張新春

連云港市地方海事局，江蘇省連云港 222004

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)重要的機(jī)件，其材料是由碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個(gè)重要部位：主軸頸，連桿頸。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接，是一個(gè)典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲軸的潤(rùn)滑主要是指與搖臂間軸瓦的潤(rùn)滑和兩頭固定點(diǎn)的潤(rùn)滑。曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源，也是整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的源動(dòng)力。

1 曲軸的結(jié)構(gòu)形式和工作條件

1.1 曲軸的結(jié)構(gòu)形式

曲軸功用：曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件之一，其作用是把活塞連桿組傳來(lái)的氣體作用力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩并對(duì)外輸出。另外，還用來(lái)驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)及其他各種輔助裝置。

整體式曲軸具有工作可靠、重量輕、剛度、強(qiáng)度較高、加工表面較少的特點(diǎn)，中小型發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛采用，一般配合滑動(dòng)軸承。

組合式曲軸，當(dāng)曲軸尺寸較大，曲拐數(shù)較多時(shí)，采用整體式結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致加工非常困難，可采用組合式結(jié)構(gòu)。

1.2 工作條件

由于曲軸工作條件惡劣，因此對(duì)曲軸材質(zhì)以及毛坯加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等要求都十分嚴(yán)格。如果其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量沒有得到保證，則可嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機(jī)的可靠性。

工作條件：要承受周期性變化的氣體壓力、往復(fù)慣性力、慣性力矩、離心力、缺油、高速、軸向竄動(dòng)。第一，受周期變化力和力矩作用，重點(diǎn)彎曲交變荷載（80%是彎曲疲勞破壞）；第二，曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重；第三，曲軸軸頸比壓大，摩擦磨損嚴(yán)重。

在材料的選擇上，用高強(qiáng)度、高沖擊韌性、耐磨性材料，主要采用中碳鋼、中碳合金鋼、稀土球墨鑄鐵模鍛而成。為提高耐磨性和耐疲勞強(qiáng)度，軸頸表面經(jīng)高頻淬火或氮化處理，并經(jīng)精磨加工，以達(dá)到較高的表面硬度和表面粗糙度的要求。

2 曲軸的疲勞斷裂

柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生曲軸斷裂、裂紋、變形等現(xiàn)象，其中發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象最多。曲軸的疲勞斷裂是曲軸失效的情況之一，同時(shí)也是最嚴(yán)重的情況，是發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重的機(jī)件故障，斷裂一般發(fā)生在曲柄銷和主軸頸與曲柄臂的連接圓角處或軸頸油孔等應(yīng)力集中部位。

曲軸的受力情況比較復(fù)雜,它承受著氣體爆發(fā)力、運(yùn)動(dòng)件的慣性力,各種振動(dòng)以及與機(jī)體軸承等約束情況有關(guān)的反作用力,與被帶動(dòng)裝置的反作用力等。曲軸工作時(shí),軸頸主要受扭轉(zhuǎn),曲柄臂主要受彎曲，這些載荷是周期性變化的，近似地可看作脈動(dòng)循環(huán)載荷。當(dāng)曲柄處于上止點(diǎn)附近承受最大爆發(fā)壓力時(shí),曲柄臂承受最大彎矩，使曲柄臂與軸頸過渡圓角處產(chǎn)生很大的應(yīng)力。當(dāng)此應(yīng)力超過曲軸的疲勞極限時(shí)，即會(huì)導(dǎo)致彎曲疲勞裂紋的出現(xiàn)。

曲軸疲勞斷裂的特點(diǎn)有：第一，疲勞斷裂是脆性斷裂，是在長(zhǎng)期的使用過程中不斷磨損造成的，是沒有變形的，首先會(huì)產(chǎn)生裂紋，然后接下來(lái)磨損會(huì)加重裂紋，最終演變成曲軸斷裂。第二，疲勞斷裂是壽命的斷裂，斷裂應(yīng)力水平低于材料抗拉強(qiáng)度。

柴油發(fā)電機(jī)的曲軸在折斷之前發(fā)生的裂紋，如果及時(shí)的發(fā)現(xiàn)軸頸表層的縱向裂紋，在經(jīng)過磨削之后是可以消除裂紋的，然后曲軸就可以繼續(xù)使用；如果是橫向裂紋，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)大，這時(shí)要及時(shí)的更新曲軸，以免曲軸突然斷裂而造成一些人身安全事故。

3 柴油機(jī)的曲軸斷裂失效原因分析

柴油機(jī)曲軸斷裂的原因很多，可以從四個(gè)方面來(lái)分析：

3.1 材料的不合格和熱處理不當(dāng)

曲軸鋼材料的致密度差會(huì)導(dǎo)致熱處理淬火開裂，所以在鋼材料的選擇上要選擇熱工藝性較高的鋼材料。曲軸斷裂是脆性斷裂，這就要求曲軸的原材料脆性比較差，這樣能夠有效的避免曲軸的早期失效破壞。

