如何预防柴油机曲轴断裂

如何预防柴油机曲轴断裂
摘要分析12V135柴油机曲轴断裂的主要特征；指出影响曲轴断裂的主要原因有曲轴扭振临界转速、不平衡离心力引起的不平衡载荷、修理方法不当、恶劣工况与局部结构不合理等因素；提出预防解决曲轴断裂的措施。

关键词柴油机曲轴扭振临界转速疲劳源动平衡
12V135柴油机是我厂外雇发电机中的主要设备。

柴油机曲轴是柴油机重要的部件。

曲轴工作时，承受着拉、压、弯等周期交变应力作用和扭转振动，受力复杂。

以12V135柴油机连续出现曲轴断裂事故为例，探讨曲轴修理和使用过程中，如何预防曲轴断裂问题。

一、曲轴断裂面特征
1.曲轴断口与位置
所有曲轴断口上均有明显的光滑区和粗糙区。

说明曲轴是在疲劳破坏下发生断裂的。

曲轴外部形状尺寸突然变化，具备局部应力集中的条件，在复杂的拉、压、弯、扭等周期交变应力作用和扭转振动作用下，会在应力集中处首先形成初始微观裂纹，分散的微观裂纹经过集结沟通，将形成宏观裂纹即疲劳源。

裂纹扩展过程中，裂纹的两个侧面在交变载荷下，时而压紧，时而分开，多次反复，形成断口的光滑区。

粗糙区则是在裂纹达到临界零件尺寸后，在应力循环次数较少的情况下迅速断裂形成的。

在所考察的曲轴中，断裂位置均发生在主轴颈与连杆轴颈之间和连杆轴颈段（图1），有两种情况：(1)在主轴颈圆角处与连杆轴颈圆角处之间的A—A截面。

主轴颈过渡圆角处具有明显的占截面较小份额的光滑区，而其对面的连杆轴颈过渡圆角处具有较大的粗糙区，说明裂纹是先从主轴颈过渡圆角处产生的，逐步扩大之后，通过曲柄臂发展到连杆轴颈过渡圆角处断裂开。

(2)在连杆轴颈靠近曲柄的圆角处的B—B截面。

用同样的方法可以判断出裂纹是先从连杆轴颈过渡圆角处开始产生，逐步斜向远离曲柄位置发展，扩大之后断裂。

2.各曲轴断裂情况
在多根断裂的曲轴中选出6根见表1，表1中连杆轴颈和主轴颈编号是从飞轮端开始的。

二、曲轴断裂原因分析
在近似稳定的交变载荷下，柴油机曲轴一般能达到正常使用寿命。

但是，发生比正常寿命提前许多的断裂情况，往往是与大修过程中磨轴修理、矫直等措施不当分不开的。

1.不平衡载荷的影响
(1)不平衡重量。

在磨曲轴时，连杆轴颈尺寸变小后，与原始出厂相比，重量会减小。

(2)不平衡力臂。

曲轴弯曲所采用的磨主轴颈的方法来保证各个主轴颈的同心度工艺，会导致主轴重量减小，主轴轴线向曲柄方向平移，产生不平衡力臂。

表1 各曲轴断裂情况
(3)不平衡转矩。

不平衡重量和不平衡力臂导致不平衡转矩产生。

例如：假设一个平衡块重13.5kg，该块平衡块因旋转轴线平移0.2mm，则可产生270g•cm 的不平衡转矩；若两块平衡块因旋转轴线的平移0.2mm，则可产生540g•cm的不平衡转矩。

如果φ130mm的连杆轴颈磨去两级（0.5mm），则其重量减轻99.998，在曲柄旋转半径105mm处减少1050g•cm的不平衡转矩；与之相对应的平衡块处，就多出1050g•cm的不平衡转矩。

因为，这两个不平衡转矩在一个方向上，总的不平衡转矩相加后可达15908g•cm。

曲轴旋转运动时，不平衡转矩加剧了曲轴的扭振作用。

由于第4主轴颈大约在整个曲轴的中间位置，曲轴上各横向载荷作用下产生的弯矩叠加后，在曲轴的中间位置达到最大，弯曲应力也达最大；而不平衡离心力引起的附加弯曲应力在此处也达到最大，这就是所分析的6根曲轴都在第4主轴颈附近断裂的主要原因，所受弯矩方向在第3曲柄和第4曲柄的反方向上。

