柴油机曲轴失较分析： 柴油机曲轴失较分析.doc 装配图.dwg 本首先简要介绍了失效分析的基本概念、失效的主要来源及模式、常用的失效分析方法及技术和失效的系统分析方法。失效分析技术有感官检查诊断技术、痕迹发现技术、断口和裂纹分析技术、化学成分分析技术、性能测试技术、无损检验技术、宏观残余应力测试。本对河南柴油机厂生产MWM＿V1型柴油机曲轴断裂进行了失效分析，MWM＿V12型柴油机曲轴断裂原因分析结果表明该曲轴材料的冶金缺陷是导致疲劳裂纹在正常工作应力下过早形成的原因。同时轴颈表面硬度不均匀，淬硬层分布不甚合理；工作过程中润滑条件较差，促进了曲轴的早期断裂。 本文还利用系统分析方法中的故障树分析法描述了轴类零件断裂的各种可能原因，在工作过程中所受到的载荷进行系统的分析。为曲轴断裂诊断知识的获取提供了实际知识库基矗 本章分析了MWM-V6型柴油机曲轴断裂原因，结果表明锻件过热过烧是导致断裂的直接原因；曲轴热处理工艺不规范、不完善，曲轴工作润滑条件不良加速了曲轴断裂。本章还对加强生产过程中的质量管理和失效分析工作提出了意见． 该MWM-V6型柴油机曲轴，作为某渔船主机，于1997年11月装船作业，至1998年1月发生曲轴断裂事故。断裂发生于B1缸连杆轴颈，属典型的早期断裂。 该曲轴采用42CrMo电渣重熔钢制造，其主要工艺流程为： 下料-模锻-调质-冷加工-中频感应淬火-回火-精磨。大约同期出厂的一批柴油机发生多起类似的断轴事故。 其模锻件由模锻件厂供货，其他工序在柴油机生产厂完成。中频淬火只对轴颈平直段进行，轴颈与曲柄连接的过渡圆角部位，因后续磨削工艺装备尚未完善而不进行中频淬火处理。按技术条件规定轴颈经表面淬火后，其硬度达586HRC。 MWM机型是我国近年来引进的柴油机系列产品，目前正处于技术消化和应用推广阶段，其生产过程中，因某些工艺环节尚存在不尽完善或不太合理的地方而影响产品质量，导致个别零件早期失效，是在所难免的，属于发展中的问题，需在实践中不断改进，日臻完善，完成国产化进程。但该MWM-V6机因曲轴断裂，使整机寿命只有几十个小时，当属严重的质量事故。对此类事故，若不查明原因，采取改进措施，防止类似事故重复发生，该产品将丧失其机械产品信誉和竞争能力。 3.1实验结果与分析 3.1.1断裂宏观检查 该连杆轴颈靠近断口一端严重磨损，表面粗糙，呈焦油色，该区域内的断口表面也呈焦油色。整个断口表面较粗糙，部分呈粗糙的贝纹花样，贝纹间隔为3-5mm,属疲劳断裂区；部分为静段区，呈暗灰色，其中两处有石状断口特征。疲劳区约占断口总面积62 3.1.2轴颈表面残余应力测定 轴颈表面残余应力测定利用ｘ射线方法测（211）衍射谱线半高宽确定轴颈表面残余应力，测试结果表明，在过渡圆角未淬火部位出现残余拉应力约35MPa，己淬火表面均为残余压应力，轴颈中段残余压应力平均为800MPa，如图3.8。 图3.8连杆轴颈表面淬火后沿长度分布残余应力 ３.２讨论 上述结果表明，该曲轴锻造过烧，导致晶界氧化物和晶界开裂等不可消除的缺陷，是构成石状断口的本质原因。又因终锻温度过高导致大量非金属夹杂物质点沿晶界析出，严重地削弱了晶界结合力，造成材料疲劳强度的严重损伤。裂纹源于曲柄／连杆轴颈的过渡圆角处，此处存在应力集中：测得圆角半径，6.5ｍｍ，根据应力集中手册ｔ，该处弯曲应力集中系数为Ｋｒ(b)＝1.93，扭转应力集中系数K＝1.58。显然，这里应该进行强化。 洛氏硬度的测试结果表明，该轴的表面淬火硬度较技术要求低约25％，导致材料的疲劳极限也损失约25％；同时热处理工艺中对曲柄／轴颈圆角处没有进行淬火处理。从抗疲劳失效的角度考虑，圆角部位是最应该强化的地方，但在本曲轴上却成为最削弱的地方。冶金因素造成的材料损伤与轴颈结构强度特点的迭加，必然在圆角部位首先形成裂纹。 前己述及，该曲轴工作过程中润滑不良，轴颈磨损严重，这也必然导致轴颈所受扭矩增大，对于扭转载荷来说，连杆轴颈成为最薄弱环节，裂纹形成后向轴颈内部扩展并表现出剪应力起主导作用的裂纹特征，形成斜断口。 当裂纹扩展到接近最终裂纹尺寸时，将会引起过量变形，从而影响运动精度，随之而来的是震动和噪音加大，磨损加剧，局部温升，抱轴等，以致残留的轴颈截面被扭断。轴颈上和断口上的局部焦油色就是在这一过程中形成的。 ３.３对改进柴油机曲轴质量的意见 目前国产柴油机曲轴断裂（尤其早期断裂）仍是普遍存在的问题。导致断轴的原因主要是冷、热加工以及配件质量和使用维护等方面的问题。除这些直接原因外，在生产管理方面存在的问题，如对影响产品质量的各环节的管理，充分发挥质检部门的作用，强化失效分析及信息反馈工作等，对实现产品断裂控制有更重要的影响。以本文的曲轴断裂为例，热加工缺陷固然是失效的直接原因，但存在如此缺陷的断件又是如何从铸锻厂流入到柴油机厂的？本应报废的锻件又是如何跟随正品锻件走完全部工艺流程，并通过检验出厂的？同批进厂锻坯的曲轴连续发生的数起类似早期断裂事故，想到我们需要消化吸收新技术以赶超先进水平，看来充分发挥质量管理部门的职能，强化生产各环节和管理部门的质量意识是何等重要。