設(shè)備裝配與結(jié)構(gòu)組成

柴油發(fā)電機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)與裝配注意事項

 

摘要：采用FEMFAT疲勞仿真軟件，結(jié)合柴油機(jī)曲軸材料、表面加工工藝、應(yīng)力循環(huán)特征等各方面因素，綜合分析后得出曲軸的疲勞壽命及安全系數(shù)。應(yīng)用曲軸疲勞試驗機(jī)，通過升降法獲取對有效數(shù)據(jù)分析曲軸的疲勞極限和安全系數(shù)。對比仿真與臺架試驗計算數(shù)據(jù)及結(jié)果，找尋曲軸發(fā)生應(yīng)力集中的部位，對仿真及試驗結(jié)果進(jìn)行安全系數(shù)評估，分析影響柴油發(fā)電機(jī)曲軸壽命的因素，最終得出2種試驗方法所得試驗結(jié)果均滿足安全要求。

 

一、曲軸結(jié)構(gòu)

 

      曲軸的結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由主軸頸，連桿軸頸曲軸臂，平衡塊，前軸端和后軸端等局部組成。其中一個連桿頸和它兩端的曲臂以及前后兩個主軸頸合在一起，稱為曲拐。曲軸的形式有整體式和組合式兩種。

1、主軸頸

      圖2所示，主軸頸用來支撐曲軸，曲軸幾即繞其中心線旋轉(zhuǎn)。主軸頸支撐于滑動主軸承上，主軸頸結(jié)構(gòu)和連桿軸頸類似，不同點于滑動主軸承上，主軸頸結(jié)構(gòu)和連桿軸頸類似，不同點是內(nèi)外表有油槽。主軸承蓋用螺栓與上曲軸箱的主軸承座緊固在一起。為了使各主軸頸磨損相對均勻，對于受力交大的中部和兩端的主軸頸制造得較寬。在連桿軸頸的兩側(cè)都有主軸頸者，稱為全支撐曲軸。全支撐曲軸鋼度好，主軸頸負(fù)荷小，但它比擬長。如果主軸頸數(shù)目比連桿軸頸少，那么稱為非全支撐曲軸。其特點和全支撐主軸相反。

 

圖1 曲軸結(jié)構(gòu)圖

圖2 主軸頸位置圖

 

2、連桿軸頸

      連桿軸頸用來安裝連桿大頭。直列式柴油發(fā)電機(jī)的連桿軸項數(shù)與汽缸數(shù)相等；V型柴油發(fā)電機(jī)因為兩個連桿共同裝在一個連桿軸頸上，故連桿軸頸數(shù)為汽缸數(shù)的一半。連桿軸頸通常被制成中空，其目的是為了減輕曲拐旋轉(zhuǎn)局部的質(zhì)量，以減小離心力。中空的局部還可兼作油道和油腔，如圖3所示。油腔不鉆通，外端用螺塞封閉，并用開口銷鎖住。連桿中部插入一彎管，管口位于油腔中心。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時，在曲軸油管機(jī)油中的較重的雜質(zhì)被甩向油腔壁，而潔凈的機(jī)油那么經(jīng)彎管流向連桿軸向外表，減輕了軸頸的磨損。

 

圖3 連桿軸頸位置圖

圖4 曲軸臂位置圖

 

3、曲軸臂

      曲軸臂用來連接主軸頸和連桿軸頸，如圖4所示。有的柴油發(fā)電機(jī)曲軸臂上加有平衡塊，用來平衡曲軸的不平衡的離心力和離心力矩，有的還可平衡一局部往復(fù)慣性力。圖示5為四缸柴油發(fā)電機(jī)曲軸受力情況。1.4道連桿軸頸的離心力F1、F4與2.3道連桿軸頸的離心力F2、F3大小相等，方向相反。從整體上看，似乎在內(nèi)部能相互平衡，但由于在F1與F2形成的力偶MF2和F3與F4形成的力偶M3-4作用下，如果曲軸的剛度缺乏，那么發(fā)生彎曲變形，加劇主軸頸的磨損。為此，需加寬軸頸，增加剛度，以減少磨損。但更有效的措施是在曲軸臂反方向延伸一塊平衡塊（如圖6所示）。平衡塊與曲軸制成一體，也可單獨制造，再用螺栓固裝在曲軸臂上，加平衡塊會導(dǎo)致曲軸質(zhì)量和材料消耗增加，制造工藝復(fù)雜。因此，曲軸是否要加平衡塊，應(yīng)視具體情況而定。