以上分析表明，在柴油机曲轴的修理过程中，不平衡离心力对曲轴的工作影响不可忽视，应想办法消除不平衡离心力对曲轴寿命的影响。

2.扭振临界转速的影响
柴油机运转时，曲轴系统受到大小和方向周期性变化着的气体压力和运动
零件惯性力的作用，这些力会使曲轴相对于飞轮发生扭转变形而引起扭振，即强制振动。

柴油机运转时，易在工作转速范围内发生强烈共振，发生共振时的曲轴转速即临界转速，轻则引发较大的噪声，加剧与曲轴相连齿轮系的磨损，重则使曲轴扭断。

12V135型柴油机曲轴的自振频率是8400次／min，当柴油机的转速为临界转速的某一分数时，曲轴的扭振振幅也可以超出允许限度。

通过计算可知，12V135型柴油机曲轴的主临界转速为1400r/min，次临界转速为933r/min。

如果柴油机工作过程中，把其转速设置在这两个转速附近，对曲轴来说都是比较危险的。

3.修理方法不当的影响
(1)渗氮层厚度的减少。

原厂的柴油机曲轴颈表面经氮化处理，具有较高的耐磨性。

经过磨修后，轴颈表面渗氮层的厚度减少，降低了曲轴的抗疲劳性和耐磨性。

(2)未进行动平衡调试。

曲轴经过磨修或矫直后，若不进行动平衡调试，未使不平衡载荷得到有效控制，曲轴的疲劳强度会大大降低。

(3)过渡圆角变小。

经过磨修后的曲轴，各个过渡圆角半径R比设计图纸上标注的小，致使曲轴过渡圆角处应力集中加大，易促成曲轴在此产生初始微观裂纹。

4.局部结构不合理的影响
主要原因是连杆轴颈表面油道口的位置及油道方向不当，致使在局部形成的油膜质量变差，导致曲轴的连杆轴颈内侧磨损大，轴颈椭圆度超差，从而磨修曲轴，进而导致不平衡载荷的产生。

尤其是当活塞处于膨胀做功下行过程中，连杆轴颈旋转到某特定位置时，使其承载宽度变小，单位面积上承受的压力相对较高，油膜易遭破坏；其次，当连杆大头中心旋转至主轴轴线以下位置时，连杆轴瓦内表面相对连杆轴颈表面滑动速度较低，油膜厚度变薄，均使轴颈表面产生磨损；油道方向不当也降低了润滑油的相对流动速度，致使所形成的油膜质量变差。

除此之外，曲轴意外负荷突增、冲击、使用维护不当，均可促成曲轴断裂。

三、预防曲轴断裂的措施
1.设置柴油机工作转速时，避开临界转速，即1400r/min和933r/min。

2.改变连杆轴颈表面油道口位置和油道方向。

当连杆轴颈表面承受连杆较
大的单位面积作用力时，避免油道口附近表面处于较高压力位置；通过改变油道方向提高润滑油的相对流动速度，从而改善连杆轴颈内侧磨损大的现象。

避免在一次大修周期内连杆轴颈偏磨或减小连杆轴颈偏磨，就可以在大修时按照修理标准要求不磨曲轴或减少磨削量。

3.加大过渡圆角半径。

使得R/D>0.05或R=0.05～0.06D(R—圆角半径，D—主轴直径或连杆轴径)，减小有效应力集中系数。

4.渗氮。

磨轴磨削量超过一定厚度后，进行表面渗氮处理，以增加曲轴的耐磨性和抗挤强度。

5.做动平衡试验并配重。

每次曲轴磨修完后，做动平衡试验并配重，保证大修质量。

此外，为了方便每次大修时曲轴动平衡试验，建议厂家：①在加工平衡块时，在安全、牢固、方便、合理的位置上预先安置小“砝码”，通过调节“珐码”位置来配重。

例如：对于12V 135型柴油机，其曲轴尺寸较大，平衡块比较大。

可在连杆轴颈轴线相对于主轴轴线的对称位置或其径向延长线上做一个紧配合的螺柱，其中间设置一个内六方形的通孔，插入内六方扳手，就可调节螺柱的位置。

柴油机大修磨轴后，通过调节螺柱的位置或减轻其重量，即可达到调节动平衡的作用。

②厂家在做动平衡调试时，应考虑单个连杆轴颈油道内机油重量（约0.17kg）对动平衡的影响。

6.严格认真执行柴油机使用、维护、修理相关标准与规定。

参考文献
1 许汉立，方之昌．内燃机润滑与用油．中国石化出版社，1997
2 廖佩金．内燃机．石油工业出版社，1999
3 周保龙，内燃机学．机械工业出版社，2005。