羅長增，張吉賢，李明，張金芳

重型高速柴油機曲軸斷裂失效分析

羅長增，張吉賢，李明，張金芳

曲軸是汽車發(fā)動機最重要的零件之一，運轉(zhuǎn)中的受力情況非常復(fù)雜，承受著彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓縮等載荷的作用。這些載荷不僅數(shù)值較大，而且一般呈周期性變化，容易引起曲軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形甚至產(chǎn)生裂紋和斷裂。

某重型載貨汽車行駛里程42948km時，發(fā)動機發(fā)生故障。拆檢發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機曲軸從曲軸齒輪與飛輪法蘭聯(lián)接位置斷裂，其他零部件完好。曲軸屬于柴油機運動件中的關(guān)鍵部件，而且此次曲軸的斷裂位置在該系列柴油機曲軸故障中為首次出現(xiàn)。本文對此次斷裂的重型高速柴油機的曲軸失效模式進(jìn)行了深入分析，并提出了相應(yīng)改善措施，以避免同類故障的發(fā)生，提高柴油機服役期間的可靠性。

1. 故障問題描述

曲軸從曲軸齒輪與飛輪法蘭聯(lián)接位置斷裂，斷裂位置示意圖和斷裂曲軸照片如圖1和圖2所示。

曲軸材料為42CrMoA合金結(jié)構(gòu)鋼，曲軸的主要制造工藝為：下料→鍛造→正火→粗加工→表面淬火及回火→精加工→包裝。

2. 故障問題分析

（1）化學(xué)成分、金相組織、硬度檢測故障機器拆機

后，先對飛輪法蘭側(cè)的斷裂曲軸對照圖樣中的技術(shù)要求進(jìn)行初步核查。理化檢測結(jié)果表明斷裂曲軸和飛輪法蘭的化學(xué)成分（見附表）、金相組織以及硬度等檢測項目均合格。

（2）曲軸斷口形貌分析飛輪法蘭側(cè)的曲軸斷口形貌如圖3所示，呈現(xiàn)棘輪狀斷口，裂紋從四周起源向心部擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)疲勞貝紋明顯，表明此曲軸斷口屬于典型的扭轉(zhuǎn)疲勞端口。

（3）曲軸與飛輪法蘭配合面形貌分析線切割分離曲軸與飛輪法蘭，分析二者之間的配合面形貌特征，如圖4所示。圖4表明：①曲軸與飛輪法蘭配合面帶狀條紋明顯，說明曲軸與飛輪法蘭之間發(fā)生了相對轉(zhuǎn)動。②曲軸斷口呈現(xiàn)鋸齒狀的特征，表明曲軸斷裂屬于扭轉(zhuǎn)斷裂。③曲軸與飛輪法蘭配合面出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象，說明飛輪法蘭在與曲軸的相對轉(zhuǎn)動摩擦以及曲軸疲勞斷裂的過程中，產(chǎn)生了大量的熱量。

圖1　曲軸斷裂位置示意

圖2　斷裂曲軸照片

圖3　飛輪法蘭側(cè)曲軸斷口形貌

圖4　曲軸與飛輪法蘭配合面形貌

標(biāo)準(zhǔn)牌號42CrMo與曲軸和法蘭取樣材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　　　　　（%）

（4）減振器失效分析發(fā)生故障的機器為六缸機型，曲軸在周期性的扭矩激勵下，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)振動會引起曲軸斷裂、破壞各缸工作的相位關(guān)系、惡化內(nèi)燃機工作狀況和平衡性能等故障，導(dǎo)致內(nèi)燃機功率下降，加劇振動噪聲。合理地匹配曲軸減振器可以改善曲軸的扭轉(zhuǎn)共振轉(zhuǎn)速、振型、振幅和扭振應(yīng)力等，從而避免因曲軸扭轉(zhuǎn)共振

引起的曲軸斷裂故障，降低振動噪聲。

拆解下故障柴油機的減振器，發(fā)現(xiàn)減振器蓋板凸出形成鼓形（見圖5a、圖5b），表明此減振器已經(jīng)失效。進(jìn)一步解剖此減振器（見圖5c、圖5d），內(nèi)部的硅油以及軸承元件多被破壞變成了黑色的碎塊。內(nèi)部硅油的黏度已經(jīng)無法測量。由于硅油和軸承元件被破壞，導(dǎo)致慣性環(huán)與殼體在慣性環(huán)外圓處產(chǎn)生摩擦及碰撞。減振器的失效加劇了曲軸運轉(zhuǎn)過程中的扭振，加速了曲軸的疲勞斷裂過程。

3. 改善措施

（1）增大飛輪法蘭與曲軸配合的過盈量本項目分析的發(fā)生斷裂的柴油機曲軸生產(chǎn)制造日期為2012年5月，飛輪法蘭的內(nèi)徑尺寸為φ70-0.012-0.051mm。為了加強飛輪法蘭與曲軸之間的配合效果，將飛輪法蘭的內(nèi)徑尺寸改為φ70-0.068-0.099mm，即增大二者之間配合的過盈量（見圖6）。增加過盈量后的此型號機型，經(jīng)過一年的市場驗證未發(fā)現(xiàn)飛輪法蘭轉(zhuǎn)動的故障，表明此種改善措施取得了比較好的市場驗證效果。

（2）修改飛輪法蘭與曲軸齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計增大飛輪法蘭與曲軸配合的過盈量后，為了順利完成裝配過程，相應(yīng)地提高了熱裝配時的加熱溫度（430±10）℃。較高的熱裝溫度，會一定程度影響材料的組織和性能，所以必須將熱裝溫度控制在合理的范圍內(nèi)。顯然單純地增加配合過盈量并不是解決法蘭轉(zhuǎn)動的最優(yōu)處理方法，因此，在后續(xù)的設(shè)計過程中擬將飛輪法蘭和曲軸齒輪設(shè)計為一體式（見圖7），增加與曲軸配合接觸的面積，增大摩擦力，可以最大程度地避免飛輪法蘭與曲軸之間出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，減少因為此原因引起的曲軸疲勞斷裂。

4. 結(jié)語

（1）斷裂曲軸和飛輪法蘭的化學(xué)成分、金相組織以及硬度等檢測項目均合格。

（2）曲軸與飛輪法蘭之間發(fā)生了相對轉(zhuǎn)動，曲軸發(fā)生了扭轉(zhuǎn)斷裂，且飛輪法蘭與曲軸的相對轉(zhuǎn)動摩擦以及曲軸疲勞斷裂的過程中，產(chǎn)生了大量的熱量，致使配合面出現(xiàn)局部熔化的現(xiàn)象。減振器的失效加劇了曲軸運轉(zhuǎn)過程中的扭振，加速了曲軸的疲勞斷裂過程。

（3）實施增大飛輪法蘭與曲軸配合的過盈量改善措施后經(jīng)過市場驗證取得了良好的改善效果；為了從根本上解決法蘭轉(zhuǎn)動的問題，杜絕類似故障的再次發(fā)生，后期設(shè)計中擬修改飛輪法蘭與曲軸齒輪為一體式結(jié)構(gòu)。

圖5　減振器解剖照片

圖6　飛輪法蘭與曲軸配合

圖7　飛輪法蘭和曲軸齒輪結(jié)構(gòu)修改

20141214

作者簡介：羅長增、張吉賢、李明、張金芳，濰柴動力股份有限公司。