汽車發(fā)動機曲軸加工工藝及夾具設計

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工程故障分析 期刊主頁：www.elsevier.com/locate/engfailanal 直升機發(fā)動機曲軸的故障分析 V. 英凡特a,*，M.弗雷塔斯a,b，M.豐特a,c A拉耶塔，，高級技術學院，里斯本大學，羅維斯科·佩斯大道（1049-001），葡萄牙里斯本 b亞特蘭蒂斯 –大學管理，衛(wèi)生，技術與工程學院，法布里卡達波沃拉，2730-036葡萄牙巴卡雷納 c航海學校，2770-058帕喬德 阿克斯，葡萄牙 摘 要 提出了對屬于直升機發(fā)動機的曲軸故障的詳細分析。這項工作的主要目的是分析故障的特征并確定曲軸故障的根本原因。為了確定曲軸失效的原因，進行了材料分析，然后通過宏觀，微觀和微觀結構檢查斷裂表面來詳細觀察失效機理。曲軸斷裂的初步觀察表明，這種失效是由疲勞過程引起的，在疲勞過程中，斷裂表面顯示出明顯的循環(huán)傳播機制跡象。大量海灘痕跡的存在表明裂紋顯著擴展，其特征是由運行條件引起的發(fā)動機連續(xù)啟動和停止的影響。這些灘涂覆蓋了斷裂表面總面積的約三分之二，并且沿著整個傳播區(qū)域，裂紋前沿的均勻幾何圖案沿著整個傳播區(qū)域得出的結論是，疲勞過程是由加載狀態(tài)發(fā)生的，該加載狀態(tài)主要由循環(huán)彎曲應力組成。曲軸網(wǎng)和曲軸主軸頸。在材料的表面或內部均未觀察到原始缺陷，該缺陷可能是裂紋產(chǎn)生，擴展和隨后的最終斷裂的根源。對應用于主軸頸的軸承的分析表明，軸承凸耳斷裂嚴重，據(jù)認為這是曲軸開裂的根源。 1. 引言 曲軸是發(fā)動機的結構部件和關鍵部件之一，該發(fā)動機將線性活塞運動轉換為旋轉運動，同時將力連桿轉換為扭矩。發(fā)動機曲軸的主要故障模式是疲勞，因為這種類型的部件會受到扭轉應力和旋轉彎曲應力的共同作用[1,2]。 限制曲軸疲勞強度的因素有：使用中的負載，部件或材料的不正確設計，制造缺陷或旋轉零件的潤滑不良。曲軸故障會加劇其他發(fā)動機零件的損壞，例如活塞，連桿等。[3]。 考慮到緩解措施，對此類損壞的故障分析可以避免類似的故障。因此，發(fā)動機曲軸故障研究的結果已經(jīng)在幾項研究中提出[1-13]。 工作 [6]提出了卡車柴油機曲軸的故障分析結果，其中曲軸的故障機理是疲勞和斷裂的多源。作者得出的結論是，期刊上缺乏強化案例的主要原因是失敗。[7]對柴油發(fā)動機曲軸的故障進行了有趣的研究，并提供了數(shù)值分析，其中在曲軸銷的圓角處觀察到了很大的應力。曲軸的故障與高循環(huán)疲勞有關。汽車曲軸的分析在[8,9]。 B.卡里姆[8]發(fā)現(xiàn)扭轉振動和潤滑性差是造成故障的主要因素，并提出了選擇合適的車輛曲軸的指南。在[9]概率的并進行統(tǒng)計分析以獲得組件的耐用性。 圖1 直升機發(fā)動機 李偉等人介紹了曲軸故障的結果。[10]中使用實驗方法和理論計算得出的結論是，斷裂是由于高應力集中所致。 文章對曲軸球墨鑄鐵的疲勞和斷裂行為進行了評估[11]。 