车用发动机连杆的失效分析_古莹奎

2011年第30卷2月第2期机械科学与技术Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering February Vol．302011No．2收稿日期：2009－11－09基金项目：江西省自然科学基金项目（2007GQC0654）和江西省教育厅科技项目（GJJ09245）资助作者简介：古莹奎（1976－），教授，博士，研究方向为可靠性与优化设计等，guyingkui@163．com ，古莹奎车用发动机连杆的失效分析古莹奎，唐淑云，周志博（江西理工大学机电工程学院，赣州341000）摘要：通过对车用发动机连杆累积故障数据的分析，对发动机连杆的失效规律、失效原因和失效机理进行研究。

从统计学的角度对连杆外反馈可靠性信息，包括产品型号、装机时间、启用时间、报修时间、故障现象、故障模式等进行统计分析，结合Weibull 分析方法寻找其失效规律；微观层面，通过对具体失效样本的组织结构、材料属性、工艺特征、热处理工艺及其他可靠性信息的分析，找到其失效的更深层次的原因和失效机理。

关键词：连杆；失效数据；Weibull 分析；失效模式中图分类号：TP361文献标识码：A文章编号：1003-8728（2011）02-0256-03Fault Analysis for the Connecting Rod of an EngineGu Yingkui ，Tang Shuyun ，Zhou Zhibo（School of Mechanical and Electronic Engineering ，Jiangxi University of Science and Technology ，Ganzhou 341000）Abstract ：A failure data analysis method for the connecting rod of an engine is proposed based on the analysis of accumulated failure data．By using this method ，the fault law and fault mechanism is determined．The external feedback reliability information of the connecting rod ，including product model ，assembling time ，first using time ，report time ，failure phenomenon ，failure mode ，and so on ，were analyzed to find the failure law by using statistics and Weibull analysis method．The fault mechanism is found through the analysis of the organization structure ，ma-terial properties ，process features ，heat treatment process and other reliability information of the fault sample．Key words ：connecting rod ；fault data ；weibull analysis ；fault mode 连杆是车用发动机的重要部件，从对车用发动机的失效历史数据的分析来看，连杆的失效概率非常高，而且其失效模式与失效原因具有多态性，其本身结构的复杂性、制造工艺、热处理工艺、工况的恶劣程度、使用频率、以及设备维护、维修等因素均可能造成失效［1］。

在探寻连杆失效原因方面，常常采用显微硬度机、光学显微镜和扫描电子显微镜等分析手段，从组织结构方面对连杆失效原因进行分析［2，3］；或采用运动学和动力学相结合的分析方法，模拟分析连杆的工况，从疲劳失效方面寻找造成失效的原因［4］。

笔者通过对同批次实际失效样本的分析，从统计的角度对发动机连杆外反馈可靠性信息进行统计分析，寻找其失效规律，通过对具体失效样本的分析，找到连杆失效的更深层次原因。

1故障数据的来源及预处理发动机在运行过程丧失规定的功能而发生的运行故障是一种随机现象，要揭示其发生的内在规律，并加以数学描述，首先需采集大量实际运行样本数据。

实际运行样本数据是产品实际质量状况的真实反映，是产品使用可靠性的直观描述。

可靠性数据的描述根据其对象的各种不同功能而采用相应的变量，对于发动机，一般采用行驶里程作为描述其可靠性的变量。

发动机故障数据主要来自于制造和装配日记、故障报告、试验报告、检验日记、现场故障报告等方面的记录。

由于故障数据庞大，在进行分析前，须对第2期古莹奎等：车用发动机连杆的失效分析数据进行筛选。

根据用户输入的检索条件，如产品型号、机型号、装机时间、启用时间、报修时间、故障现象、故障模式等，对以下内容进行检索汇总［1］：（1）检索各零部件发生故障的里程并按大小进行排序。

（2）检索同一零部件的不同故障模式并按频率高低进行排序。

（3）检索同一零部件的月故障率并按月故障率高低进行排序。

（4）检索一定时期内发动机所有零部件总的故障情况并按故障率高低进行排序。

（5）对同一零部件按故障严重度分类检索并按故障率高度分类排序。

在大量故障数据中，由于统计者的过失误差以及随机误差的影响，不可避免地会存在异常数据，如果不把这些数据剔除，势必会影响分析结论的精确性。

对于大量已经得到的数据，可以用数据统计学的方法加以判断，其基本思想是给定一定的置信水平，并确定一个置信区间，按照处理结果，凡不落在区间内的数据即为异常数据，应予剔除。

2Weibull 分布的数学模型Weibull 分布模型用于描述某零部件在单一失效模式下的失效发生规律。

发动机零部件的疲劳强度、疲劳寿命、磨损寿命、腐蚀寿命及由许多单元组成的系统寿命等多服从Weibull 分布。

若随机变量T 服从Weibull 分布，其失效密度函数和失效分布函数分布为［5，6］f （t ）=βδt －γ()δβ－1exp －t －γ()δ[]β（1）F （t ）=1－exp －t －γ()δ[]β（2）式中：γ为位置参数，表示分布曲线的起始位置；δ为尺度参数，又称为特征寿命；β为形状参数。

