某单缸柴油机曲轴断裂失效分析及改进措施

摘 要：针对市场单缸机发生曲轴断裂现象，对故障件进行了故障模式分析，并进行了金相组织分析、化学成分检测、力学性能检测、圆角滚压检测等。结果表明：该型号曲轴断裂是由于圆角滚压不合格导致的典型的弯曲疲劳断裂，通过更新滚压设备来提高连杆颈R角质量。

关键词：柴油机；曲轴；断裂；故障分析；改进

2011年至2012年，柴油机用户在使用初期，由于发生曲轴连杆颈断裂现象，导致整机动力功能无法实现。尤其是在云南地区断裂现象比较严重。

一、故障描述

公司下属企业曲轴公司对返司故障件的断裂特征进行了统计分析：断裂特征为：一是沿轴颈与曲轴圆角过渡区呈45度角，如图1所示；二是呈典型的高周疲劳断口。从断裂位置看：长头断裂占总数的70%，其余为短头断裂，如图2所示。大量的证据表明：曲轴断裂，80%是弯曲疲劳断裂，其它是扭转应力断裂。

二、原因分析

（一）金相组织检测

对断裂曲轴进行金相组织检测，如表1所示。从表中可以看出该曲轴金相组织符合技术要求。

（二）化学分析检测

对断裂曲轴进行化学成分检测，如表2所示。从表中可以看出该曲轴化学成分符合技术要求。

（三）力学性能检测

对断裂曲轴进行力学性能检测，如表3所示。从表中可以看出该曲轴的本体抗拉强度、相对延伸率、本体硬度均符合技术要求。

（四） 圆角滚压检测

曲轴R角滚压的作用：滚轮在外力作用下，使曲轴圆角部分产生局部的塑性变形，表层一定深度范围内出现双向残余应力。由于残余应力的存在能抵消一部分工作拉应力，同时，曲轴圆角滚压后，消除了因机加工产生的应力集中源，削减应力峰值，从而提高了曲轴的疲劳强度。

公司技术要求滚压力为18～22kgf，滚压圈数8～10圈，无滚压痕迹。现场对断裂曲轴进行了观察：连杆颈R处圆角有明显刀痕，过渡不自然，从而导致连杆颈R处部位应力过大。同时观察现场滚压次数为4～6圈，没有严格按照技术要求执行。

三、改进措施

（一）更新滚压设备

相关公司曾对国内外的曲轴各种表面强化工艺的研究和使用作了全面的调研，并加以规纳总结。得出的结论是：在提高曲轴弯曲疲劳方面，圆角滚压最为有效。而公司目前原有两台滚压设备由于使用年限较长，在设备运转过程中，受人为因素影响较大，特别是滚压圈数会被操作者自行更改，从而无法满足工艺设定的要求。为此公司专门重新采购了一台曲轴圆角滚压数控设备。固化了滚压时间和速度，有效保证滚压效果。曲轴连杆颈R角滚压技术要求如表4所示。

（二）连赶颈结构更改

尽管公司已初步找出曲轴连杆颈R角滚压技术不达标是曲轴断裂的重要因素之一。为了进一步增加曲轴连赶颈强度以及曲轴在工作时的可靠性，设计部门进过校核，同意将连杆颈净化室孔改成整体式，如图3所示。这样可进一步提高曲轴弯曲疲劳强度。

四、结语

为验证上述两项改进的有效性，公司对市场上曲轴断裂数量进行了统计分析。2012年曲轴断裂故障率为0.15%，2013年1-5月份为0.12%；2013年6-10月，曲轴断裂故障已下降至0.055%。

上述数据表明，曲轴连杆颈R角滚压及净化室结构的改进，对曲轴断裂故障率的下降起到了一定效果。

参考文献：

[1] 中国铸造协会.铸造工程师手册（第3版）[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

[2] 杨运勤.曲轴滚压工艺参数的优化设计[J]. 厦门城市职业学院学报，2012，（3）：60-63.

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