发动机主轴弯曲疲劳试验的检测项目及方法

摘要：选择FEMFAT疲劳仿真软件，结合柴油机主轴材料、表面加工工艺、应力循环特性等各方面条件，综合陈述后得出主轴的疲劳寿命及安全系数。应用主轴疲劳试验机，通过升降法获取对有效参数概述主轴的疲劳极限和安全系数。对比仿真与台架试验计算参数及结果，找寻主轴发生应力集中的部位，对仿真及试验结果进行安全系数评估，陈述影响柴油发电机曲轴寿命的条件，较终得出2种试验方式所得试验结果均满足安全要求。

      曲轴的构成（如图1所示）由曲轴颈，连杆轴颈主轴臂，平衡块，前轴端和后轴端等局部构造。其中一个连杆颈和它两端的曲臂以及前后两个主轴颈合在一起，称为曲拐。主轴的形式有整体式和组合式两种。

      图2所示，曲轴颈用来支撑主轴，主轴几即绕其中心线旋转。主轴颈支撑于滑动主轴承上，曲轴颈结构和连杆轴颈类似，不同点于滑动主轴承上，曲轴颈构成和连杆轴颈类似，不同点是内外表有油槽。主轴承盖用螺栓与上机油盘的曲轴承座紧固在一起。为了使各曲轴颈损伤相对均匀，对于受力交大的中部和两端的曲轴颈制造得较宽。在连杆轴颈的两侧都有曲轴颈者，称为全支撑曲轴。全支撑主轴钢度好，主轴颈负荷小，但它比拟长。如果曲轴颈数目比连杆轴颈少，那么称为非全支撑曲轴。其特点和全支撑曲轴相反。

      连杆轴颈用来装配连杆大头。直列式柴油发电机的连杆轴项数与气缸数相等；V型柴油发电机因为两个连杆共同装在一个连杆轴颈上，故连杆轴颈数为气缸数的一半。连杆轴颈一般被制成中空，其目的是为了降低曲拐旋转局部的质量，以降低离心力。中空的局部还可兼作油道和油腔，如图3所示。油腔不钻通，外端用螺塞封闭，并用开口销锁住。连杆中部插入一弯管，管口位于油腔中心。当曲轴旋转时，在曲轴油管机油中的较重的杂质被甩向油腔壁，而洁净的机油那么经弯管流向连杆轴向外表，减小了轴颈的磨耗。

      主轴臂用来连接曲轴颈和连杆轴颈，如图4所示。有的柴油发电机曲轴臂上加有平衡块，用来平衡曲轴的不平衡的离心力和离心力矩，有的还可平衡一局部往复惯性力。图示5为四缸柴油发电机曲轴受力情况。1.4道连杆轴颈的离心力F1、F4与2.3道连杆轴颈的离心力F2、F3大小相等，方向相反。从整体上看，似乎在内部能相互平衡，但因为在F1与F2形成的力偶MF2和F3与F4形成的力偶M3-4用途下，如果曲轴的刚度缺乏，那么产生弯曲变形，加剧主轴颈的磨耗。为此，需加宽轴颈，增加刚度，以减小损伤。但更有效的方案是在主轴臂反方向延伸一块平衡块（如图6所示）。平衡块与主轴制成一体，也可单独制造，再用螺栓固装在曲轴臂上，加平衡块会致使曲轴品质和材料消耗增加，制造工艺复杂。因此，主轴是否要加平衡块，应视详细情况而定。

      一般的前轴端装有正时齿轮皮带轮扭转减振器和起动爪等，为防止机油沿曲轴轴颈外漏，通常在正时齿轮前端装一个甩油盘，正时齿轮盖内孔周围还嵌有自紧式油封。当机油溅落在随着曲轴旋转的甩油盘上时，因为离心力的功能，被甩到正时齿轮盖的内壁上，油封挡住机油，是机油沿壁面流回油壳中。

      后轴端制有甩油突缘、回油螺纹和飞轮结合盘。飞轮结合盘是用来连接飞轮输出动力。甩油突缘与回油螺纹用来防范既有外漏，从曲轴颈间隙流向后端的机油，主要被甩油突缘甩入主轴承座孔后边缘的凹槽内，并经回油孔流向底壳。少量的机油流至回油螺纹区，被回油螺纹返回到甩油突缘而甩回油低壳。

      为更可靠地避免漏油，有时柴油发电机还在最后一道主轴承盖的端面上装有油封，油封材料有橡胶，含石墨的石棉绳等。此外，最后一道主轴承盖与机体结合面出还嵌有软木条或石棉绳等填料，起密封用途。曲轴作为转动件，如果轴向窜动量过大，将破坏各机件的正常工作。但也无法过小，应给曲轴留有热膨胀伸长的余地。为此，曲轴必须有一定的轴向间隙，此间隙一般在0.05~0.25mm。

      通常设置在某道曲轴颈的两侧。其材料加工与滑动轴承类似，也是在钢背上浇注一层减磨合金，但是主要构造因车而异。有的是两片整圆形的止推垫圈，通常装配在前端轴上，有的是两片或四片半圆型的止推片；采用更多的是将四片半圆形止推片与曲轴承制成一体而成为翻边轴瓦，，但轴承前后窜动是翻边轴瓦端面的减磨合金与相对应的曲轴臂止推面接触摩擦，限制了主轴窜动。

