關(guān)于我國生產(chǎn)的12V190柴油機曲軸斷裂的原因及預(yù)防

        12V190柴油機是石油鉆機的主要動力設(shè)備。柴油機曲軸是柴油機重要的部件。曲軸工作時，承受著拉、壓、彎等周期交變應(yīng)力作用和扭轉(zhuǎn)振動，受力復(fù)雜。以12V190柴油機連續(xù)出現(xiàn)曲軸斷裂     12V190柴油機是石油鉆機的主要動力設(shè)備。柴油機曲軸是柴油機重要的部件。曲軸工作時，承受著拉、壓、彎等周期交變應(yīng)力作用和扭轉(zhuǎn)振動，受力復(fù)雜。以12V190柴油機連續(xù)出現(xiàn)曲軸斷裂事故為例，探討曲軸修理和使用過程中，如何預(yù)防曲軸斷裂問題。
    一、曲軸斷裂面特征
    1.曲軸斷口與位置
    所有曲軸斷口上均有明顯的光滑區(qū)和粗糙區(qū)。說明曲軸是在疲勞破壞下發(fā)生斷裂的。曲軸外部形狀尺寸突然變化，具備局部應(yīng)力集中的條件，在復(fù)雜的拉、壓、彎、扭等周期交變應(yīng)力作用和扭轉(zhuǎn)振動作用下，會在應(yīng)力集中處首先形成初始微觀裂紋，分散的微觀裂紋經(jīng)過集結(jié)溝通，將形成宏觀裂紋即疲勞源。裂紋擴展過程中，裂紋的兩個側(cè)面在交變載荷下，時而壓緊，時而分開，多次反復(fù)，形成斷口的光滑區(qū)。粗糙區(qū)則是在裂紋達到臨界零件尺寸后，在應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較少的情況下迅速斷裂形成的。
    在所考察的曲軸中，斷裂位置均發(fā)生在主軸頸與連桿軸頸之間和連桿軸頸段（），有兩種情況：(1)在主軸頸圓角處與連桿軸頸圓角處之間的A—A截面。主軸頸過渡圓角處具有明顯的占截面較小份額的光滑區(qū)，而其對面的連桿軸頸過渡圓角處具有較大的粗糙區(qū)，說明裂紋是先從主軸頸過渡圓角處產(chǎn)生的，逐步擴大之后，通過曲柄臂發(fā)展到連桿軸頸過渡圓角處斷裂開。(2)在連桿軸頸靠近曲柄的圓角處的B—B截面。用同樣的方法可以判斷出裂紋是先從連桿軸頸過渡圓角處開始產(chǎn)生，逐步斜向遠離曲柄位置發(fā)展，擴大之后斷裂。

 2.各曲軸斷裂情況 在多根斷裂的曲軸中選出6根見表1，表1中連桿軸頸和主軸頸編號是從飛輪端開始的。 表1 各曲軸斷裂情況 " 

    2.各曲軸斷裂情況
    在多根斷裂的曲軸中選出6根見表1，表1中連桿軸頸和主軸頸編號是從飛輪端開始的。

表1   各曲軸斷裂情況
  (責(zé)任編輯：華全動力) 二、曲軸斷裂原因分析 在近似穩(wěn)定的交變載荷下，柴油機曲軸一般能達到正常使用壽命。但是，發(fā)生比正常壽命提前許多的斷裂情況，往往是與大修過程 " 

