柴油机曲轴断裂故障浅析

中图分类号：TK42文献标识码：A 文章编号：

修井用柴油机的曲轴断裂故障发生的几率并不是很高，但是压裂车车台发动机曲轴断裂却时有发生。曲轴断裂故障多属疲劳破坏，压裂车发动机曲轴因为承受的扭矩较大，加之使用周期较长，极易发生曲轴断裂的机械事故。因为曲轴是一个弹性轴，在回转中受到各缸交变的气体压力、往复惯性力和离心力，以及由此引起的弯矩、扭矩的作用，发生强迫扭转振动，形成复杂的交变应力和扭转或弯曲振动附加应力，加之曲轴形状复杂，刚性差，应力集中严重，一旦所承受的应力超过曲轴的疲劳强度（过载）就容易发生疲劳破坏。疲劳破坏一般可分为三种类型：扭转疲劳破坏、弯曲疲劳破坏和弯曲－扭转疲劳破坏。这里介绍的，是卡特彼勒3512型柴油机曲轴的弯曲疲劳断裂实例

根据现场对实物的断面观察和分析判断，图2所示的曲轴断裂面，具有扭转疲劳破坏的全部特征，断裂面上可以看到裂纹源出现在应力集中严重的油孔孔口边缘处（图中的左下方），并在轴颈上，沿着与轴线成45°角的两个方向发展，形成贝纹线分布明显的扩展区。扩展区约占曲轴整个断面的3/4以上。图中的上方是最终的瞬时断裂区，断面呈凸凹不平、晶粒明亮的撕裂状。图2所示的是曲轴弯曲疲劳断裂的断面。其特征是裂纹源出现在轴颈与曲柄臂的过渡圆角处（图中断面的右侧），断面与曲柄中心对称线垂直，断面上明显地存在贝纹状扩展区和瞬时断裂区。贝纹状扩展区占整个断面的2/3左右。

曲轴断裂故障除上述受力原因外，还与曲轴的结构因素（如设计、材料、制造工艺）和使用因素等对曲轴的疲劳强度的影响有关。从图中所显示的断面情况看，最终瞬时断裂区仅占曲轴断面的1/4～1/3。这说明该曲轴在运转中无过载或过载很小，即曲轴正常运转中所承受的载荷是在设计、制造的许用范围之内的。因此，应从使用因素分析曲轴疲劳破坏的原因。

柴油机的曲轴扭转断裂的直接原因是，曲轴发生强迫扭转振动时所受到的交变作用力矩是随曲柄转角变化的复杂周期函数，使用简谐分析法可以把它分解为无数个简谐次数不同的简谐力矩。当激振力矩所分解出的某次简谐力矩在某一转速范围的变化频率等于曲轴的某个固有自振频率时，就会发生共振。共振时会出现曲轴扭振振幅增大，但在扭振节点处的振幅为零、附加应力最大且温度升高等现象。当扭振附加应力超过曲轴的疲劳强度时，就会在节点处发生曲轴的扭转疲劳断裂。一般，在曲轴的设计、制造中就已采取多种措施，调整曲轴的固有自振力矩的变化频率，仍有可能发生共振现象。这是因为激振力矩中包括气缸中气体力产生的周期性变化的力矩、曲柄连杆机构的重力和惯性力的周期性变化的力矩以及曲轴所驱动的各机构的周期性变化的阻力矩等。其中气缸中气体力产生的周期性变化的力矩是使曲轴产生扭振的主要激振力矩。在多缸发动机上，各缸的气体力产生的周期性变化力矩的大小是否均衡，对激振力矩的变化频率有着直接的影响，是发生曲轴共振的潜在威胁。这是因为，当各缸气体力大小不等时，会在原有的扭振谐波中出现一个因各缸周期性变化的力矩振幅不等而形成的低频谐波（各缸气体压力大小不等的扭振波形变化每工作循环重复一次，即这种低频谐波的变化周期为720°，正常的变化周期与发火间隔角相等，为720°/ｉ）。实践证明，对曲轴有威胁的是那些振幅值较大、频率较低的交变力矩。在柴油机上，各缸所输出的力矩（或功率）不均衡恰是有别于汽油机的一个特殊问题。多数柴油机由于燃油系统使用柱塞式喷油泵对各缸供油（如卡特彼勒3512型柴油机），正常情况下，各缸的供油量就存在一定程度的不均匀度(额定转速下的供油量不均匀度应不大于3％，怠速时供油量不均匀度应不大于30％)。在柱塞偶件经过长时间磨损后，供油量不均匀现象更为严重，因而使各缸最大爆发压力大小不均，所产生的周期性变化的力矩大小也不等，出现严重的功率不平衡现象。其后果是加剧了曲轴扭转振动的附加应力，容易发生曲轴扭转疲劳破坏。同时，各缸功率大小不均又使得各道主轴承的磨损不均匀，导致曲轴轴线弯曲变形，使曲轴回转时，产生过大的附加交变弯曲应力，是发生曲轴弯曲疲劳破坏的主要原因之一。通常，曲轴弯曲疲劳破坏是在较长时间运转后发生的，这正是各道主轴承不均匀磨损的过程。一般，曲轴的第一道和最末一道主轴承的磨损要比中间其它几道的磨损要小一些，所以交变弯曲应力沿其长度方向的分布是中间和两端曲柄有较大值。使得曲轴弯曲疲劳破坏经常出现在曲轴中间或两端的曲柄上（如图2所示）。此外，在增压柴油机上各缸功率大小不均，曲轴的转速出现波动，又会使增压器发生喘振现象，这将影响各缸供气量的均匀性，使功率不平衡现象加剧（卡特彼勒3512B型柴油机为增压柴油机）。

从以上分析可知，多缸柴油机功率平衡直接影响着曲轴扭转振动强烈程度和主轴承磨损的均匀程度，是曲轴因使用条件变化而发生疲劳破坏的主要原因。为此，在柴油机的使用过程中应注意各缸功率平衡性的检查，定期校验喷油泵供油量的均匀性和喷油器雾化效果。有的柴油机的曲轴自由端装有减振器，也要注意定期检查减振器的工作情况是否正常。

上述分析是以发动机正常使用为基础的。如果发动机在长期超载情况下运转，作用在曲轴上的交变应力和扭转或弯曲振动附加应力都将大大超过许用值。其结果是曲轴严重过载，断裂故障会早期出现。而且，无论那一种断裂，其断面上的瞬时断裂区将占曲轴断面的1/2以上。这种非正常的损坏是应极力避免的。

作者简介：柴庆国 男 1973年10月6日出生 大庆油田有限责任公司井下分公司压裂大队压裂12队 助理工程师 注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。