      曲轴的形状和各主轴的相对位置取决于气缸数，气缸排列和工作顺序等多种因素。在安排多缸柴油发电机的作业顺序时江苏康明斯柴油发电机，首先应当使各缸作功间隔相等，以保证柴油发电机运行平衡；其次应当使连续作功的两缸相距尽可能远一些，以降低主轴承的载荷，同时，防止两缸相邻产生进气重迭现象而危害冲气。根据以上机理，四缸柴油发电机作业顺序及曲拐的布置表达如下：四冲程直列四缸柴油发电机，在一个工作循环中各缸均要作功一次，故而作功间隔角720度/4=180度；作业顺序有两种可能的排列法；即1-2-4-3或1-3-4-2其中前一种选取较广泛。在机床上进行机械零件的机械加工时，所需工艺装备中除了刀具量具辅助工具外，还必须有共装夹工件用的机床夹具〔简称夹具〕。

      曲轴疲劳试验的主要目的是评估曲轴在长期使用过程中的弯曲疲劳寿命，为曲轴的规划和制造供应依据。通过试验，可以确定曲轴的疲劳强度和疲劳寿命，为改善主轴的布置和材料采取提供参考。

      在柴油机零件的疲劳寿命预测及解读的研讨中较为经典的程序是S-N、e-N疲劳裂纹扩展寿命法。通较高周疲劳综述法得到的材料S-N曲线，一般在试验中用一组标准试件，对其施加不同的应力幅，测出试件断裂时的循环数N，然后以应力σ纵坐标康明斯发电机组厂家排名，N为横坐标，得出S-N曲线。

      一条完整的S-N曲线，被划分为低循环疲劳段(LCF)，宏观屈服，非线性段；高循环疲劳段(HCF)，线；疲劳极限段(SF)，N10E7，这样三个疲劳阶段。而对于S-N曲线进行修正时，详细需要考虑理论应力集中系数、尺寸系数、表面精度、加载步骤4个方面的影响条件。

      在发动机运转时，由计算可知，危害疲劳寿命的具体是弯曲载荷，扭矩对它的危害不是很大。故而评价主要考虑弯曲疲劳。

      弯曲疲劳试验在脉动疲劳试验机构上进行。主轴被切成两部分，包括按两个曲轴颈和一个曲轴轴颈为一个轴段单元，通常用第二曲柄做试验。把这个单元的一个主轴销和一个曲柄销夹紧，试验载荷加在第二个轴承颈上，这里加载荷的向量应当在由曲轴颈、曲柄销和无轴向力的中轴线确定的平面上。试验载荷可

      以通过一个可以在第二个主轴径处自由运动、具有节点的杆处来施加。主轴销和曲柄销的夹具必须被设计成压紧力对轴销半径对压力外圆的危害可以忽略的装置，由此在夹具板与销之间的接触域对曲轴颈和曲柄销必须有一个很小的距离，这个距离大于圆角半径的3.5倍。

      试验及仿线，在FEMFAT软件中载入曲轴的应力陈说结果并设置主轴的材料属性，定义曲轴模型当前节点组的表面粗糙度，离散度和温度场，主轴表面采取感应淬火加工工艺等重要数据。在影响参数设置界面，勾选应力梯度、渗碳、感应硬化和锻造选项。疲劳细述数据中采取耐久安全系数，定义全局数据，定义存活率，等效应力等。

      曲轴的强度很大程度上决定了发动机的使用寿命及其可靠性，因此对曲轴的安全可靠性提出了很高的要点。如图7所示，若设Xq0是曲轴的理论设计强度。Xy0是曲轴的理论作业应力，曲轴的安全系数为n=Xq0/Xq01，理论上不应该发生破坏。而实际工作应力和零件强度都呈现正态分布，因此存在一个概率曲线与强度概率曲线相重迭的区域，如果零件的强度和工作应力都落在这个区域，就会产生破坏。这个区域的大小，就是可靠性中零件产生破坏的概率。

      运用FEMFAT软件将主轴动力学细说结果进行了疲劳计算，其中包含各节点疲劳安全系数、疲劳寿命、磨损结果以及破坏程度较大节点应力循环等，基于这些结果对曲轴进行全寿命评价。

      通过对曲轴材料、加工工艺等方面的参数设置后，诠释得出主轴的各部位的安全系数，如图8所示。为曲轴在额定速度下较小疲劳安全系数出现在第八曲柄臂曲轴颈圆角处，在存活率为99.9%时，曲轴全工况下与连杆所连接轴颈处的较小安全系数为2.218，查找许用安全系数为1.3~1.5，说明主轴满足疲劳计算要求。

      计算得出较小疲劳寿命为1.33928E×1010个作业循环，所在节点为36384。折合主轴的运转时间约10年以上。

      依托仿真软件进行曲轴疲劳模拟试验，得出曲轴的较小疲劳寿命及安全系数，主轴试验模型如图9所示。但与主轴实际工况仍存在些许差距，通常可以通过台架试验，与仿真讲解结果做以对比，以使试验结果更加可靠。