斷裂機理是微裂紋和二次裂紋（接近節(jié)狀石墨）。如圖所示，本研究中分析的零部件，曲軸和相應的殼體軸承屬于直升機發(fā)動機如圖1。 曲軸在主軸頸3和曲柄腹板之間發(fā)生故障，斷裂的曲軸的兩個部分如圖所示圖2。 放置在發(fā)動機主軸頸底座上的殼體軸承也顯示在圖3。 這些外殼軸承的編號與曲軸主軸頸（圖4），并根據(jù)直升機中曲軸箱的位置在右側或左側如圖5。圖6中顯示了曲軸箱的右側，其中故障曲軸從主軸頸圓角開始沿橫向腹板部分斷裂n.3 2. 曲軸故障 2.1. 發(fā)動機 直升機發(fā)動機（圖1）是水平對置的風冷六缸（平箱型），容量為200 HP。曲軸箱的右側顯示為圖6，可以確定從主軸頸1到主軸頸3出現(xiàn)故障的曲軸部分，并在其中觀察到故障。 2.2. 曲軸 曲軸的斷裂面，見圖7目視觀察并通過光學顯微鏡觀察，以表征斷裂表面并確定導致部件失效的裂紋的萌生和擴展。 圖8顯示了對應于圖中A面的一個斷裂面圖7，顯示出平坦和平坦的區(qū)域，在這些區(qū)域中，由于疲勞裂紋而導致斷裂明顯。 對該斷裂面的更詳細觀察表明，裂紋面的擴展與取決于加載周期的斷裂機理的發(fā)生相容。起始區(qū)域附近的斷裂表面上的灘涂是疲勞傳播特性[12]。 圖2 曲軸附近主軸整體斷裂的曲軸3 圖3 外殼軸承2、3和4，左右 圖4 曲軸組件概述 如圖所示，在裂紋擴展區(qū)有一個潤滑孔如圖8。 通過光學顯微鏡觀察斷口表面，可以確認斷口區(qū)域呈現(xiàn)出相對規(guī)則的表面，斷口表面有兩個不同的區(qū)域：第一個靠近裂紋萌生區(qū)，應力集中表明裂紋萌生區(qū)緩慢擴展沿著表面造成零件斷裂，第二個零件沿表面?zhèn)鞑ィ钡阶罱K斷裂為止。 在裂縫表面觀察到海灘痕跡，覆蓋裂縫區(qū)域的約2/3如圖9。然而，剩余區(qū)域呈現(xiàn)出獨特的形態(tài)圖案，其特征在于，由于較小的電阻區(qū)域而導致的過載導致更大的表面粗糙度，該較小的電阻區(qū)域突然發(fā)生并且在部件整體分離的最終時刻之前。這些標志清晰可見，而且數(shù)量眾多如圖9，表明由于使用條件對零部件的連續(xù)啟動和停止的影響，裂紋尖端處出現(xiàn)了明顯的疲勞裂紋擴展。從觀察到的灘涂可以看到的另一個特征是它們均勻的前進方式，沒有明顯的證據(jù)表明扭轉效應會改變裂紋前沿的方向。在光學顯微鏡下，曲軸斷裂表面上的一條徑向線也可見，如圖10。 圖5 曲軸相關零件 圖6 曲軸箱和曲軸斷裂 圖7 曲軸兩側的整體視圖a）A面；b）B面 疲勞斷裂面積 圖8 曲軸的斷裂面（A面） 圖9 海灘痕跡 對應于兩個平面的交點，其中裂紋的兩個起點獨立傳播，直到最終斷裂發(fā)生。在圖10還可以觀察到位于裂紋擴展區(qū)的棘輪痕跡的存在。這些棘輪標記始于最大的作用力區(qū)域，與局部驗證的高應力有關[13]。 圖11是的放大圖像圖10在兩個疲勞裂紋的起始區(qū)，分別為裂紋1和裂紋2如圖11a和b。 圖12示出了在斷裂表面和軸頸表面之間的邊緣，其中沒有檢測到初始的冶金缺陷，但是在主軸頸表面上觀察到了圓周標記。 圖13是一張帶有斷裂面的曲軸內平面的照片，其中可見不同的疲勞傳播平面。