看出其主要技術(shù)要求內(nèi)容是完全相同的。例如技術(shù)要求等效采用了11條,參照采用3條,驗(yàn)收規(guī)則大部分等效采用,試驗(yàn)方法等效采用了7條,標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存等項(xiàng)要求基本等效采用。此外還根據(jù)我國(guó)國(guó)情和我廠廠情,適當(dāng)增加了金相組織、外觀缺陷和過(guò)渡圓角樣板檢查及錐面連接和緊固平衡鐵等項(xiàng)技術(shù)要求,以及計(jì)量軸頸表面粗糙度時(shí),“氮化脫落的凹坑不計(jì)在內(nèi)”等有關(guān)內(nèi)容。該標(biāo)準(zhǔn)在力學(xué)性能等方面高于或嚴(yán)于俄羅斯的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),例如抗拉強(qiáng)度,俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)要求為500 MPa,而本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求為785 MPa;氮化層硬度俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)為HV 390,而本標(biāo)準(zhǔn)為HV 436;相鄰主軸頸跳動(dòng)量俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)為0.05mm,而本標(biāo)準(zhǔn)為 0.03 mm;硫磷含量俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)分別為0.025%和0.10%,而本標(biāo)準(zhǔn)為 0.02%和 0.08%等。不難看出,16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸選材、定型、加工、制造、檢查和驗(yàn)收所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)在這些重要特性的制訂上是處于世界領(lǐng)先的。

就曲軸體本身的質(zhì)量要求來(lái)說(shuō),俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中未被采用的條款就是其軸頸表面粗糙度Ra,俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)于0.4,而本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氮化前為0.8。因?yàn)樵撉S氮化后軸頸經(jīng)過(guò)拋光就可以裝機(jī)使用。拋光的目的是提高其表面粗糙度,去掉軸頸表面氮化時(shí)生成的氮過(guò)飽和層ε相,以免脫落發(fā)生“拉瓦燒軸”惡性事故。但氮化球鐵曲軸軸頸表面粗糙度用一般拋光的方法很難再得到提高,通常也只有1.6～3.2,而達(dá)不到0.8的要求。通過(guò)試驗(yàn)分析研究發(fā)現(xiàn),這是由于球鐵曲軸鑄造時(shí)形成的微小夾渣、縮松缺陷和氮化時(shí)其表面的石墨燒損在拋光時(shí)脫落而形成的凹坑造成的。而這些小凹坑在曲軸的實(shí)際運(yùn)用中很好地起到了儲(chǔ)存機(jī)油的作用,這對(duì)減少軸頸與軸承間的磨損,并帶走其間所產(chǎn)生的熱量大有好處,明顯延長(zhǎng)了這一對(duì)摩擦副的使用壽命,按理說(shuō)這是氮化球鐵曲軸本身所固有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),棄之非常可惜。因此在計(jì)量檢測(cè)氮化拋光球鐵曲軸軸頸表面粗糙度時(shí),不計(jì)這些小凹坑是合情合理的。

