2000型12V190柴油機(jī)曲軸斷裂原因

冉 建，何建春，劉 洋

（川西鉆探公司機(jī)電工程公司，四川遂寧 629000）

0 引言

曲軸是通過連桿將活塞往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硇D(zhuǎn)運(yùn)動來完成能量轉(zhuǎn)換和輸出的部件，工況變換頻繁、受力復(fù)雜。2000型12V190柴油機(jī)在公司各型機(jī)械鉆機(jī)中應(yīng)用廣泛，該型柴油機(jī)的曲軸長2.46 m，全支承式，共有7個主軸頸，6個連桿軸頸，軸頸直徑分別為160 mm和130 mm，與曲柄臂之間的過渡圓角分別為R6 mm和R5 mm。近2 a來，公司先后有多臺該型柴油機(jī)發(fā)生過曲軸斷裂。

1 曲軸斷裂情況

經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，公司曲軸斷裂位置幾乎都在第5道連桿軸頸與其兩側(cè)的第9道或第10道曲柄臂處沿著R5 mm的過渡圓角斷裂至外側(cè)油孔處。仔細(xì)觀察斷裂的曲軸，發(fā)現(xiàn)斷口有明顯的光亮區(qū)域與顆粒狀的粗糙區(qū)，如圖1所示。

圖1 端面外觀

2 斷裂原因分析

柴油機(jī)曲軸斷裂主要是因為曲軸的設(shè)計制造缺陷和不當(dāng)使用造成的。現(xiàn)對可能造成曲軸斷裂的原因作簡要分析。

2.1 交變壓力的影響

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，曲軸受到爆炸氣體傳遞的壓力成周期性變化，當(dāng)活塞位于上止點位置時連桿軸頸載荷達(dá)到最大值（2000型12V190柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力10.5 MPa，連桿力297.5 kN）。周期性變化的壓力易造成曲軸疲勞，影響曲軸壽命。

2.2 彎曲——扭轉(zhuǎn)疲勞的影響

曲軸長時間運(yùn)行后，軸頸與軸瓦產(chǎn)生差異磨損，導(dǎo)致曲軸軸線不正，彎曲應(yīng)力就會增大；在曲軸主軸承螺母的松動而讓軸頸失掉支承的狀況下工作，曲軸也會產(chǎn)生較大的交變彎曲應(yīng)力。

主軸頸磨損后，重量減輕，軸線向連桿軸頸側(cè)移動，進(jìn)而力臂失衡，隨之就會產(chǎn)生不平衡轉(zhuǎn)矩。當(dāng)氣體壓力扭矩或往復(fù)慣性力扭矩的變化頻率與曲軸固有的頻率相等或成整數(shù)倍時，會產(chǎn)生共振。強(qiáng)烈的共振會破壞發(fā)動機(jī)的平衡，使柴油機(jī)震動、噪音加劇，曲軸轉(zhuǎn)速也不再穩(wěn)定。曲軸本身則由于強(qiáng)烈的扭振產(chǎn)生很大的交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，易于疲勞損壞。

2.3 曲軸結(jié)構(gòu)、材料及加工的影響

（1）過渡圓角過小。2000型12V190柴油機(jī)曲軸連桿軸頸處的過渡圓角為R5 mm，而曲軸的過渡圓角半徑要求不小于曲柄銷（連桿軸頸）徑的5%[1]。本來就小于常規(guī)的過渡圓角，修磨后會進(jìn)一步減小，易產(chǎn)生應(yīng)力集中加大，進(jìn)而產(chǎn)生初始微觀裂紋，隨后疲勞斷裂，如圖2所示。

（2）曲柄臂油堵孔的影響。檢查發(fā)現(xiàn)，在斷裂的曲軸之中，大多裂紋在連桿軸頸過渡圓角和曲柄臂油堵孔之間。并且油堵孔附近的斷裂面也為光滑面（圖3），說明此處也是疲勞破壞的疲勞源。所以，此處也是應(yīng)力集中的地方，需改變該孔的結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中。