可以看出，裂紋2的傳播平面與裂紋1的傳播平面相交，在那里可以觀察到一些次級裂紋的存在。還觀察到沿著主表面的圓周痕跡的存在。 棘輪效應 裂縫1 裂縫2 輻射線 圖10 徑向線和棘輪現(xiàn)象以及斷裂面的起始區(qū)域 圖11 放大倍數(shù)圖14. a）裂紋1；b）裂紋2 裂縫傳播路徑1 裂縫傳播路徑2 圖12 斷裂面和零部件表面之間的邊緣 圖13 曲柄表面的細節(jié) 并與裂紋萌生和擴展的方向一致。這些圓周痕跡一定是由軸承殼的接觸引起的。如圖3所示，在軸承座的側面平行曲軸軸承的軸線的運動中，該側面在曲軸的一致區(qū)域中。 3. 故障分析 在觀察曲軸斷裂面和觀察到的主軸頸損傷之后n.3重要的是找到促進疲勞裂紋引發(fā)曲軸斷裂的機制。在對發(fā)動機的其余部件進行詳細觀察期間，可以發(fā)現(xiàn)殼形軸承沒有呈現(xiàn)出制造商定義的幾何形狀，即右殼形軸承的定位凸耳的配置n.3和4所示如圖14。 因此，決定詳細分析這些組件。 圖14 a，b和c顯示了左右殼軸承n.4、3和2分別對應于各個主要期刊?？梢钥闯?，在右殼上帶有n.3和n.4看不到促進軸瓦軸承和主軸頸之間連接的定位凸耳，右軸瓦軸承的定位凸耳n.2已損壞。左殼軸承的視覺觀察n.2、3和4在接線片的位置未顯示任何損壞。 還通過光學顯微鏡觀察了殼體軸承，以確定殼體軸承3和4（右側）的定位凸耳是否最初存在。 圖15顯示右軸承座的位置凸耳n.2可以觀察其橫向磨損。顯然，如果曲軸要長時間運行，則該定位凸耳最終將被磨損，直到完全卸下。 對右側軸承座的定位凸耳附近區(qū)域的詳細觀察n.2允許檢測定位凸耳區(qū)域中的裂紋如圖16，這可能是由于此類定位凸耳的制造過程所致。 圖17顯示了右殼軸承的位置凸耳區(qū)域n.4顯示了沒有定位凸耳和橫向由于蓋相對于曲軸主軸頸軸承的軸線平行運動而產(chǎn)生裂紋。從觀察圖17可以預見的是，在初次組裝時，外殼軸承為n.4中的定位凸耳具有定位凸耳，并且可以得出的結論是，定位凸耳磨損的原因是由于軸承的軸向摩擦運動引起的。 左殼軸承n.3 左殼軸承n.4 左殼軸承n.2 右殼軸承n.2 右殼軸承n.3 右殼軸承n.4 圖14 帶有a）的殼 左右4個；b）n.左右3個；c）2個左右 圖15 右殼軸承n.2 位置凸耳 圖16 右殼軸承n.2 位置接線片的區(qū)域 圖17 右殼軸承n.4 裂紋位于定位凸耳區(qū)域 圖18 右殼軸承n.3 定位耳和領帶的區(qū)域 右殼軸承n.3還顯示了由于定位凸耳的存在而產(chǎn)生的裂縫，盡管在某些情況下定位凸耳不可見。圖18還顯示了軸承的端部的塑性變形n.3所示的實施例中，由于在直升機發(fā)動機操作期間平行于殼體軸承所經(jīng)受的軸線的運動而形成了頸帶。該證據(jù)表明，主軸頸上的圓周表面標記如圖13是由于殼軸承的軸向運動而使殼軸承與該表面接觸而引發(fā)的n.3緊貼曲柄腹板和主軸頸的表面，不僅使殼軸承（頸帶）發(fā)生塑性變形，而且在支撐件中出現(xiàn)了磨損痕跡，從而促進了兩個疲勞裂紋的產(chǎn)生。在圖19可以更詳細地觀察到軸承座的頸帶。顯然，觀察到的殼體軸承的塑性變形和磨損導致曲軸腹板和主軸頸的損壞，從而導致曲軸的裂紋萌生和最終失效。