DF4D曲轴失效分析

摘 要：近期，连续发生DF4D机车柴油机曲轴裂纹失效的情况。针对其中一根曲轴进行宏观断口分析、金相检测、硬度检测等，分析曲轴产生裂纹失效的原因，并提出应对措施。

关键词：DF4D；裂纹失效；疲劳；螺堵

0 问题提出

柴油机曲轴在运用过程中受极大的交变载荷，所受应力复杂，应力分布计算结果表明，曲柄臂和连杆颈之间的过度圆角处应力最为集中。[1]

近期，连续发生多次DF4D曲轴裂纹失效、断裂的情况，给铁路机车的正常运用形成了严重的影响，造成了大量的经济损失。经过分析发现，这些曲轴都是从连杆颈前油孔处产生裂纹造成失效。

现针对其中一根曲轴进行失效分析。这根DF4D曲轴在厂内渗透探伤，发现一根长约300mm的裂纹，经观察发现该裂纹起始于轴颈上的油孔处，如图1所示。为分析裂纹产生的原因，我们对它做了宏观断口分析、金相检验、硬度测验。

1 宏观断口分析

切去油孔位置裂纹时，由于裂纹较深，裂纹两侧分离，可见裂纹打开后内部宏观形貌，如图3所示。

由裂纹内部宏观形貌可以看出，裂纹内部大部分呈细瓷状，可观察到由油孔孔口开槽处向内推进的放射状条纹和疲劳贝纹线，说明该曲轴裂纹为疲劳裂纹，由放射状条纹和贝纹线形状可以判断疲劳源位于油孔开槽处，且开裂时应力较高，裂纹裂纹扩展方向如图2中白色箭头所示。

2 金相试验

我们对试样进行了金相试验，其开槽处和芯部金相组织根据TB/T 2908-1998检测结果如表1所示，金相组织照片如图3-6所示；可见开槽处和芯部金相组织无明显区别。

3 硬度检验

我们对试样进行了硬度检测，其布氏硬度（HBW）为：293HBW10/3000，硬度符合技术条件（269～331HB）。

4 结论

1） 检测结果表明，该曲轴金相组织和硬度符合技术条件要求。

2） 该曲轴为裂纹疲劳裂纹，开裂时应力较大，疲劳源位于油孔孔口开槽处，如图7所示。该处曲柄壁较薄，易于形成应力集中现象，曲轴工作应力较高时易在此处产生疲劳裂纹。

5 对策分析

借鉴DF11机车柴油机曲轴的设计经验，取消开槽的结构设计，将油堵改为过盈配合，采用冻装的方式，既防止油堵脱落，又减弱了了曲柄臂由于加工变薄而造成的应力集中，延长曲轴使用寿命。

参考文献

[1] 刘必荣，基于ANSYS的小型柴油机曲轴应力分析。