第二节_气缸盖和曲轴的疲劳破坏

第二节气缸盖和曲轴的疲劳破坏
一、气缸盖的疲劳破坏
1．气缸盖底面裂纹
柴油机运转过程中气缸盖底面在其工作条件下可能产生高温疲劳、蠕变和热疲劳破坏。

气缸盖底面即触火面承受着高温高压燃气的周期重复作用。

高温下高压燃气作用使底面发生弯曲变形产生机械压应力，并随柴油机工作循环周期重复变化。

一般情况下，气缸盖底面温度达400～500℃，有时可能超过0.5Tm (灰铸铁的熔点)。

当气缸盖冷却不良时就会超过0.5Tm，从而引起高温疲劳破坏。

当底面温度超过0.3Tm时，底面产生显著蠕变，从而使底面性应力大大降低。

气缸盖底面和冷却面的温差可达300～400℃，在底面和冷却面分别产生压、拉热应力，在柴油机停车或负荷突降时会使气缸盖底面压应力进一步降低、消失，甚至产生残余拉应力。

另外，柴油机运转过程中零件长期受到高温作用，使材料的疲劳极限下降，所以低频热应力过大时就会在气缸盖底面产生疲劳裂纹。

因此，当气缸盖底面产生裂纹时不能简单地视为热疲劳裂纹，因为底面裂纹可能是热疲劳裂纹，也可能是高温疲劳裂纹或蠕变裂纹，或者是三者共同作用产生的裂纹。

但是当发现龟裂裂纹时，则可断定为热疲劳裂纹。

2．气缸盖冷却面裂纹
气缸盖冷却侧分布着环形或其他形状的冷却水通道，在通道筋的根部产生机械疲劳裂纹，并向触火面扩展。

裂纹是气缸内最大爆发压力引起的周期性脉动应力作用的结果。

气缸内最大爆发压力作用在缸盖底面上使其发生弯曲变形，在冷却面上产生最大拉应力。

当冷却水通道筋的根部过渡圆角过小或者存在铸造缺陷时，在这些应力集中的部位就会产生裂纹或使铸造缺陷裂纹扩展，以致在周期脉动应力作用下裂纹自冷却面向触火面逐渐扩展，最终使缸盖裂穿。

零件在腐蚀介质和交变载荷共同作用下产生腐蚀疲劳破坏。

由于腐蚀与疲劳加速零件上的裂纹形成与扩展，所以是更严重的破坏。

气缸盖冷却面在冷却水中不可避免地产生微观电化学腐蚀；冷却面局部区域的冷却水还可能处于沸腾状态，使冷却水中可溶性盐类的酸根离子Cl-、SO42- 等与冷却面金属发生电化学腐蚀；当冷却水中溶解一定量氧时，冷却面金属被氧化，水温越高，氧化腐蚀越严重。

在以上腐蚀条件下零件材料的疲劳强度显著下降，在气缸中燃气的循环交变应力作用下产生腐蚀疲劳破坏。

综合以上分析，气缸中的燃气温度和压力对于气缸盖底面和冷却面上产生疲劳裂纹均有很大影响。

气缸盖乃至燃烧室的其他组成零件能否产生疲劳裂纹均与轮机员的管理工作密切相关。

为了避免产生热疲劳裂纹就不能产生过大的热应力，也就要求气缸盖等零件不能热态时急冷和冷态下急剧加热或使其过热。

例如，柴油机起动前不暖机或暖机不充分，起动后又立即增速增负荷；停车时过早中断冷却水，使机件散热不良或局部过热；长期超负荷；气缸盖冷却水腔结垢严重等。

二、曲轴的疲劳破坏
柴油机在运转中发生曲轴裂纹和断裂事故不为鲜见，尤其是发电柴油机曲轴疲劳破坏较多。

曲轴在回转中受到各缸交变的气体力、往复惯性力和离心力，以及由其所引起的弯矩、扭矩的作用，这些力不仅随曲轴转角变化，也随负荷变化。

因此曲轴在这些力的作用下发生弯曲和扭转变形，产生复杂的交变应力和引起曲轴的弯曲振动、扭转振动，从而又产生很大的附加应力。

曲轴的形状复杂，截面变化较多，刚性很差，存在严重的应力集中，容易产生疲劳破坏。

曲轴裂纹和断裂是属于高周低应力疲劳破坏。

其断裂应力甚至仅为l/3屈服极限，循环
周次高于l06～l07。

依曲轴产生裂纹的交变应力的性质不同，主要有以下三种疲劳裂纹：弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹和弯曲一扭转疲劳裂纹。

1．弯曲疲劳裂纹
曲轴的弯曲疲劳裂纹一般发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接的过渡圆角处，或逐渐扩展成横断曲柄臂的裂纹，或形成垂直轴线的裂纹，如图4-6所示。

