某高功率六缸柴油機曲軸斷裂失效分析

魏順冬 費運嘉 付艷麗 張典 馮峰

摘 要：某高功率柴油機客戶使用時曲軸主軸頸發生斷裂，經過對故障柴油機相關零部件進行檢查分析，和對故障曲軸斷口形貌、化學成分、機械性能、金相組織、淬火深度和硬度等進行檢測和綜合分析，找出了曲軸斷裂的主要原因，并提出了改進措施。

關鍵詞：柴油機 曲軸斷裂 失效分析

1 引言

某高功率水冷6缸直列柴油機在客戶使用5萬公里后突然發生斷裂，拆解發現，第4檔主軸頸與第4檔連桿頸曲柄處發生斷裂，油底殼內曲軸止推片脫落，缸體磨損。活塞連桿組件中，發現第4檔主軸瓦與軸頸粘咬，連桿大端高溫發黑，第4檔連桿瓦至曲軸斷裂處邊緣合金層脫落，鋼背層擠壓變薄。第四檔主軸頸前端止推片擠壓扭曲，第四檔主軸頸后端止推片燒蝕、發黑變形，缸體止推片處有與曲柄擦碰印痕。缸體對應軸承蓋合裝面有凸起環形臺階，高度大于0.2mm。曲軸軸承粘咬抱死，外圓滾動定位唇切削。本文對該故障的原因進行綜合分析。

2 相關零部件檢查和分析

（1）第1、2、3、5、6缸活塞、連桿、軸瓦未見有拉傷、抱咬等異常磨損現象;

（2）配氣機構組件，包括搖臂滾輪、襯套部件，凸輪軸凸輪及凸輪軸軸瓦未見有異常磨損現象;

（3）齒輪系組件，包括雙聯齒輪、空氣壓縮機惰輪、噴油泵惰輪、凸輪軸惰輪襯套未見有異常磨損現象;

（4）扭轉減振器復測合格。

經過以上零件檢查，可以排除機油壓力低帶來的潤滑不良問題導致的軸瓦抱瓦斷軸;也可以排除因扭轉減振器失效導致的曲軸斷裂。結合這款設計的曲軸在耐久試驗階段通過了上萬小時的臺架耐久試驗和整車路試耐久試驗，均未發生曲軸任何形式的損壞的實際情況，可以排除曲軸設計原因導致的曲軸斷裂。

3 曲軸本體檢查和分析

3.1 目視檢驗

如圖1所示，嚴重的故障發生在第4主軸頸和第4連桿頸之間的線板區域。甚至在磁粉探傷前，可以清晰地在第4主軸頸的靠近前鼻端的圓角處發現清晰的裂縫。

3.2 磁粉探傷

如圖2所示，斷裂軸頸，裂縫清晰可見;在部分軸頸處，發現超過約20mm的磁痕和開口磁痕（即肉眼可見磁痕）;部分圓角處發現磁痕;平衡塊處也存在長度大于50mm的磁痕和開口磁痕。

3.3 宏觀斷口查看分析

如圖3所示，給出了整個曲軸的形貌與斷裂位置（紅圈所示）。從圖3可以看出，端口兩側曲軸除第4檔外，其余部分基本沒有破壞。圖4是將對偶斷口復位后，斷裂位置兩側的局部形貌。由端口的開裂方向可見，斷裂面與曲軸橫向成約60度夾角，這表明斷裂傾斜于曲軸縱向，曲軸的斷裂承受彎曲和扭轉負荷載荷的作用。

如圖5所示，裂紋起始位置在主軸頸與曲柄連接的根部圓角處，此處是應力集中部位。白色箭頭指出了斷裂源位置。

如圖6所示，軸頸斷口的宏觀形貌。放大后仔細查看，可以看到裂紋擴展的貝殼狀弧線，圖紙初始裂紋位置指出了這種形貌，屬于疲勞斷裂的典型宏觀特征。除此以外，在遠離初始裂紋位置，其他部位也發現裂紋擴展的貝殼線，放大后仔細查看，判斷此處為從圓角處開始的第二次疲勞裂紋。