（3）曲軸材料的影響。曲軸材料不達(dá)標(biāo)也是造成斷裂的重要原因，曲軸軸頸的表面處理尤為重要，均勻的硬度和較高的耐磨性，可減少曲軸軸頸的磨損，從而降低對其壽命影響最大的彎曲應(yīng)力的影響。特別是修磨過的曲軸，每次0.25 mm的磨削量，大大減少了曲軸軸頸表面的耐磨層，增加了發(fā)生嚴(yán)重磨損的可能性，所以在每次磨曲軸之后，應(yīng)進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，增強(qiáng)其機(jī)械性能。

曲軸的早期鍛造不夠，可能造成曲軸致密度不夠，機(jī)械性能達(dá)不到使用要求。曲軸內(nèi)部的夾雜、氣孔等缺陷對曲軸的壽命影響也很大。

（4）殘余應(yīng)力的影響。金屬工件在冷熱加工過程中都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力會降低構(gòu)件的強(qiáng)度和疲勞極限，造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂[2]。所以，投入使用前有必要進(jìn)行時效處理，時效處理時間不夠也是造成曲軸斷裂的原因。

圖2 過渡圓角處斷裂

圖3 油堵孔處斷裂

2.4 不當(dāng)操作與惡劣工況的影響

（1）不當(dāng)操作的影響。柴油機(jī)啟動后沒有充分運(yùn)轉(zhuǎn)，立即加大油門，全負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，不良影響：①潤滑不充分，極易造成曲軸的過度磨損甚至“燒瓦”；②曲軸溫度不高，脆性較大，易斷裂；③溫度變化過大，會產(chǎn)生較大的變溫應(yīng)力，即熱應(yīng)力。

（2）惡劣工況的影響。作為深井鉆機(jī)，特別是公司的7000 m鉆機(jī)，鉆井周期長、絞車負(fù)荷重、轉(zhuǎn)盤扭矩大、泥漿泵泵沖泵壓高，這會使與之配套的柴油機(jī)一直處于重負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，容易造成曲軸的疲勞斷裂。例如某井隊，雙車帶雙泵和轉(zhuǎn)盤，泵壓21 MPa，排量44 L/s，加上轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)，每臺柴油機(jī)分擔(dān)的功率達(dá)700 kW，將柴油機(jī)1200 r/min的轉(zhuǎn)速迅速降至850 r/min，接近怠速600 r/min，若長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，會極大影響曲軸壽命。

3 結(jié)論

（1）從斷口知曲軸的斷裂原因為疲勞破壞。

（2）曲軸斷裂的主要原因是連桿軸頸的過渡圓角過小及油堵孔處的應(yīng)力集中。

4 預(yù)防措施

（1）定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，確保潤滑油道通暢，特別是主軸承與主軸頸之間的潤滑，防止過度磨損造成主軸頸軸線偏離，從而引起彎曲疲勞破壞。

（2）在每次中修作業(yè)時盡可能對曲軸進(jìn)行無損檢測，消除早期細(xì)微裂紋，防止突發(fā)事故發(fā)生。消除裂紋時不能減小過渡圓角的半徑。

（3）加強(qiáng)減振器和連接器部件的維護(hù)保養(yǎng)，對發(fā)生扭曲、斷裂的金屬橡膠座進(jìn)行及時更換，保證其運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好。搬安后，精確調(diào)校柴油機(jī)與變矩器（或偶合器）的同軸度，調(diào)校好后在柴油機(jī)和變矩器（或偶合器）底部焊接限位塊，防止運(yùn)行過程中產(chǎn)生移位，對柴油機(jī)曲軸造成損傷。

（4）正確操作柴油機(jī)。按照柴油機(jī)操作規(guī)程，緩慢變速，禁止速度猛增猛減。特別是起機(jī)后，必須要高溫循環(huán)水溫升至40℃以上，方可逐漸加載。

（5）定期檢查配氣定時，調(diào)校噴油泵，防止爆震對曲軸的危害。