弯曲疲劳试验表明，过渡圆角处的最大应力出现在曲柄臂中心对称线下方。

应力沿曲轴长度方向的分布是在中间的和端部的曲柄有较大的弯曲应力峰值。

因此，曲轴弯曲疲劳裂纹常发生在曲轴的中间或两端的曲柄上。

曲轴弯曲疲劳破坏通常是在柴油机经过较长时间运转之后发生。

因为长时间运转后柴油机的各道主轴承磨损不均匀，使曲轴轴线弯曲变形，曲轴回转时产生过大的附加交变弯曲应力。

此外，曲轴的曲柄臂、曲柄箱或轴承支座(机座)等的刚性不足，柴油机短时间运转后，也会使曲轴产生弯曲疲劳破坏。

典型的弯曲疲劳断口如图4-3所示。

2．扭转疲劳裂纹
曲轴在扭转力矩作用下产生交变的扭转应力，存在扭振时还会产生附加交变扭转应力，严重时会引起曲轴的扭转疲劳破坏。

扭转疲劳裂纹一般发生在曲轴上应力集中严重的油孔或过渡圆角处，并在轴颈上沿着与轴线成45°角的两个方向扩展。

这是因为轴颈的抗扭截面模数较曲柄臂的小，所以扭转疲劳裂纹多自过渡圆角向轴颈扩展，而很少向曲柄臂扩展。

但若同时存在较强的弯曲应力，则裂纹也可自圆角向曲柄臂扩展，造成曲柄臂弯曲断裂，如图4-7所示。

通常扭转疲劳裂纹发生在曲轴扭振节点附近的曲柄上。

发生扭转疲劳裂纹的时间一般是在柴油机运转初期和曲轴的临界转速位于工作转速范围内时。

扭转疲劳断裂的断口如图4-3，断面与轴线相交成45°角，断面上的裂纹线近似螺旋线。

3．弯曲—扭转疲劳裂纹
曲轴的疲劳破坏还可能是由于弯曲与扭转共同作用造成。

常常由于主轴承不均匀磨损造成曲轴上产生弯曲疲劳裂纹，继而在弯曲与扭转的共同作用下使裂纹扩展、断裂，最后断裂面与轴线成45°角，断口形貌如图4-8所示，断面上自疲劳源起约2/3的面积为贝纹区，呈暗褐色；剩余l/3的面积为最后断裂区，断面凹凸不平，晶粒明亮。

圆形波纹状纹理是弯曲疲劳造成的，放射状纹理是扭转疲劳造成的，两种纹理交织成蛛网状。

弯曲一扭转疲劳裂纹有时也呈以弯曲疲劳为主或以扭转疲劳为主的破坏形式。

因此，在具体情况下，应根据断面上的纹理、裂纹方向和最后断裂区进行分析判断。

生产中，曲轴的弯曲疲劳破坏远远多于扭转疲劳破坏。

其主要原因是由于曲轴弯曲应力集中系数大于扭转应力集中系数，曲轴的弯曲应力难于精确计算和控制。

柴油机运转中，曲
轴的各道主轴承磨损是很难掌握和计算的，由它所引起的曲轴变形和附加弯曲应力也就难于计算和控制了。

相反，曲轴的扭转应力可以通过计算准确掌握，并可采取有效的减振措施予以平衡，只要避免柴油机在临界转速运转和扭转应力过载，曲轴的扭转疲劳破坏就会得以控制。

三、防止或减少疲劳破坏的措施
防止或减少船机零件的疲劳破坏，从根本上就要消除或降低零件上的应力集中和附加应力，即消除或减少疲劳裂纹源和降低交变应力。

具体措施要从零件的结构设计和制造方面着手，对于轮机员来说则要从轮机管理方面来减少船机零件的疲劳破坏。

1.结构设计方面
(l)设计合理对于零件上截面变化处，如孔、键槽、过渡圆角、螺纹等处要注意截面变化不可突然，孔的边缘、过渡圆角处应圆滑，表面要光洁，例如曲柄过渡圆角半径不应小于曲柄销径直径的5%，否则就会产生严重的弯曲应力集中。

(2)改进不合理的设计设计不合理会引起附加应力导致零件的疲劳破坏。

例如62VT2BF型柴油机气缸套外表面上部凸缘根部产生裂纹，原因是结构设计不合理。

改进后缸套不再出现裂纹，如图4-8所示。

2．制造方面
(1)毛坯制造缺陷(如铸、锻件和焊接件中的气孔、缩孔、夹渣和微裂纹等)引起的应力集中，尤其是截面变化处缺陷更危险，容易形成裂纹源。

所以，制造中首先要提高零件毛坯质量。

(2)零件加工表面粗糙度等级低，太粗糙，应力集中严重，容易导致裂纹，例如要求曲轴采用渗碳、渗氮、碳氮共渗等表面化学热处理可有效地提高零件的表面疲劳强度。

球墨铸铁曲轴渗氮处理可使弯曲疲劳强度提高20%～29%。

采用喷丸、滚压等表面强化工艺也可显著提高零件表面的疲劳强度。

喷丸、滚压等工艺使零件表面产生冷加工硬化，从而产生很大的压应力。

例如，零件表面粗糙度为Ra 12.5～Ra 3.2μm，经滚压后提高为Ra 0.4～Ra 0.2μm，大大提高了疲劳强度。

曲轴过渡圆角滚压，可使钢曲轴疲劳强度提高20%～70%，球墨铸铁曲轴提高50%～90%。

滚压强化工艺广泛用于大型零件上。

3．轮机管理方面
加强对主、副柴油机的管理，尤其要加强曲轴的维护保养，对减少曲轴的疲劳破坏，延长曲轴的使用寿命和柴油机的正常运转十分重要。

(1)定期检测曲轴臂距差，监控曲轴轴线状态和监控主轴承下瓦的磨损情况，防止曲轴的弯曲疲劳破坏；
(2)加强主轴承润滑，定期检测主轴颈与主轴承的配合间隙，防止轴承下瓦过度磨损；
(3)柴油机运转时避免在转速禁区持续运转；
(4)加强扭振减振器的维护管理，保证其在运转中处于良好的工作状态。

复习思考题
1、什么是疲劳破坏？疲劳破坏可分哪几类？
2、断口形貌可分为哪三个区域？有何特征？
3、试阐述疲劳断裂的过程
4、影响零件疲劳强度的因素有哪些？
5、什么是高温疲劳？高温疲劳有哪些特点？
6、提高材料热疲劳抗力的途径主要有哪些？。