 

圖5 曲軸上離心力作用

圖6 曲軸加平衡塊示意圖

 

4、曲軸的前軸端

      通常的前軸端裝有正時齒輪皮帶輪扭轉(zhuǎn)減震器和啟動爪等，為防止機(jī)油沿曲軸軸頸外漏，一般在正時齒輪前端裝一個甩油盤，正時齒輪蓋內(nèi)孔周圍還嵌有自緊式油封。當(dāng)機(jī)油濺落在隨著曲軸旋轉(zhuǎn)的甩油盤上時，由于離心力的作用，被甩到正時齒輪蓋的內(nèi)壁上，油封擋住機(jī)油，是機(jī)油沿壁面流回油殼中。

5、曲軸的后軸端

      后軸端制有甩油突緣、回油螺紋和飛輪結(jié)合盤。飛輪結(jié)合盤是用來連接飛輪輸出動力。甩油突緣與回油螺紋用來防止既有外漏，從主軸頸間隙流向后端的機(jī)油，主要被甩油突緣甩入主軸承座孔后邊緣的凹槽內(nèi)，并經(jīng)回油孔流向底殼。少量的機(jī)油流至回油螺紋區(qū)，被回油螺紋返回到甩油突緣而甩回油低殼。

      為更可靠地防止漏油，有時柴油發(fā)電機(jī)還在最后一道主軸承蓋的端面上裝有油封，油封材料有橡膠，含石墨的石棉繩等。此外，最后一道主軸承蓋與缸體結(jié)合面出還嵌有軟木條或石棉繩等填料，起密封作用。曲軸作為轉(zhuǎn)動件，如果軸向竄動量過大，將破壞各機(jī)件的正常工作。但也不能過小，應(yīng)給曲軸留有熱膨脹伸長的余地。為此，曲軸必須有一定的軸向間隙，此間隙一般在0.05~0.25mm。

6、曲軸軸向限位裝置

      一般設(shè)置在某道主軸頸的兩側(cè)。其材料加工與滑動軸承類似，也是在鋼背上澆注一層減磨合金，但是具體結(jié)構(gòu)因車而異。有的是兩片整圓形的止推墊圈，通常安裝在前端軸上，有的是兩片或四片半圓型的止推片；采用更多的是將四片半圓形止推片與主軸承制成一體而成為翻邊軸瓦，，但軸承前后竄動是翻邊軸瓦端面的減磨合金與相對應(yīng)的曲軸臂止推面接觸摩擦，限制了曲軸竄動。

7、曲軸的形狀和各曲軸的相對位置

      曲軸的形狀和各曲軸的相對位置取決于汽缸數(shù)，汽缸排列和工作順序等多種因素。在安排多缸柴油發(fā)電機(jī)的工作順序時，首先應(yīng)該使各缸作功間隔相等，以保證柴油發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)平衡；其次應(yīng)該使連續(xù)作功的兩缸相距盡可能遠(yuǎn)一些，以減輕主軸承的載荷，同時，防止兩缸相鄰發(fā)生進(jìn)氣重疊現(xiàn)象而影響沖氣。根據(jù)以上原理，四缸柴油發(fā)電機(jī)工作順序及曲拐的布置表達(dá)如下：四沖程直列四缸柴油發(fā)電機(jī)，在一個工作循環(huán)中各缸均要作功一次，所以作功間隔角720度/4=180度；工作順序有兩種可能的排列法；即1-2-4-3或1-3-4-2其中前一種采用較廣泛。在機(jī)床上進(jìn)行機(jī)械零件的機(jī)械加工時，所需工藝裝備中除了刀具量具輔助工具外，還必須有共裝夾工件用的機(jī)床夾具〔簡稱夾具〕。

 

二、曲軸疲勞分析和試驗

 