      据统计，因为疲劳致使的柴油发电机零部件损坏占比80%。ZQP-6000型曲轴疲劳试验机是由函数发生器发出*频率和*幅度的正弦波，驱动容量放大器使激振器发生震动波形，机械谐振机构随之产生震动，调整函数发生器发出的频率至系统的共振频率，即进入正常的工作状态。根据共振频率下降的情况测试并观察主轴试件在拉、压或拉压、交变载荷下的疲劳特性。其试验结果用于主轴优化布置、变更加工工艺、鉴定货源、产品品质抽检等。

      通过主轴疲劳试验，能够为主轴的规划、结构优化等方面提供可靠的讨论参数。对各种材料、加工工艺的曲轴进行多次反复试验，总结讲解试验结果，这些结果能够为曲轴的构成优化、加工工艺以及表面粗糙度的调整等方面起到指导用途。

      根据QC/T 637—2000《发动机主轴弯曲疲劳试验方法》，循环基数取107次，通过升降法测定曲轴的疲劳极限和安全系数。

      进行试验时，弯矩增量ΔM小于5%，试验在四到五级应力水平下进行。图10为试验结束后的结果升降曲线，图中圆点代表试验结果越出，十字标记代表试验结构未达到循环基数，试件发生疲劳损伤，根据升降图取6对有效数据。

      通过计算承载弯矩疲劳极限为M-1(50%)=1479.17 N·m，标准差为Sn-1=58.07 N·m，变异系数Y=0.039，置信度为95%，相对误差≤5%时，试验结果满足零件加工精度要点，M-1(99.9%)=1 344.59 N·m。计算主轴名义弯矩为M-1=787.73N·m，安全系数为n(99.9%)=1.707。

      将试验得出的安全系数与有限元仿真得出的安全系数做以比较，略低于FEMFAT疲劳解读结果，n1.3~1.5，证明曲轴满足作业需求。

      利用FEMFAT软件计算，浅聊曲轴在额定速度下，主轴的曲轴颈和连杆轴颈上较小安全系数为2.218，查找许用安全系数为1.3~1.5，说明曲轴满足疲劳计算要求。依据QC/T 637—2000，曲轴疲劳试验所得曲轴部件安全系数为1.707满足设计需要。仿真解读方法日趋成熟，但其结果与实际台架实验仍存有一定差距，本文通过对比仿真分述结果及台架试验结果，证明仿真浅聊能够快速的浅谈出试件的疲劳结果，与实际台架实验结果具有较好的一致性，都满足规划与工作所需条件。仿真及试验结果也可作为零件突发断裂时，快速分述起因及优化布置的重要途径，若需要更为精确的分析结果，还需通过台架试验做以对比分述。

      导致曲轴失效的较多发形式是疲劳损坏。通过实验及仿真诠释后可知，主轴在正常工作因素下所能承受交变负载的循环次数能够得到曲轴的疲劳寿命，疲劳寿命一般包括曲轴的裂痕萌生寿命和裂纹扩展寿命2个阶段。

      主轴所产生的裂痕通常产生在曲柄臂与连杆轴颈的过渡圆角处，这种裂痕是由于曲轴发生了扭转疲劳所引起的，一旦曲轴出现裂痕，随之而来的是裂痕快速发展成的界面断裂。而引起曲轴产生裂痕的原由柴油发电机十大厂家，具体是因为曲轴的自身材料有短处，刚度强度未达到生产要求；或者在曲轴的规划阶段，曲轴主轴颈、连杆轴颈和曲柄臂等部位的尺寸及受力论述存在误差；甚至在加工程序中，因为加工工艺的不完善引起主轴某部位产生严重的应力集中现状，以上这些都是在曲轴的设计及生产流程中致使其出现裂纹的几点起因。当主轴被装配在发动机中时，在运行过程中，由于发动机爆缸导致主轴受载较高，气缸内产生拉缸情形，致使主轴连杆轴颈磨耗严重，且受力不均，引起主轴出现裂纹。而主轴在工作程序中产生的不平衡振动导致主轴受力不均的现象是不能防范的，甚至由此产生扭转共振现状而致使主轴受到额外的扭转应力，进而产生了裂纹。

     曲轴自身所受应力值在远低于主轴材料抗拉强度的状况下也会产生疲劳破坏，而且疲劳破坏在零件断裂前基本上是没有先兆的，会发生突然断裂，这是一种极具危险的失效形式。

      该当注意，在完成试验后，应编制试验报告，报告内容应包括试验目的、试验方法、试验流程、试验结果和评估等。试验报告应具体记录试验过程中的参数和观察结果，并进行必要的论述和解释。曲轴弯曲疲劳试验是评估曲轴可靠性和耐久性的重要途径。试验标准的制定旨在确保试验的正确性和可重复性，为主轴的规划和制造供应科学依据。通过准确执行曲轴弯曲疲劳试验，可以评估主轴的疲劳强度和疲劳寿命，为提高曲轴的操作性能和可靠性供应参考。