俄羅斯5Д49型柴油機(jī)球鐵曲軸,為了解決軸頸表面粗糙度和氮化變形問(wèn)題,采用了加長(zhǎng)氮化時(shí)間達(dá)96 h,以加深氮化層深度,最后再采用磨削的方法找正,來(lái)解決曲軸氮化變形問(wèn)題。由于氮化層很薄且由外向里有一定的硬度梯度,所以磨削加工量多的軸頸表面硬度就顯著下降,并造成同一根曲軸軸頸表面硬度在同一軸頸上和軸頸與軸頸之間相差懸殊。裝機(jī)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用后,造成上述部位磨耗程度的差異也很大,從而使曲軸軸頸的階梯度增大,在使用中產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),俄羅斯在1972～1976年制造的裝用該型柴油機(jī)的2TЭ116型機(jī)車出廠運(yùn)行40萬(wàn) km后,曲軸因斷裂等原因而報(bào)廢的竟高達(dá)30%以上。最后根據(jù)其主要訂貨單位——俄羅斯交通部的廣泛運(yùn)用結(jié)果,在1983年的改進(jìn)設(shè)計(jì)中,功率2 940 kW(4 000馬力)以上的Д49型柴油機(jī)最終放棄了球鐵曲軸,而改裝價(jià)格較貴的鍛鋼曲軸,這就是由于強(qiáng)化工藝不合理而造成的,棄之非常遺憾。而16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸則是由于采取了一系列妥當(dāng)措施和設(shè)備以及氮化后僅拋光不再磨削的方法,較好地解決了曲軸氮化變形和軸頸表面硬度這一對(duì)矛盾,而不是強(qiáng)求過(guò)高的表面粗糙度,再加上圓角滾壓處理,從而使其疲勞強(qiáng)度達(dá)到320 M Pa,滿足了16V 240ZJE型大功率柴油機(jī)的使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司從20世紀(jì)60年代開始試驗(yàn)研制10L207E型柴油機(jī)球鐵曲軸成功,50多年來(lái),經(jīng)過(guò)堅(jiān)持不懈地設(shè)計(jì)、計(jì)算、工藝分析、試驗(yàn)、研究和攻關(guān)改進(jìn)及長(zhǎng)期運(yùn)用考核,證明3 680 kW 16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸采用低壓鑄造、鑄型串水冷卻和噴霧等溫淬火熱處理,其抗拉強(qiáng)度大于785 MPa,已接近鍛鋼水平,延伸率大于1%,沖擊韌性大于14.7 J/cm2,這些性能完全勝任“小能量多次沖擊”的柴油機(jī)使用條件。由于鑄造曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易更趨合理,同時(shí)又采用了短時(shí)整體氣體氮化加曲軸圓角滾壓工藝,從而進(jìn)一步提高了該球鐵曲軸的彎曲疲勞強(qiáng)度和軸頸耐磨性。不僅滿足了柴油機(jī)進(jìn)一步提升運(yùn)用功率到3 310 kW的需要,而且還明顯地改善了柴油機(jī)的綜合動(dòng)力性能。曲軸鑲裝平衡鐵,使其平衡量由16V 240ZJB型機(jī)的40%增大到95%,明顯地減少了曲軸的回轉(zhuǎn)慣性力,使柴油機(jī)的內(nèi)力矩在水平方向上減少了近40%,大大地減小了柴油機(jī)的整體振動(dòng)及機(jī)體和主軸承瓦蓋等零部件的動(dòng)應(yīng)力,減少了上軸承負(fù)荷,加大了油膜厚度,減少了柴油機(jī)的機(jī)械摩擦損失功,從而有利于提高柴油機(jī)的整體經(jīng)濟(jì)性,延長(zhǎng)主軸瓦、曲軸、機(jī)體及主軸承瓦蓋的使用壽命,進(jìn)一步提高了柴油機(jī)的安全可靠性和耐久性。

16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸制造成本不到10萬(wàn)元,而購(gòu)買同樣一根42CrM oA鍛鋼曲軸價(jià)格則要50萬(wàn)元,是球鐵曲軸造價(jià)的5倍。如果按年產(chǎn)200臺(tái)柴油機(jī)計(jì)算,僅此一項(xiàng)每年就可以節(jié)約8 000萬(wàn)元。球鐵曲軸每根投料2.5 t,而要生產(chǎn)同樣一根鍛鋼曲軸則要投料8 t,如果仍按年產(chǎn)200臺(tái)柴油機(jī)計(jì)算,則一年就可以節(jié)約1 100 t 42CrM oA優(yōu)質(zhì)合金鋼材。由上不難看出球鐵曲軸的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是非常顯著的。這種球鐵曲軸能夠滿足16V 240ZJ型系列柴油機(jī)不同功率的需求,這么多年來(lái)連曲軸配件一共生產(chǎn)應(yīng)用了1萬(wàn)多根,其節(jié)約價(jià)值已大于我們公司的現(xiàn)有固定資產(chǎn)。

綜上所述,生產(chǎn)8 000多臺(tái)柴油機(jī)累積1萬(wàn)多根球鐵曲軸的實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),尤其是通過(guò)與國(guó)內(nèi)外同類柴油機(jī)曲軸產(chǎn)品的對(duì)比中不難看出,中國(guó)北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司設(shè)計(jì)研制的中速大功率16V 240ZJE型柴油機(jī)球鐵曲軸是幾代人智慧的結(jié)晶,是多年實(shí)踐豐富經(jīng)驗(yàn)的積累,完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),是具有中國(guó)特色的豪諾技術(shù)產(chǎn)品,包括有好多訣竅,完全形成了自己的獨(dú)特風(fēng)格,并達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,其中某些重要技術(shù)指標(biāo)處于世界領(lǐng)先地位。

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