      曲軸疲勞試驗的主要目的是評估曲軸在長期使用過程中的彎曲疲勞壽命，為曲軸的設(shè)計和制造提供依據(jù)。通過試驗，可以確定曲軸的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，為改進(jìn)曲軸的設(shè)計和材料選擇提供參考。

1、疲勞研究方法

      在柴油機(jī)零件的疲勞壽命預(yù)測及分析的研究中最為經(jīng)典的方法是S-N、e-N疲勞裂紋擴(kuò)展壽命法。通過高周疲勞分析法得到的材料S-N曲線，通常在試驗中用一組標(biāo)準(zhǔn)試件，對其施加不同的應(yīng)力幅，測出試件斷裂時的循環(huán)數(shù)N，然后以應(yīng)力σ縱坐標(biāo)，N為橫坐標(biāo)，得出S-N曲線。

      一條完整的S-N曲線，被劃分為低循環(huán)疲勞段(LCF)，宏觀屈服，非線性段；高循環(huán)疲勞段(HCF)，線性段，N=10E4~10E6；疲勞極限段(SF)，N>10E7，這樣三個疲勞階段。而對于S-N曲線進(jìn)行修正時，主要需要考慮理論應(yīng)力集中系數(shù)、尺寸系數(shù)、表面精度、加載方式4個方面的影響因素。

2、試驗準(zhǔn)備

      在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時，由計算可知，影響疲勞壽命的主要是彎曲載荷，扭矩對它的影響不是很大。所以評價主要考慮彎曲疲勞。

      彎曲疲勞試驗在脈動疲勞試驗裝置上進(jìn)行。曲軸被切成兩部分，包括按兩個主軸頸和一個曲軸軸頸為一個軸段單元，通常用第二曲柄做試驗。把這個單元的一個主軸銷和一個曲柄銷夾緊，試驗載荷加在第二個軸承頸上，這里加載荷的向量應(yīng)該在由主軸頸、曲柄銷和無軸向力的中軸線確定的平面上。試驗載荷可

      以通過一個可以在第二個主軸徑處自由運動、具有節(jié)點的桿處來施加。主軸銷和曲柄銷的夾具必須被設(shè)計成壓緊力對軸銷半徑對壓力外圓的影響可以忽略的裝置，由此在夾具板與銷之間的接觸域?qū)χ鬏S頸和曲柄銷必須有一個很小的距離，這個距離大于圓角半徑的3.5倍。

3、曲軸疲勞分析

（1）參數(shù)設(shè)置

      試驗及仿真所用曲軸材料為42CrMo4，在FEMFAT軟件中載入曲軸的應(yīng)力分析結(jié)果并設(shè)置曲軸的材料屬性，定義曲軸模型當(dāng)前節(jié)點組的表面粗糙度，離散度和溫度場，曲軸表面采用感應(yīng)淬火加工工藝等重要參數(shù)。在影響參數(shù)設(shè)置界面，勾選應(yīng)力梯度、滲碳、感應(yīng)硬化和鍛造選項。疲勞分析參數(shù)中選擇耐久安全系數(shù)，定義全局參數(shù)，定義存活率，等效應(yīng)力等。

（2）曲軸疲勞分析結(jié)果

      曲軸的強(qiáng)度很大程度上決定了發(fā)動機(jī)的使用壽命及其可靠性，因此對曲軸的安全可靠性提出了很高的要求。如圖7所示，若設(shè)X_q0是曲軸的理論設(shè)計強(qiáng)度。X_y0是曲軸的理論工作應(yīng)力，曲軸的安全系數(shù)為n=X_q0/X_q0>1，理論上不應(yīng)該發(fā)生破壞。而實際工作應(yīng)力和零件強(qiáng)度都呈現(xiàn)正態(tài)分布，因此存在一個概率曲線與強(qiáng)度概率曲線相重疊的區(qū)域，如果零件的強(qiáng)度和工作應(yīng)力都落在這個區(qū)域，就會發(fā)生破壞。這個區(qū)域的大小，就是可靠性中零件發(fā)生破壞的概率。