    二、曲軸斷裂原因分析
    在近似穩(wěn)定的交變載荷下，柴油機曲軸一般能達到正常使用壽命。但是，發(fā)生比正常壽命提前許多的斷裂情況，往往是與大修過程中磨軸修理、矯直等措施不當(dāng)分不開的。
    1.不平衡載荷的影響
    (1)不平衡重量。在磨曲軸時，連桿軸頸尺寸變小后，與原始出廠相比，重量會減小。
    (2)不平衡力臂。曲軸彎曲所采用的磨主軸頸的方法來保證各個主軸頸的同心度工藝，會導(dǎo)致主軸重量減小，主軸軸線向曲柄方向平移，產(chǎn)生不平衡力臂。
    (3)不平衡轉(zhuǎn)矩。不平衡重量和不平衡力臂導(dǎo)致不平衡轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。例如：假設(shè)一個平衡塊重13.5kg，該塊平衡塊因旋轉(zhuǎn)軸線平移0.2mm，則可產(chǎn)生270g•cm的不平衡轉(zhuǎn)矩；若兩塊平衡塊因旋轉(zhuǎn)軸線的平移0.2mm，則可產(chǎn)生540g•cm的不平衡轉(zhuǎn)矩。如果φ130mm的連桿軸頸磨去兩級（0.5mm），則其重量減輕99.998，在曲柄旋轉(zhuǎn)半徑105mm處減少1050g•cm的不平衡轉(zhuǎn)矩；與之相對應(yīng)的平衡塊處，就多出1050g•cm的不平衡轉(zhuǎn)矩。因為，這兩個不平衡轉(zhuǎn)矩在一個方向上，總的不平衡轉(zhuǎn)矩相加后可達15908g•cm。曲軸旋轉(zhuǎn)運動時，不平衡轉(zhuǎn)矩加劇了曲軸的扭振作用。
    由于第4主軸頸大約在整個曲軸的中間位置，曲軸上各橫向載荷作用下產(chǎn)生的彎矩疊加后，在曲軸的中間位置達到最大，彎曲應(yīng)力也達最大；而不平衡離心力引起的附加彎曲應(yīng)力在此處也達到最大，這就是所分析的6根曲軸都在第4主軸頸附近斷裂的主要原因，所受彎矩方向在第3曲柄和第4曲柄的反方向上。
以上分析表明，在柴油機曲軸的修理過程中，不平衡離心力對曲軸的工作影響不可忽視，應(yīng)想辦法消除不平衡離心力對曲軸壽命的影響。
    2.扭振臨界轉(zhuǎn)速的影響
    柴油機運轉(zhuǎn)時，曲軸系統(tǒng)受到大小和方向周期性變化著的氣體壓力和運動零件慣性力的作用，這些力會使曲軸相對于飛輪發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形而引起扭振，即強制振動。柴油機運轉(zhuǎn)時，易在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生強烈共振，發(fā)生共振時的曲軸轉(zhuǎn)速即臨界轉(zhuǎn)速，輕則引發(fā)較大的噪聲，加劇與曲軸相連齒輪系的磨損，重則使曲軸扭斷。Z12V190B型柴油機曲軸的自振頻率是8400次／min，當(dāng)柴油機的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速的某一分數(shù)時，曲軸的扭振振幅也可以超出允許限度。通過計算可知，Z12V190B型柴油機曲軸的主臨界轉(zhuǎn)速為1400r/min，次臨界轉(zhuǎn)速為933r/min。如果柴油機工作過程中，把其轉(zhuǎn)速設(shè)置在這兩個轉(zhuǎn)速附近，對曲軸來說都是比較危險的。 (責(zé)任編輯：華全動力) 3.修理方法不當(dāng)?shù)挠绊?(1)滲氮層厚度的減少。原廠的柴油機曲軸頸表面經(jīng)氮化處理，具有較高的耐磨性。經(jīng)過磨修后，軸頸表面滲氮層的厚度減少，降低了 " style="float:right; clear:both; top:0; vertical-align:top;">  
     3.修理方法不當(dāng)?shù)挠绊?br />     (1)滲氮層厚度的減少。原廠的柴油機曲軸頸表面經(jīng)氮化處理，具有較高的耐磨性。經(jīng)過磨修后，軸頸表面滲氮層的厚度減少，降低了曲軸的抗疲勞性和耐磨性。
