曲轴疲劳裂纹和折断的原因、损伤检查及修复

摘要：根据康明斯公司多年的经验和实践表明，弯曲和扭转疲劳断裂是柴油发电机曲轴的主要破坏形式，特别是曲轴弯曲疲劳断裂更为常见。疲劳破坏形式是指曲轴的横断面沿君轴线方向急剧变化，因而应力分布极不均匀，很难准确计算出应力，给出强度判据。尤其在曲柄臂和轴颈的过渡圆角部分，油孔附近会产生严重的应力集中。在循环应力作用下，在应力集中区便可能产生疲劳破坏。

      曲轴断裂往往从较小的裂纹开始，裂纹断裂部位大多发生在第一缸或最后一缸的连杆轴颈与曲柄臂的连接处。在运行过程中，裂纹逐渐扩大，达到一定程度时突然断裂。经常会发现断裂面上有一个褐色的部分，很明显是旧裂纹，发亮的组织是后来突然断裂的痕迹。实践证明，如果轴颈表面的纵向裂纹能在磨削后消除，就可以继续使用。但由于使用中受力较强，横向裂纹会逐渐扩大。当发现此裂纹时，应及时更换曲轴。其原因除与曲轴弯、扭大致相同外，还有以下几个方面。

① 光磨轴颈时，没有使轴颈与曲轴臂（曲柄）连接处保持一定的内圆角（一般要求轴颈的内圆角为1~3mm之间）引起应力集中而使曲轴断裂。

裂纹较初常发生在主轴颈或连杆轴颈与曲柄臂过渡圆角处应力集中严重点，随后逐渐发展成横断曲柄臂的疲劳裂纹。

3.由于曲轴箱刚度不够，主轴颈变形太大，引起不均匀磨损，造成不同轴，致使附加弯矩过大。这时断裂常发生在运行较长时间之后。

裂纹起源于过渡圆角或油孔，且只有一个方向裂纹，裂纹与轴线.由于不对称交变转矩引起较大应力，致使疲劳破坏。

      根据受力的大小，容易造成曲轴疲劳的部位如图1所示。由此，造成曲轴断裂属于常见现象，其断裂后的状态如图2所示。由于曲轴断裂的方向是从主轴颈圆角处开始，最后横断整个曲柄臂，说明曲轴主要是弯矩作用下的疲劳破坏，所以计算中不考虑扭转应力。为简单起见，初步认为在活塞上止点时，由于爆发压力的作用，使曲轴内部弯曲应力较大，下止点时应力较小。康明斯公司选取了此款柴油发电机较大转矩点工况进行分析，此时，柴油发电机爆发压力较大，曲轴所受的弯曲应力也较大，对柴油发电机在上止点附近的较大爆发压力点和下止点分别进行了有限元静力分析，得到主轴颈断裂处的弯曲应力数值，为此处的圆角疲劳强度计算提供了计算依据。该曲轴的材料为40Cr整体调质（断裂圆角处为车削加工，未做特殊处理），查得该曲轴材料的弹性模量E＝206 GPa，剪切模量G＝79.38 GPa，泊松比u＝0.3，抗拉强度σb＝750 MPa，屈服强度σs＝550 MPa、弯曲疲劳极限σ-1=350 MPa。

      柴油发电机在较大转矩点、1个做功循环内的缸内燃气压强如图3所示，分析得知，在曲轴转角14°附近，缸内燃气压强达到峰值约为80 bar，选取此位置对整个曲柄连杆机构进行受力计算，为圆角处较大应力的有限元计算提供载荷条件。

      如图3所示，较小弯曲应力时的曲柄连杆机构受力在a＝180°（爆发下止点）时，气体爆发压力约为1 153 N；a＝540°（换气下止点）时，爆发压力约为347 N。为得到圆角较小弯曲应力，选取a＝540°作为计算工况点，此时β＝0°，求得机构受力情况。

      曲轴疲劳试验的主要目的的评估曲轴的疲劳强度。试验是在专门的疲劳试验机上进行的，它通常是液压驱动，模拟发电机运行时曲轴上所受到的相应载荷。曲轴疲劳试验分析过程如图4所示。

试验的区间应该是曲轴的圆角，可以用不同的方法增加弯曲疲劳强度，例如滚压和淬水。可以用EXCITE软件计算发电机运转期间的曲轴疲劳强度。计算出曲柄销圆角较低安全安全系数(在较大疲劳破坏载荷)，然后用于试验件的弯曲载荷试验的载荷确定。这个意味着弯曲载荷的条件应该用于曲轴疲劳分析的基础上进行。疲劳强度的分析应结合至少两个曲柄销的圆角区域的金相分析检测，另外曲柄销的圆角区域的微硬度测量也应该做，因为他决定于硬度型线。曲轴截面上多点硬度测量结果进行。