3.4 曲軸材料的化學成分分析

從斷裂軸取下一塊符合成分分析的標準樣品，經磨削加工后，用熒光光譜儀進行成分分析，結果見表1。表中同時列出了42CrMoA材料相應的國家標準。

分析表明，曲軸材料的化學成分符合國家對42CrMoA鋼的要求。

3.5 曲軸材料的力學性能檢驗

材料的力學性能是承載構件的主要設計指標，曲軸材料的斷裂破壞往往與其力學性能密切相關。為此，對失效曲軸進行了拉伸力學性能、和不同部位材料表面硬度的測試。結果列于表2。表中同時列出了產品標準的規定值。

結果表明，曲軸材料的各項力學性能都滿足產品標準的規定值。

3.6 曲軸截面淬火硬度層的深度測量

選取一般位置（非靠近破壞位置）的曲軸主軸頸和連桿頸及其過渡圓角處的淬硬層深度，如表3所示，曲軸與圓角各部位的淬硬層深度都滿足相應的要求，但淬硬層深度相差較大，表面硬度偏低，而實際產品應用中，軸頸的淬硬層對疲勞裂紋的產生都有很重要的抑制作用。

3.7 曲軸截面淬火硬度層的硬度梯度測量

按圖7和圖8位置制取主軸頸和連桿頸表面淬火試片，檢測軸頸中頻淬火硬度梯度，檢驗結果見表4，淬硬層表面硬度普遍偏低，且主軸頸R角處存在硬度不合格情況。

3.8 金相組織檢查

如圖9所示，A，B所指位置為第一次淬火層，C所指位置為第二次淬火層;對淬火層進行金相組織檢查，結果見圖11和圖12，發現第一次和第二次淬火層都是較細小的馬氏體，但仔細分辨第二次的組織相比較第一次的組織要粗大些。

4 結語

（1）曲軸斷裂失效是由于疲勞斷裂引起的;（2）化學成分、金相組織、材料的拉伸力學性能和淬硬層深度都符合規范;（3）磁粉探傷顯示在部分軸頸處，發現超過約20mm的磁痕和開口磁痕（即肉眼可見磁痕）;部分圓角處發現磁痕;平衡塊處也存在長度大于50mm的磁痕和開口磁痕。但這些磁痕并不是導致曲軸斷裂的直接原因;（4）曲軸疲勞裂紋起始于主軸頸軸跟部過渡圓角的應力集中處，在交變扭轉和彎曲應力隨著時間的聯合作用下，結合淬硬層硬度偏低（52HRC以下），淬硬層深度相差較大和主軸頸R角處存在硬度不合格的實際情況，是導致曲軸最終疲勞斷裂的主要原因。

5 建議

（1）淬硬層硬度偏低（低于52HRC）和存在不合格區域，可適當提高到52-56HRC，并嚴格控制保證淬硬層硬度合格;（2）把控淬硬層深度的差異性，適當加強軸頸過渡圓角處的淬硬層深度，軸頸的淬硬層對疲勞裂紋的產生都有很重要的抑制作用;（3）圓角處不允許有任何磁痕，軸頸處不允許表面存在任何開口磁痕，雖然發現的這些磁痕和此例曲軸失效無直接關系，但這同樣可能會導致類似嚴重的發動機失效。

參考文獻：

[1]楊連生.內燃機設計[M]，北京：中國農業機械出版社，1981.

[2]陳予等.機車柴油機曲軸斷裂故障分析[J]，機車車輛工藝，2009，4（8）.

[3]高溫合金金相圖譜編輯委員會，高溫合金金像圖譜[M]，北京：冶金工業出版社，1979.

[4]Henry G，Hcrstmann D.宏觀斷口學及顯微斷口學[M]，北京：機械工業出版社，1990.

[5]GB/T 6394-2002. 金屬平均晶粒度測定方法（S）.