    (2)未進行動平衡調(diào)試。曲軸經(jīng)過磨修或矯直后，若不進行動平衡調(diào)試，未使不平衡載荷得到有效控制，曲軸的疲勞強度會大大降低。
    (3)過渡圓角變小。經(jīng)過磨修后的曲軸，各個過渡圓角半徑R比設(shè)計圖紙上標(biāo)注的小，致使曲軸過渡圓角處應(yīng)力集中加大，易促成曲軸在此產(chǎn)生初始微觀裂紋。
    4.惡劣工況與局部結(jié)構(gòu)不合理的影響
    (1)惡劣工況影響。所考察的柴油機長期處于惡劣條件下的大負荷工作，新疆南疆鉆機所鉆井深一般在5000m以上，與東部地區(qū)井深一般在3000m左右相比，鉆井周期長、大鉤負荷大、轉(zhuǎn)盤扭矩大、泥漿泵功率大，使得鉆機上所配套的12V190柴油機長時間大負荷工作。
    (2)局部結(jié)構(gòu)的影響。主要原因是連桿軸頸表面油道口的位置及油道方向不當(dāng)，致使在局部形成的油膜質(zhì)量變差，導(dǎo)致曲軸的連桿軸頸內(nèi)側(cè)磨損大，軸頸橢圓度超差，從而磨修曲軸，進而導(dǎo)致不平衡載荷的產(chǎn)生。尤其是當(dāng)活塞處于膨脹做功下行過程中，連桿軸頸旋轉(zhuǎn)到某特定位置時，使其承載寬度變小，單位面積上承受的壓力相對較高，油膜易遭破壞；其次，當(dāng)連桿大頭中心旋轉(zhuǎn)至主軸軸線以下位置時，連桿軸瓦內(nèi)表面相對連桿軸頸表面滑動速度較低，油膜厚度變薄，均使軸頸表面產(chǎn)生磨損；油道方向不當(dāng)也降低了潤滑油的相對流動速度，致使所形成的油膜質(zhì)量變差。除此之外，曲軸意外負荷突增、沖擊、使用維護不當(dāng)，均可促成曲軸斷裂。 (責(zé)任編輯：華全動力) 三、預(yù)防曲軸斷裂的措施 1.設(shè)置柴油機工作轉(zhuǎn)速時，避開臨界轉(zhuǎn)速，即1400r/min和933r/min。 2.改變連桿軸頸表面油道口位置和油道方向。當(dāng)連桿軸頸表面承受 " style="float:right; clear:both; top:0; vertical-align:top;">  
    三、預(yù)防曲軸斷裂的措施
    1.設(shè)置柴油機工作轉(zhuǎn)速時，避開臨界轉(zhuǎn)速，即1400r/min和933r/min。
    2.改變連桿軸頸表面油道口位置和油道方向。當(dāng)連桿軸頸表面承受連桿較大的單位面積作用力時，避免油道口附近表面處于較高壓力位置；通過改變油道方向提高潤滑油的相對流動速度，從而改善連桿軸頸內(nèi)側(cè)磨損大的現(xiàn)象。避免在一次大修周期內(nèi)連桿軸頸偏磨或減小連桿軸頸偏磨，就可以在大修時按照修理標(biāo)準要求不磨曲軸或減少磨削量。
    3.加大過渡圓角半徑。使得R/D>0.05或R=0.05～0.06D(R—圓角半徑，D—主軸直徑或連桿軸徑)，減小有效應(yīng)力集中系數(shù)。
    4.滲氮。磨軸磨削量超過一定厚度后，進行表面滲氮處理，以增加曲軸的耐磨性和抗擠強度。
    5.做動平衡試驗并配重。每次曲軸磨修完后，做動平衡試驗并配重，保證大修質(zhì)量。此外，為了方便每次大修時曲軸動平衡試驗，建議廠家：①在加工平衡塊時，在安全、牢固、方便、合理的位置上預(yù)先安置小“砝碼”，通過調(diào)節(jié)“琺碼”位置來配重。例如：對于12V 190大型柴油機，其曲軸尺寸較大，平衡塊比較大�？稍谶B桿軸頸軸線相對于主軸軸線的對稱位置或其徑向延長線上做一個緊配合的螺柱，其中間設(shè)置一個內(nèi)六方形的通孔，插入內(nèi)六方扳手，就可調(diào)節(jié)螺柱的位置。柴油機大修磨軸后，通過調(diào)節(jié)螺柱的位置或減輕其重量，即可達到調(diào)節(jié)動平衡的作用。②廠家在做動平衡調(diào)試時，應(yīng)考慮單個連桿軸頸油道內(nèi)機油重量（約0.17kg）對動平衡的影響。
    6.嚴格認真執(zhí)行柴油機使用、維護、修理相關(guān)標(biāo)準與規(guī)定。

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