某發動機連桿斷裂原因分析的研究

何元章 夏國祥 王文建 黃平 樊紅磊

摘要：在發動機研發過程中，連桿斷裂故障是發動機的致命故障。本文以某款發動機的連桿斷裂故障，從各個相關零件進行了全面的分析和判斷，利用一一排除的方法分析原因，找出解決措施，確保發動機的可靠性。

關鍵詞：連桿;連桿螺栓;斷裂;連桿瓦;故障

中圖分類號：TK4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0059-05

Fracture Analysis of Engine Connecting Rod

HE Yuan-zhang，XIA Guo-xiang，WANG Wen-jiang，HUANG Ping，FAN Hong-lei

（Engine Design Department，Technical Center of DFMC，Wuhan，430058，China）

Abstract: Fracture of connecting rod is fatal failure in the engine R&D process. In this paper，we will give an example that carry out all related parts of the phenomenon and find out the fracture reason with one by on method of exclusion.

Key words: conrod；conrod bolts；fracture；conrod bearing shells；failure

在發動機研發過程中，連桿斷裂是發動機致命故障。目前，連桿斷裂故障的分析方法均為光學金相和電子探針分析儀等分析手段，針對故障連桿和連桿螺栓進行分析。然而，影響連桿斷裂的原因是多樣化且不可預判的，如果僅僅采用光學金相和電子探針分析儀的方法分析，只能判斷故障件是否存在問題，并不能找出連桿斷裂的真正原因。因此，在分析故障原因時，建立一種有效的、全面的分析方法非常重要。

本文介紹一種FTA故障樹的分析方法，能全面和有效的找出失效原因。本文以某款發動機的連桿斷裂故障為例，從各個相關零件進行了全面的分析和判斷，利用一一排除的方法找出原因，提出解決措施，確保發動機的可靠性。

1 背景

某發動機在100小時全速全負荷試驗過程中，運轉到63小時，第三缸發生了連桿斷裂故障。連桿體、連桿螺栓斷裂，連桿大頭擊穿缸體飛出缸外;故障缸連桿瓦發生燒瓦，碎片散落在油底殼內，其他缸連桿瓦有不同程度的剝落現象；揭開缸蓋，第三缸氣缸內有積水，活塞卡死在缸套內，見圖1、圖2。

2 故障原因分析

經過對試驗記錄數據和發動機的裝配及生產工藝進行分析，且其他缸的軸瓦潤滑情況良好，所以認為此次故障主要由零件本身的原因或其他不明原因所引起。

由此我們對所有相關的零件或因素進行逐個分析，利用排除法找出故障原因，建立了FTA故障樹分析（見圖3），以便有序進行故障分析。

需要分析的內容主要包括以下幾個方面：

1）檢測缸蓋、缸體接合面平面度，缸墊的密封性；

2）連桿的強度是否滿足發動機的性能要求;

3）連桿螺栓的設計、性能，擰緊力矩的合理性分析；

4）連桿瓦的設計合理性分析；

2.1 檢測缸蓋缸體接合面平面度，缸墊的密封性

考慮到氣缸內進水的現象，進水后引起壓縮比的變化，從而導致連桿等組件的斷裂損壞。從缸墊的供應廠家提供的密封性報告看（見圖4、圖5），缸墊的密封性滿足設計要求。

由裝機前測量的缸體缸蓋的平面度數據可知，缸蓋和缸體的平面度是在設計范圍內，滿足設計要求的，測量結果如表1。由此可知，發動機缸內進水非缸蓋和缸體的平面度不滿足設計要求而引起的。

2.2 連桿的強度校核

2.2.1 連桿的設計強度校核

根據連桿總成仿真分析的結果可知，連桿受到的最大應力在連桿小頭孔處，應力為459.2 MPa（見圖6），而相應的安全系數為1.83，大于許用的安全系數1.5，故該發動機的連桿材料和結構設計均滿足項目要求。

2.2.2 故障連桿的斷裂形式分析

根據工藝研究部門提供的故障件分析報告，連桿大頭孔附近有燒傷的藍色氧化色，桿身有明顯的彎曲變形，斷口被完全破壞；并且連桿的金相組織和硬度均滿足設計要求，故判定連桿為韌性斷裂，屬于受害件（見圖7），這從另一方面證明連桿的強度滿足項目要求。

