魏順冬 費(fèi)運(yùn)嘉 付艷麗 張典 馮峰

摘 要：某高功率柴油機(jī)客戶使用時(shí)曲軸主軸頸發(fā)生斷裂，經(jīng)過對故障柴油機(jī)相關(guān)零部件進(jìn)行檢查分析，和對故障曲軸斷口形貌、化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織、淬火深度和硬度等進(jìn)行檢測和綜合分析，找出了曲軸斷裂的主要原因，并提出了改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 曲軸斷裂 失效分析

1 引言

某高功率水冷6缸直列柴油機(jī)在客戶使用5萬公里后突然發(fā)生斷裂，拆解發(fā)現(xiàn)，第4檔主軸頸與第4檔連桿頸曲柄處發(fā)生斷裂，油底殼內(nèi)曲軸止推片脫落，缸體磨損?；钊B桿組件中，發(fā)現(xiàn)第4檔主軸瓦與軸頸粘咬，連桿大端高溫發(fā)黑，第4檔連桿瓦至曲軸斷裂處邊緣合金層脫落，鋼背層擠壓變薄。第四檔主軸頸前端止推片擠壓扭曲，第四檔主軸頸后端止推片燒蝕、發(fā)黑變形，缸體止推片處有與曲柄擦碰印痕。缸體對應(yīng)軸承蓋合裝面有凸起環(huán)形臺階，高度大于0.2mm。曲軸軸承粘咬抱死，外圓滾動定位唇切削。本文對該故障的原因進(jìn)行綜合分析。

2 相關(guān)零部件檢查和分析

（1）第1、2、3、5、6缸活塞、連桿、軸瓦未見有拉傷、抱咬等異常磨損現(xiàn)象;

（2）配氣機(jī)構(gòu)組件，包括搖臂滾輪、襯套部件，凸輪軸凸輪及凸輪軸軸瓦未見有異常磨損現(xiàn)象;

（3）齒輪系組件，包括雙聯(lián)齒輪、空氣壓縮機(jī)惰輪、噴油泵惰輪、凸輪軸惰輪襯套未見有異常磨損現(xiàn)象;

（4）扭轉(zhuǎn)減振器復(fù)測合格。

經(jīng)過以上零件檢查，可以排除機(jī)油壓力低帶來的潤滑不良問題導(dǎo)致的軸瓦抱瓦斷軸;也可以排除因扭轉(zhuǎn)減振器失效導(dǎo)致的曲軸斷裂。結(jié)合這款設(shè)計(jì)的曲軸在耐久試驗(yàn)階段通過了上萬小時(shí)的臺架耐久試驗(yàn)和整車路試耐久試驗(yàn)，均未發(fā)生曲軸任何形式的損壞的實(shí)際情況，可以排除曲軸設(shè)計(jì)原因?qū)е碌那S斷裂。

3 曲軸本體檢查和分析

3.1 目視檢驗(yàn)

如圖1所示，嚴(yán)重的故障發(fā)生在第4主軸頸和第4連桿頸之間的線板區(qū)域。甚至在磁粉探傷前，可以清晰地在第4主軸頸的靠近前鼻端的圓角處發(fā)現(xiàn)清晰的裂縫。

3.2 磁粉探傷

如圖2所示，斷裂軸頸，裂縫清晰可見;在部分軸頸處，發(fā)現(xiàn)超過約20mm的磁痕和開口磁痕（即肉眼可見磁痕）;部分圓角處發(fā)現(xiàn)磁痕;平衡塊處也存在長度大于50mm的磁痕和開口磁痕。

3.3 宏觀斷口查看分析

如圖3所示，給出了整個曲軸的形貌與斷裂位置（紅圈所示）。從圖3可以看出，端口兩側(cè)曲軸除第4檔外，其余部分基本沒有破壞。圖4是將對偶斷口復(fù)位后，斷裂位置兩側(cè)的局部形貌。由端口的開裂方向可見，斷裂面與曲軸橫向成約60度夾角，這表明斷裂傾斜于曲軸縱向，曲軸的斷裂承受彎曲和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷載荷的作用。

