某型電站柴油機(jī)連桿斷裂失效分析

范明君，黃友橋（海軍裝備部，武漢 430064）

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某型電站柴油機(jī)連桿斷裂失效分析

范明君，黃友橋
（海軍裝備部，武漢 430064）

摘要：針對(duì)某型電站柴油機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)連桿斷裂問(wèn)題，采用斷口分析、材質(zhì)復(fù)驗(yàn)、加工工藝復(fù)查等方法對(duì)斷裂連桿體進(jìn)行了全面深入分析。結(jié)果表明，斷裂連桿體屬于疲勞斷裂，材質(zhì)情況正常，但螺紋孔因加工工藝變更而導(dǎo)致底部加工存在刀痕或微小裂紋。這些加工缺陷在應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用下，經(jīng)擴(kuò)展長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致連桿斷裂。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)連桿斷裂原因分析 螺紋孔加工

0　引言

某型柴油發(fā)電機(jī)組是船上重要供電設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行的可靠性、安全性要求非常高。該型機(jī)組已裝備多艘艦船并經(jīng)多年使用，經(jīng)受了很多嚴(yán)酷、復(fù)雜工況考驗(yàn)，工作性能和運(yùn)行狀況良好。但有一段時(shí)間，該船上部分機(jī)組柴油機(jī)接連出現(xiàn)連桿斷裂故障，給裝備的正常使用造成了嚴(yán)重影響。為此，通過(guò)對(duì)斷裂的連桿進(jìn)行深入的材質(zhì)性能、斷口分析和加工工藝等分析，確定了造成連桿斷裂的確切原因。

1　連桿組成及斷裂故障情況

如圖1上圖所示，某柴油機(jī)連桿由連桿體（序1）和連桿蓋（序3），通過(guò)配合面的齒形定位，并經(jīng)兩個(gè)螺釘（序2、4）連接固定而成。連桿斷裂出現(xiàn)斷裂故障時(shí)，相關(guān)柴油機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短不等，既有380多小時(shí)的，也有1100多小時(shí)的，斷裂部位集中在圖上箭頭所指的連桿體大端螺釘孔底部附近。經(jīng)復(fù)查運(yùn)行記錄，相關(guān)柴油機(jī)基本上是在20%～30%負(fù)荷下發(fā)生故障，圖1下圖為某臺(tái)累計(jì)運(yùn)行1100多小時(shí)的柴油機(jī)連桿斷裂實(shí)物照片。本文所提及的各種檢驗(yàn)和分析也是結(jié)合該連桿進(jìn)行的。

2　材質(zhì)復(fù)查及分析

該型連桿體材質(zhì)為42CrMoA鍛件，后經(jīng)各種機(jī)加工而成型。為此，對(duì)照?qǐng)D紙及有關(guān)技術(shù)文件，我們對(duì)斷裂連桿進(jìn)行了化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、冶煉夾雜物等都進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)，全部滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。由此可以基本排除連桿是由于材質(zhì)不合格導(dǎo)致了斷裂。

3　斷口分析

3.1宏觀分析

如前所述，疲勞斷裂的根連桿體都在大端的螺紋孔處斷裂。圖2所示是斷裂連桿典型的斷口實(shí)物照片。從中可以清楚看出，斷口沒(méi)有明顯的塑性變形，斷面平坦，可觀察到清晰的貝紋線狀疲勞擴(kuò)展痕跡，疲勞擴(kuò)展深度達(dá)總斷面的80%以上。從斷口的貝紋狀疲勞花紋可以判斷，連桿起裂于螺紋底孔圓柱面與圓錐面過(guò)渡處。

圖1　斷裂連桿示意圖及實(shí)物照片

圖2　斷裂連桿宏觀斷口

3.2微觀分析

為深入分析連桿斷裂的具體原因，我們對(duì)斷裂連桿的斷口進(jìn)行解剖和微觀形貌觀察。在掃描電鏡，斷口的高倍形貌特征非常明顯，可以看出裂紋源區(qū)存在明顯的加工刀痕，且裂紋源起源于刀痕，并沿刀痕底部生成；疲勞擴(kuò)展區(qū)有明顯的海灘標(biāo)記［1］，可以清楚看到疲勞輝紋及二次裂紋；剪切區(qū)高倍下位剪切韌窩特征［2］。具體形貌特征如圖3所示。

圖3　斷裂連桿的斷口高倍形貌

3.3螺紋孔底部形貌觀察

為了探究螺紋孔的加工質(zhì)量，沿螺紋孔中心線剖開(kāi)連桿，掃描電鏡下直接觀察螺紋孔的機(jī)加工表面微觀變形。螺紋孔表面的機(jī)加工刀痕較為清晰細(xì)密。裂紋底孔圓柱面與錐面的過(guò)渡表面呈折線狀，未發(fā)現(xiàn)微裂紋等缺陷，但局部表面加工較為粗糙，有V形尖槽和臺(tái)階突起，如圖4所示。

圖4　螺紋底孔放大形態(tài)

4　連桿加工工藝復(fù)查及分析

由于故障機(jī)斷裂連桿的疲勞源均為螺紋底孔柱面與錐面交叉處，從關(guān)聯(lián)性考慮，對(duì)連桿加工工藝進(jìn)行排查分析，特別是螺紋底孔加工工藝進(jìn)行了排查。結(jié)果表明，連桿加工各過(guò)程記錄清晰、完整、有效，但也有了新的發(fā)現(xiàn)。如圖5所示，該型連桿桿身兩側(cè)的螺紋孔為M16×1.5，左側(cè)為通孔，出口為斜面，右側(cè)為盲孔。工廠原來(lái)采用的是傳統(tǒng)加工工藝，即在搖臂鉆床上使用鉆模和高速鋼麻花鉆頭鉆螺紋底孔床上使用