     曲轴裂纹多发生在连杆轴颈端部或曲轴臂与曲轴轴颈的结合处。其检查方法有以下几种。

磁粉检测后裂纹的宏观形貌见图5。裂纹大致相互平行，垂直于磨削方向，排列规则，呈细小、聚集、断续串接特征。轴颈圆角及主轴颈高频感应淬火层深度为3~6mm，与轴颈垂直的磨削平面高频感应淬火层较深为8mm，见图6，均超过产品技术要求。

      先清除黏附在曲轴表面上的油污，然后用煤油或柴油浸洗整个曲轴，再取出曲轴将其抹拭干净，最后将曲轴的两端支撑在木架上，用小手锤轻轻敲击每道曲轴臂。如发出“锵、锵”（连贯的尖锐金属声），则表示曲轴无裂纹；如发出“波、波”（不连贯，短促的哑金属声），则表示曲轴有裂纹。然后在这附近容易产生裂纹的部位，用眼看或用放大镜仔细观察，如发现油渍冒出或成一黑线的地方，就是裂纹之所在。

      将曲轴洗净浸在热油（机油）中约2h，让油进人裂缝，取出抹干后，用喷枪把“石灰乳液喷到曲轴上使其干燥（石灰乳液是清洁的白垩和酒精的混合液，其比例为1：10-1：12），或用气焊火焰将曲轴上的喷层加热至70~80℃。这时，白垩便吸收储存在裂缝中的油液，这部分白垩便成暗色，显示出裂纹的形状。

      曲轴有了裂纹或折断，可用“焊修”的方法进行修复，其工艺要点简述如下。

      先将曲轴放在碱水中煮洗清洁，除去油污，再用凿刀沿着裂纹表面凿成“U”形槽。槽深以不见裂纹为好。槽的底部呈圆弧形，槽口的宽需根据裂纹的深度、长度和形状等情况来决定。然后进行校正，使曲轴的弯曲摆差不超过规定范围。最后，将曲轴装在专制的焊架上，或装在汽缸体上，并在曲轴与焊架或汽缸体之间垫以铁质衬瓦。再将轴承盖用螺栓紧固，避免曲轴在焊接过程中弯曲变形。如果焊接折断的曲轴，需按曲轴折断的原痕找出中心缝，用电焊在断缝两侧先点焊几点，再在裂缝未电焊的两面开槽后焊接。

（1）首先保证材质符合技术要求，以避免曲轴在运行中所承载的载荷远远超过曲轴本身的疲劳极限而引起过载断裂。

      改善曲轴的疲劳性能，是降低曲轴断裂的关键，圆角滚压是曲轴强化的非常有效的措施，同时它也是提升企业竞争力的核心技术。

像圆角滚压强化、氮化圆角强化、感应淬火圆角滚压强化等复合强化工艺是较有效的强化手段，即提高了曲轴的疲劳强度，又改善了曲轴表面的耐磨性。仅就圆角滚压来说，能使曲轴产生表面压应力，提高表面硬度，改善表面光洁度，结果提高整体的疲劳强度。现在各发电机曲轴生产厂家常用的是圆角沉割滚压强化，提高疲劳强度约80%以上，大幅度降低断轴率。

     沉割滚压原理：在曲轴圆角处加工沉割槽，使用滚压技术，滚压轮在接触压力下沿着沟槽圆周方向移动台山发电机租赁，根据金属变形理论，零件表面在外力作用下，被滚压金属的原子间距离会暂时减小或晶粒间产生滑动，当外力达到一定数值时，被加工表面金属除产生弹性变形外，还形成塑性变形。由于塑性变形的产生，使零件被加工表面的形状、组织结构和物理性能都发生了变化，在圆角表层内产生一定残余压应力，使金属表面得到强化，提高了零件表层冷作硬化硬度，压平了微观不平度，降低了零件的表面粗糙度，被滚压金属表面的强度极限、屈服极限和疲劳极限都有提高。

      滚压效果与曲轴设计尺寸、材料强度、滚轮尺寸、滚压力、圈数等有关，在实际应用中，应根据产品的特点进行滚轮、滚压力、压入角、滚压圈数等的选择，力求能充分发挥出曲轴材料、圆角滚压的优势作用，提升产品的品质。 

      柴油发电机曲轴工作过程中的断裂，是非常严重的失效事故。有材质、机加工、装配、使用、维护等多方面的原因，由此，分析曲轴断裂机理、规律，优化制造工艺方案、严格控制生产以及装配过程，合理的使用、定时保养维护以及更换，确保曲轴的质量要求和使用要求能满足柴油发电机正常运行的需要，特别严禁在运行过程中的违规操作，尤其通过提升曲轴本身的疲劳性能，可显着地降低断轴率。