如圖5所示，裂紋起始位置在主軸頸與曲柄連接的根部圓角處，此處是應(yīng)力集中部位。白色箭頭指出了斷裂源位置。

如圖6所示，軸頸斷口的宏觀形貌。放大后仔細(xì)查看，可以看到裂紋擴(kuò)展的貝殼狀弧線，圖紙初始裂紋位置指出了這種形貌，屬于疲勞斷裂的典型宏觀特征。除此以外，在遠(yuǎn)離初始裂紋位置，其他部位也發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的貝殼線，放大后仔細(xì)查看，判斷此處為從圓角處開始的第二次疲勞裂紋。

3.4 曲軸材料的化學(xué)成分分析

從斷裂軸取下一塊符合成分分析的標(biāo)準(zhǔn)樣品，經(jīng)磨削加工后，用熒光光譜儀進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表1。表中同時(shí)列出了42CrMoA材料相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

分析表明，曲軸材料的化學(xué)成分符合國家對42CrMoA鋼的要求。

3.5 曲軸材料的力學(xué)性能檢驗(yàn)

材料的力學(xué)性能是承載構(gòu)件的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，曲軸材料的斷裂破壞往往與其力學(xué)性能密切相關(guān)。為此，對失效曲軸進(jìn)行了拉伸力學(xué)性能、和不同部位材料表面硬度的測試。結(jié)果列于表2。表中同時(shí)列出了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

結(jié)果表明，曲軸材料的各項(xiàng)力學(xué)性能都滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

3.6 曲軸截面淬火硬度層的深度測量

選取一般位置（非靠近破壞位置）的曲軸主軸頸和連桿頸及其過渡圓角處的淬硬層深度，如表3所示，曲軸與圓角各部位的淬硬層深度都滿足相應(yīng)的要求，但淬硬層深度相差較大，表面硬度偏低，而實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中，軸頸的淬硬層對疲勞裂紋的產(chǎn)生都有很重要的抑制作用。

3.7 曲軸截面淬火硬度層的硬度梯度測量

按圖7和圖8位置制取主軸頸和連桿頸表面淬火試片，檢測軸頸中頻淬火硬度梯度，檢驗(yàn)結(jié)果見表4，淬硬層表面硬度普遍偏低，且主軸頸R角處存在硬度不合格情況。

3.8 金相組織檢查

如圖9所示，A，B所指位置為第一次淬火層，C所指位置為第二次淬火層;對淬火層進(jìn)行金相組織檢查，結(jié)果見圖11和圖12，發(fā)現(xiàn)第一次和第二次淬火層都是較細(xì)小的馬氏體，但仔細(xì)分辨第二次的組織相比較第一次的組織要粗大些。

4 結(jié)語

（1）曲軸斷裂失效是由于疲勞斷裂引起的;（2）化學(xué)成分、金相組織、材料的拉伸力學(xué)性能和淬硬層深度都符合規(guī)范;（3）磁粉探傷顯示在部分軸頸處，發(fā)現(xiàn)超過約20mm的磁痕和開口磁痕（即肉眼可見磁痕）;部分圓角處發(fā)現(xiàn)磁痕;平衡塊處也存在長度大于50mm的磁痕和開口磁痕。但這些磁痕并不是導(dǎo)致曲軸斷裂的直接原因;（4）曲軸疲勞裂紋起始于主軸頸軸跟部過渡圓角的應(yīng)力集中處，在交變扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力隨著時(shí)間的聯(lián)合作用下，結(jié)合淬硬層硬度偏低（52HRC以下），淬硬層深度相差較大和主軸頸R角處存在硬度不合格的實(shí)際情況，是導(dǎo)致曲軸最終疲勞斷裂的主要原因。

5 建議

（1）淬硬層硬度偏低（低于52HRC）和存在不合格區(qū)域，可適當(dāng)提高到52-56HRC，并嚴(yán)格控制保證淬硬層硬度合格;（2）把控淬硬層深度的差異性，適當(dāng)加強(qiáng)軸頸過渡圓角處的淬硬層深度，軸頸的淬硬層對疲勞裂紋的產(chǎn)生都有很重要的抑制作用;（3）圓角處不允許有任何磁痕，軸頸處不允許表面存在任何開口磁痕，雖然發(fā)現(xiàn)的這些磁痕和此例曲軸失效無直接關(guān)系，但這同樣可能會導(dǎo)致類似嚴(yán)重的發(fā)動機(jī)失效。

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