圖5　連桿局部放大設(shè)計(jì)圖

鉆模和高速鋼麻花鉆頭鉆螺紋底孔，最后用絲攻攻絲。后來(lái)改為先進(jìn)的臥式加工中心加工，先用高速鋼麻花鉆頭鉆螺紋底孔，再用鏜刀來(lái)校準(zhǔn)底孔坐標(biāo)位置，最后用標(biāo)準(zhǔn)絲攻攻絲。仔細(xì)對(duì)比新老工藝，我們發(fā)現(xiàn)其在兩個(gè)方面存在差異：一是加工通孔時(shí)，出口為斜面，鉆頭鉆透時(shí)會(huì)單邊受力，存在抗刀、斷續(xù)切削現(xiàn)象，切削刃可能會(huì)發(fā)生微小損傷。用臥式加工中心加工時(shí)，換工步不換零件，通孔和盲孔使用同一刀具，如刀具磨刃不及時(shí)，受損的鉆頭在鉆盲孔時(shí)會(huì)在底部造成局部撕裂和不連刀痕。二是臥式加工中心加工時(shí)是自動(dòng)進(jìn)刀和剛性進(jìn)給，加工到尺寸后在孔底無(wú)停留，直接退刀，對(duì)孔底刀痕沒(méi)有擠壓、光整；老工藝搖臂鉆床鉆孔到底部手動(dòng)進(jìn)刀，切削慣性使得在底部柔性進(jìn)給，刀具對(duì)底孔會(huì)有一定的擠壓和光整過(guò)程，底孔表面過(guò)渡平滑。

為進(jìn)一步驗(yàn)證不同工藝對(duì)螺孔底部裂紋產(chǎn)生的影響，我們分別抽取了新老工藝兩種狀態(tài)的連桿進(jìn)行解剖檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)老工藝5根連桿螺紋底孔均未發(fā)現(xiàn)裂紋；新工藝的9根連桿中有3根連桿在螺紋底孔發(fā)現(xiàn)裂紋。在高倍顯微鏡下還發(fā)現(xiàn)如下對(duì)比特征：新工藝連桿盲孔加工較直，但表面呈現(xiàn)鋸齒狀形貌，刀痕不連續(xù)，有較多的凹坑和凸起，盲孔孔底有臺(tái)階，試樣浸蝕后觀察，盲孔表面加工形變痕跡不明顯，見(jiàn)圖6上圖；老工藝試樣加工線條雖呈波浪形，但加工表面較平滑，孔底未發(fā)現(xiàn)明顯的加工臺(tái)階，浸蝕后觀察，加工表面有厚度0.03mm左右的形變層，見(jiàn)圖6下圖。

圖6　新老工藝連桿底孔形貌

5　結(jié)論

通過(guò)全面的材質(zhì)復(fù)查和宏微觀斷口分析，可知斷裂連桿材質(zhì)滿足要求，運(yùn)行中也無(wú)超負(fù)荷情況存在，其斷裂屬于疲勞斷裂，且斷裂裂紋起始于連接螺紋孔底部微小加工缺陷［3］。螺紋底孔微小加工缺陷與加工工藝變化有關(guān)：

1）采用老工藝加工連桿螺紋底孔時(shí)，鉆頭由人工操作，到達(dá)底面時(shí)有停頓，表面會(huì)形成硬化層。該硬化層能夠提高螺紋孔的抗疲勞強(qiáng)度。采用新工藝加工時(shí)，鉆頭達(dá)到螺紋底部時(shí)自動(dòng)退刀，表面沒(méi)形成硬化層。

2）采用老工藝加工的螺紋底孔表面過(guò)渡圓滑、連續(xù)；采用新工藝加工的螺紋底孔表面相對(duì)光滑，但加工刀痕不連續(xù)，有龜裂狀橫紋，對(duì)連桿抗疲勞能力有一定影響。

3）采用老工藝加工的螺紋底孔在圓柱面與錐面過(guò)渡區(qū)域過(guò)渡平滑，可以使應(yīng)力分布較為均勻；采用新工藝加工的螺紋底孔在圓柱面與錐面過(guò)渡區(qū)域比較尖銳，容易形成應(yīng)力集中。

參考文獻(xiàn)：

［1］李炯輝，施友方.鋼鐵材料金相圖譜［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

［2］束德林.金屬力學(xué)性能［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］程靳，趙樹(shù)山.斷裂力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

Fracture Failure Analysis of Connecting Rod of A Diesel Engine

Fan Mingjun，Huang Youqiao
（ Naval Equipment Department，Wuhan 430064，Chnina）

Abstract:For the malfunction of a diesel engine connection rod fractured in running，many in-depth analysis methods such as fracture analysis，material reinspection，machining technics review are used to find out the fracture reason.The results show that the fracture of connecting rod belongs to fatigue fracture，and the rod material is normal，but the machining process change of screw threaded hole brought on small disfigurements or cracks at the hole bottom.These machining defects expands under the long-term action of the stress and finally results in the fracture of the connecting rod.

Keywords:diesel engine； connecting rod； fracture； reason analysis； screw threaded hole； machining

中圖分類號(hào)：U464.133

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0067-03

收稿日期：2016-03-10

作者簡(jiǎn)介：范明君（1978-），男，碩士。研究方向：船舶機(jī)械。