曲軸的熱處理關(guān)鍵技術(shù)是表面強(qiáng)化處理。球墨鑄鐵曲軸一般均采用正火處理，為表面處理做好組織準(zhǔn)備，表面強(qiáng)化處理一般采用感應(yīng)淬火或氮化工藝。在熱處理過程中，如果淬火冷卻不足，就會(huì)形成大量的鐵素體和上貝體組織，這樣會(huì)使曲軸的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌度降低，造成曲軸的早期失效破壞。

3.2 曲軸鑄鍛毛坯質(zhì)量缺陷

曲軸鑄鍛毛坯的質(zhì)量影響的是曲軸的強(qiáng)度，毛坯的鑄鍛中應(yīng)該有四個(gè)方面的保證：第一，保證鑄件的壁厚要合適、均勻。第二，保證鑄造圓角要適當(dāng)，不會(huì)出現(xiàn)尖尖的棱角。第三，保證鑄件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，要有合理的模斜度，減少分型面。第四，保證強(qiáng)肋的厚度和分布合理，避免冷卻時(shí)鑄件變形或產(chǎn)生裂紋。由于毛坯質(zhì)量的好壞直接影響到曲軸的強(qiáng)度，當(dāng)強(qiáng)度不夠時(shí)就會(huì)極容易產(chǎn)生裂紋進(jìn)而產(chǎn)生曲軸斷裂，所以在鑄鍛毛坯時(shí)要嚴(yán)格按照規(guī)定，一步步鑄造出符合質(zhì)量要求的毛坯。

3.3 外加負(fù)荷的變化

船舶柴油機(jī)中，柴油機(jī)在船舶的使用過程中會(huì)受自然條件的影響而發(fā)生大幅度的振動(dòng)，由于自由端處一般沒有載荷的作用，在軸系振動(dòng)加大的情況下就會(huì)造成整個(gè)軸系的扭振節(jié)點(diǎn)集中于此，于是表面應(yīng)力就會(huì)加大，進(jìn)而就會(huì)比較容易產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致曲軸的斷裂失效。

3.4 潤(rùn)滑條件惡化帶來(lái)的裂紋的產(chǎn)生

曲軸的斷裂不是一瞬間的直接斷裂，在斷裂前會(huì)產(chǎn)生裂紋，如果不對(duì)裂紋進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚诮酉聛?lái)的循環(huán)磨損中就會(huì)演變成斷裂。裂紋的產(chǎn)生主要是由于潤(rùn)滑條件的惡化。潤(rùn)滑劑受污染、潤(rùn)滑劑老化、潤(rùn)滑劑質(zhì)量不好、軸承的潤(rùn)滑合理間隙不能保證都會(huì)影響潤(rùn)滑的質(zhì)量，導(dǎo)致潤(rùn)滑條件惡化。潤(rùn)滑不夠會(huì)加劇軸頸和軸瓦的磨損，然后就會(huì)產(chǎn)生裂紋。對(duì)于裂紋的處理上，如果是縱向裂紋，可以進(jìn)行相應(yīng)工藝的磨削消除裂紋，曲軸可以繼續(xù)使用；如果是橫向裂紋的話就需要進(jìn)行曲軸的更換了。

結(jié)束語(yǔ)

柴油機(jī)曲軸斷裂原因是多方面的，既有本身材料或熱處理的不規(guī)范，也有曲軸鑄鍛毛坯質(zhì)量的缺陷、外加負(fù)荷的變化以及潤(rùn)滑條件的惡化造成的裂紋，這些原因都會(huì)產(chǎn)生曲軸斷裂。曲軸是柴油機(jī)中比較重要的一個(gè)零件，造價(jià)也比較的高昂，當(dāng)曲軸斷裂，曲軸的壽命就終止了，也意味著需要重新?lián)Q曲軸，這也就增加了成本。對(duì)曲軸在材料的選擇、制作中工藝嚴(yán)格要求，以及在使用過程中進(jìn)行恰當(dāng)?shù)木S護(hù)管理，可以適當(dāng)?shù)奶岣咔S的壽命，從而降低成本。而且，由于曲軸斷裂會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全事故，進(jìn)行曲軸斷裂分析，在使用的過程中加以注意，可以在一定程度上減少安全事故的產(chǎn)生或降低安全事故帶來(lái)的影響。

[1]王曉青,夏水華.曲軸斷裂失效影響因素與影響機(jī)制研究[J].柴油機(jī)，2011,33(1).

[2]陳黃浦.大型柴油機(jī)曲軸斷裂失效分析[J].機(jī)械工程材料，2007,31(9).

[3]王金玉,侯佃平,范文章,王洪友.曲軸斷裂原因分析及解決方法[J].山東內(nèi)燃機(jī),2001(4).

[4]梁永榮.徐羅平機(jī)車柴油機(jī)曲軸斷裂失效分析[J].機(jī)車車輛工藝,2012(6).

[5]劉樹國(guó),李小泉.某型柴油機(jī)曲軸斷裂失效分析[J].內(nèi)燃機(jī)配件,2009(6).

[6]Paris P C，Erdogan F.A critical analysis of crack propagation.Trans Asme J Basic Eng，1963，85：528.