      運用FEMFAT軟件將曲軸動力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行了疲勞計算，其中包含各節(jié)點疲勞安全系數(shù)、疲勞壽命、損傷結(jié)果以及破壞程度較大節(jié)點應(yīng)力循環(huán)等，基于這些結(jié)果對曲軸進(jìn)行全壽命評價。

      通過對曲軸材料、加工工藝等方面的參數(shù)設(shè)置后，分析得出曲軸的各部位的安全系數(shù)，如圖8所示。為曲軸在額定轉(zhuǎn)速下最小疲勞安全系數(shù)出現(xiàn)在第八曲柄臂主軸頸圓角處，在存活率為99.9%時，曲軸全工況下與連桿所連接軸頸處的最小安全系數(shù)為2.218，查找許用安全系數(shù)為1.3~1.5，說明曲軸滿足疲勞計算要求。

      計算得出最小疲勞壽命為1.33928E×10¹⁰個工作循環(huán)，所在節(jié)點為36384。折合曲軸的運轉(zhuǎn)時間約10年以上。

 

圖7 曲軸試驗應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型圖

圖8 曲軸疲勞試驗最小安全系數(shù)

 

4、曲軸疲勞試驗研究

（1）疲勞試驗機(jī)工作原理

      依托仿真軟件進(jìn)行曲軸疲勞模擬試驗，得出曲軸的最小疲勞壽命及安全系數(shù)，曲軸試驗?zāi)Ｐ腿鐖D9所示。但與曲軸實際工況仍存在些許差距，一般可以通過臺架試驗，與仿真分析結(jié)果做以對比，以使試驗結(jié)果更加可靠。

      據(jù)統(tǒng)計，由于疲勞引起的柴油發(fā)電機(jī)零部件損壞占比80%。ZQP-6000型曲軸疲勞試驗機(jī)是由函數(shù)發(fā)生器發(fā)出指定頻率和指定幅度的正弦波，驅(qū)動功率放大器使激振器產(chǎn)生振動波形，機(jī)械諧振系統(tǒng)隨之產(chǎn)生振動，調(diào)整函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的頻率至系統(tǒng)的共振頻率，即進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。根據(jù)共振頻率下降的情況測試并觀察曲軸試件在拉、壓或拉壓、交變載荷下的疲勞特性。其試驗結(jié)果用于曲軸優(yōu)化設(shè)計、變更加工工藝、鑒定貨源、產(chǎn)品質(zhì)量抽檢等。

（2）曲軸疲勞試驗結(jié)果

      通過曲軸疲勞試驗，能夠為曲軸的設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面提供可靠的研究數(shù)據(jù)。對各種材料、加工工藝的曲軸進(jìn)行多次反復(fù)試驗，總結(jié)分析試驗結(jié)果，這些結(jié)果能夠為曲軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加工工藝以及表面粗糙度的調(diào)整等方面起到指導(dǎo)作用。

      根據(jù)QC/T 637—2000《發(fā)動機(jī)曲軸彎曲疲勞試驗方法》，循環(huán)基數(shù)取107次，通過升降法測定曲軸的疲勞極限和安全系數(shù)。

      進(jìn)行試驗時，彎矩增量ΔM小于5%，試驗在四到五級應(yīng)力水平下進(jìn)行。圖10為試驗結(jié)束后的結(jié)果升降曲線，圖中圓點代表試驗結(jié)果越出，十字標(biāo)記代表試驗結(jié)構(gòu)未達(dá)到循環(huán)基數(shù)，試件發(fā)生疲勞損傷，根據(jù)升降圖取6對有效數(shù)據(jù)。

      通過計算承載彎矩疲勞極限為M_-1(50%)=1479.17 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為S_n-1=58.07 N·m，變異系數(shù)Y=0.039，置信度為95%，相對誤差≤5%時，試驗結(jié)果滿足零件加工精度要求，M_-1(99.9%)=1 344.59 N·m。計算曲軸名義彎矩為M_-1=787.73N·m，安全系數(shù)為n_(99.9%)=1.707。