2.3 連桿螺栓的設計、性能、擰緊力矩的合理性分析

2.3.1 連桿螺栓設計強度的校核

根據發動機仿真部門的螺栓分析報告（見圖8）可知，螺栓在工作工況下的最大應力為339.4 MPa，而螺栓的抗拉強度為1 200 MPa，安全系數為3.5，能夠滿足發動機的強度要求。

2.3.2 連桿螺栓零件的性能分析

為了驗證連桿螺栓樣件的性能可靠性，螺栓供應商對同批的螺栓進行了性能檢測，檢測結果如表2。由結果可知，螺栓的重要尺寸和性能要求滿足項目要求。

2.3.3 連桿螺栓擰緊力矩的合理性分析

為了驗證螺栓擰緊力的合理性，對同批螺栓和連桿進行了擰緊力的測試，測量結果如表3，由測量結果可知，螺栓的擰緊要求同樣滿足設計要求的21 kN。

2.3.4 故障連桿螺栓斷裂形式分析

根據故障零件分析的結果可知，故障螺栓的端口形貌有明顯的韌窩存在，且螺栓的金相組織和硬度均滿足設計要求（見圖9和圖10），故認定連桿螺栓的斷裂亦為受迫性斷裂，螺栓的斷裂是由其他原因引起的。

綜上所述，螺栓的力矩轉角及螺紋規格設計均合理，滿足項目要求。

2.4 連桿瓦的設計的合理性分析

2.4.1 故障連桿瓦破壞形式分析

為了很好的驗證連桿瓦的設計合理性，對連桿瓦的各個參數尺寸進行了benchmarking分析和檢測。根據《內燃機設計》（楊連聲）和相關國家標準（QC/T 280-1999、GB/T 1151-93和GB/T 18326-2001）重新計算、審核可知，連桿瓦的各個尺寸設計均合理。但是，根據對故障連桿瓦的分析可知，連桿瓦的合金層剝落嚴重，且在鋼背和合金層結合線處發生開裂現象（見圖11和圖12）。各種現象表明，連桿瓦為疲勞剝落，需要對連桿瓦的載荷和材料進行校核。

2.4.2 對連桿瓦的工作載荷的核算

根據上述分析的結果可知，連桿瓦合金層剝落屬于疲勞剝落，故對連桿瓦的合金層材料進行校對和重新計算。根據《內燃機設計》（楊連聲）連桿瓦載荷計算公式：

；P0為大氣壓力，N/m2；D為活塞直徑，m；

由上述公式及CAE分析可知，連桿瓦在工作過程中的最大載荷為33 MPa，而選擇的軸瓦合金層材料AlSn20Cu的承載能力為35~45 MPa，即軸瓦的承載能力略大于軸瓦的最大工作載荷，設計是合理的。

經過查詢標準GB/T 18326-2001和相關資料可知，合金材料AlSn20Cu的硬度為30~40 HB，有良好的耐腐蝕性能，有較好的軸承表面性，但僅適合于與軟軸配合使用，要求軸的硬度為25 HRC左右。然而，該款發動機的曲軸為鋼性曲軸，硬度達到了55 HRC，因此確定，該合金材料不適用于該款發動機，需要重新選擇軸瓦的合金材料。經過查詢和與供應商的交流可知，某公司的合金材料能夠滿足設計要求，該材料承載能力為35~45 MPa，硬度為40~60 HB，要求曲軸的硬度在50 HRC以上，滿足該款發動機的設計要求。100小時全速全負荷試驗結果表明，更改合金層材料后的軸瓦未發現有剝落現象（見

圖13和圖14），且未出現連桿斷裂或類似故障。

3 結論

本文通過一款發動機的連桿斷裂故障的原因分析，介紹了FTA故障分析樹的分析方法，分析結果表明，FTA故障樹的分析方法在分析連桿斷裂試驗問題時，使分析繁雜卻有序的進行，取得不錯的效果。對于發動機研發過程中遇到的類似試驗問題，本文介紹的FTA分析方法均有被借鑒的實際意義。

參考文獻：

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