β取不同值时，威布尔曲线有不同的形状。

当β＜1时，失效率随着寿命的增长而下降，可以描述为早期失效，失效原因主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、起动不当等人为因素所造成；当β=1时，失效率近似为常数，失效主要是非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成；当β＞1时，失效率随着寿命的增长而明显上升，失效原因主要是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓耗损的原因所引起的。

发动机零件的失效多具有多态性，同一零部件具有不同的失效模式，而同一失效模式又可能具有不同的失效现象和失效原因［7］。

在进行失效数据分析时，对失效数最高的失效模式按照从低到高的顺序进行排序，从而得到失效频率最高的前n （n 由用户指定）个失效模式，应用Weibull 数据分析方法对该失效模式进行分析，当通过失效数据分析得到零部件失效分布的Weibull 分布参数后，可以从宏观上分析其失效的原因，计算其相关的可靠性指标，并进一步通过其他各种分析方法和手段，如可靠性试验、理化分析等，对零部件的深层次失效原因和失效机理进行探究。

3发动机连杆失效数据的Weibull 分析以同批次发动机连杆总成的失效数据进行统计分析为例，从失效数据库中调取同批次一年期间内的发动机连杆失效数据，发动机总台数1075台。

经失效统计，总失效台次为232次，失效模式有断裂、干磨、磨损、铸造缺陷、异常磨损、弯曲变形、裂纹、拉伤、脆裂、尺寸不合、塑性变形、干涉、加工不当、松脱、异响等。

其中失效率排在前6的失效模式为断裂（32次）、磨损（30次）、裂纹（28次）、异常磨损（22次）、脆裂（18次）、铸造缺陷（15次）。

对失效率最高的连杆断裂这一模式，Weibull 分析的失效数据拟合图形如图1所示。

图1失效数据拟合图形从失效数据的统计分析来看，失效件的失效里程较大，大多超过一万公里，甚至达到十几万公里，里程跨度小。

运用Weibull 分析方法进行分析，形状参数β为1.5049，大于1，初步可以判定该机连杆故障属疲劳失效，不属于生产控制或设计方面的问题。

4发动机连杆失效的原因及机理分析针对该批次的连杆，对某一失效样本进行分析，752机械科学与技术第30卷寻找失效原因。

连杆总成的断裂情况如图2所示。

分析失效现象表现为：连杆总成断裂，其中一片连杆瓦完好，另一片受撞击变形。

连杆体从杆部断裂，一个连杆螺栓（为1#）分别从头部过渡处及螺纹处断裂，另一个连杆螺栓（为2#）从螺纹处断裂。

连杆体靠大头段的断口，断口表面已被严重碰撞。

靠近主断口附近的侧表面处还存在一道裂纹。

图2连杆总成断裂的情况从表面上看，1#螺栓杆部残件的光杆段被挤扁，螺纹段弯曲，螺纹处断口的中间区域较平坦，呈纤维状，边缘处为剪切唇。

2#螺栓从螺纹处断裂，螺纹段弯曲，断口的中间区域较平坦，也呈纤维状，边缘处为剪切唇。

对连杆体主断口附近处的裂纹打开后所得到的断口进行分析。

图3为断口的形貌，源区处为一点状源。

源区处为凹坑状，源区旁边的侧表面存在缝隙，裂纹扩展区存在疲劳条带，表明此裂纹属疲劳开裂。

图3断口的形貌图4源区处的形貌对靠小头段的断口进行分析。

图4为断口源区处的形貌，可见放射状棱线收敛于图中箭头所指处，为源区。

对源区进行放大后可见裂纹扩展区存在疲劳条带，表明连杆体主断口属疲劳断裂，最后断裂区的微观形貌为韧窝。

对螺栓头部断口进行分析。

整个断口均为抛物线状韧窝，已可以判断属过载断裂。

对连杆体金相组织进行分析，发现无明显夹杂物，回火索氏体，边缘局部贫碳，深度≤0.01mm ，硬度34HRC 。

对连杆体主断口附近处的裂纹进行检验，以裂纹打开后的断口作为检验面。

对应源区处为一凹坑，缝隙间夹有夹杂物。

凹坑处的次表面存在少量块状铁素体，而表面处无铁素体，缝隙周围基体金属的纤维流线顺着缝隙的形状分布。

上述分析表明：连杆体主断口及主断口附近处的裂纹均属疲劳断裂。

两个连杆螺栓螺纹处的断口属于过载断裂。

连杆体的断裂性质不同于连杆螺栓。

由于疲劳裂纹的扩展需经历一段时间，而过载断裂为快速扩展，经历的时间短。

可以判断：连杆体断裂在前，连杆螺栓断裂在后。

连杆体属疲劳断裂，裂纹起源于表面凹坑处。