      將試驗得出的安全系數(shù)與有限元仿真得出的安全系數(shù)做以比較，略低于FEMFAT疲勞分析結(jié)果，n>1.3~1.5，證明曲軸滿足工作需求。

      利用FEMFAT軟件計算，分析曲軸在額定轉(zhuǎn)速下，曲軸的主軸頸和連桿軸頸上最小安全系數(shù)為2.218，查找許用安全系數(shù)為1.3~1.5，說明曲軸滿足疲勞計算要求。依據(jù)QC/T 637—2000，曲軸疲勞試驗所得曲軸部件安全系數(shù)為1.707滿足設(shè)計需要。仿真分析方法日趨成熟，但其結(jié)果與實際臺架實驗仍存有一定差距，本文通過對比仿真分析結(jié)果及臺架試驗結(jié)果，證明仿真分析能夠快速的分析出試件的疲勞結(jié)果，與實際臺架實驗結(jié)果具有較好的一致性，都滿足設(shè)計與工作所需條件。仿真及試驗結(jié)果也可作為零件突發(fā)斷裂時，快速分析原因及優(yōu)化設(shè)計的重要手段，若需要更為精確的分析結(jié)果，還需通過臺架試驗做以對比分析。

 

圖9  柴油機(jī)曲軸疲勞試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖10  曲軸疲勞試驗結(jié)果升降曲線圖

 

三、影響曲軸壽命的因素

 

      導(dǎo)致曲軸失效的最常見形式是疲勞損壞。通過實驗及仿真分析后可知，曲軸在正常工作條件下所能承受交變負(fù)荷的循環(huán)次數(shù)能夠得到曲軸的疲勞壽命，疲勞壽命一般包括曲軸的裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命2個階段。

      曲軸所產(chǎn)生的裂紋一般出現(xiàn)在曲柄臂與連桿軸頸的過渡圓角處，這種裂紋是由于曲軸發(fā)生了扭轉(zhuǎn)疲勞所引起的，一旦曲軸出現(xiàn)裂紋，隨之而來的是裂紋快速發(fā)展成的界面斷裂。而導(dǎo)致曲軸產(chǎn)生裂紋的原因，主要是由于曲軸的自身材料有缺陷，剛度強(qiáng)度未達(dá)到生產(chǎn)要求；或者在曲軸的設(shè)計階段，曲軸主軸頸、連桿軸頸和曲柄臂等部位的尺寸及受力分析存在誤差；甚至在加工過程中，由于加工工藝的不完善導(dǎo)致曲軸某部位出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以上這些都是在曲軸的設(shè)計及生產(chǎn)過程中導(dǎo)致其出現(xiàn)裂紋的幾點原因。當(dāng)曲軸被安裝在發(fā)動機(jī)中時，在運行過程中，由于發(fā)動機(jī)爆缸導(dǎo)致曲軸受載過高，氣缸內(nèi)出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象，導(dǎo)致曲軸連桿軸頸磨損嚴(yán)重，且受力不均，致使曲軸出現(xiàn)裂紋。而曲軸在工作過程中產(chǎn)生的不平衡振動導(dǎo)致曲軸受力不均的現(xiàn)象是無法避免的，甚至由此出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振現(xiàn)象而導(dǎo)致曲軸受到額外的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生了裂紋。

     曲軸自身所受應(yīng)力值在遠(yuǎn)低于曲軸材料抗拉強(qiáng)度的情況下也會發(fā)生疲勞破壞，而且疲勞破壞在零件斷裂前基本上是沒有征兆的，會發(fā)生突然斷裂，這是一種極具危險的失效形式。

 

總結(jié)：

      應(yīng)當(dāng)注意，在完成試驗后，應(yīng)編制試驗報告，報告內(nèi)容應(yīng)包括試驗?zāi)康?、試驗方法、試驗過程、試驗結(jié)果和評估等。試驗報告應(yīng)詳細(xì)記錄試驗過程中的數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果，并進(jìn)行必要的分析和解釋。曲軸彎曲疲勞試驗是評估曲軸可靠性和耐久性的重要手段。試驗標(biāo)準(zhǔn)的制定旨在確保試驗的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，為曲軸的設(shè)計和制造提供科學(xué)依據(jù)。通過正確執(zhí)行曲軸彎曲疲勞試驗，可以評估曲軸的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，為提高曲軸的使用性能和可靠性提供參考。

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