在左殼軸承上檢測到任何類型的磨損現(xiàn)象。 輸出角度 輸入角度 圖19 右殼軸承n.3 頸帶區(qū) 4. 結論 - 斷裂表面的視覺觀察和光學顯微鏡觀察顯示出循環(huán)傳播機理的跡象以及曲柄銷的腹板圓角處出現(xiàn)疲勞過程n.3; - 大量海灘痕跡的存在表明了材料的塑性變形，這是由于工作條件對部件的連續(xù)啟動和停止的影響。這些海灘痕跡覆蓋了斷裂表面總面積的三分之二，并且沿著整個傳播區(qū)域的裂紋前部具有均勻的幾何圖案，可以得出這樣的結論：疲勞過程是由基本由循環(huán)彎曲組成的加載狀態(tài)引起的主軸頸和曲柄網(wǎng)之間的應力； - 在曲軸主軸頸的表面上或在內部的材料中均未觀察到缺陷，這些缺陷可能是部件破裂的根源。 - 可以看到兩個獨立擴展的裂紋的產(chǎn)生。 - 右殼體軸承的接觸引起的圓周痕跡n.3中的曲柄表面顯示了由右殼軸承n.3引起的損壞在曲軸表面區(qū)域，這促進了曲軸腹表面上兩個疲勞裂紋的產(chǎn)生；外殼軸承與曲柄腹板在斷裂區(qū)域的接觸是由于右側外殼軸承的定位凸耳的磨損和斷裂所致。 致謝 這項工作得到了運輸和航空學聯(lián)合實驗室（LAETA）之下的機械工程學院（IDMEC）的“Funda??opara aCiênciaea Tecnologia”（FCT）的支持，項目UID / EMS / 50022 / 2019。 參考文獻 【1】M．方特，李斌，L.里斯，M.弗雷特斯，機動車曲軸故障分析，35（2013）147-152 【2】M.方特，V.阿納斯，P.杜蘭特，L.雷斯，M.弗雷特斯,柴油發(fā)電機曲軸故障分析，56（2015）109-115 【3】L.維特克，《柴油機排氣門的故障和熱機械應力分析》66（2016）154-165 【4】M.方特，V.英凡特，L.雷斯，M.弗雷特斯，柴油發(fā)動機曲軸的失效模式分析，82（2017年12月）681–686 【5】M.方特，P.杜蘭特，L.雷斯，M.弗雷特斯，V.英凡特，單缸柴油機兩個曲軸的失效模式分析，56（2015年12月）185-193 【6】徐曉磊，于志偉，卡車柴油發(fā)動機曲軸的故障分析，92（2018年10月）84-94 【7】露西簡 維特克，邁克爾 西柯拉，托馬茲 崔澤皮斯尼斯克，柴油機曲軸的應力和故障分析，82（2017年12月）703-712 【8】B.卡爾莫，維修改裝模型方法下汽車曲軸的機械故障分析，80（2017年10月）87-101 【9】SSK 辛格，S.阿布都阿，N.尼卡不都阿，了解汽車曲軸隨機疲勞失效的需求：綜述，80（2017年10月），464-471 【10】李偉，閆慶，薛建華，曲軸疲勞失效分析，55（2015年9月）139-147 【11】默罕默德 賈瑪阿克汗尼 卡汗蒙，默罕默德 阿扎迪，EN-GJS700-2球墨鑄鐵高周彎曲疲勞和斷裂行為的評估85（2018年3月）189–200 【12】何塞·m·席爾瓦，米格爾·a，斯力瓦恩斯特，V. 英凡特，顯微鏡技術在飛機故障曲軸的法醫(yī)分析中的應用，21（S6）（2015年8月）102-103 【13】V. 英凡特，JM 斯里瓦，M. 斯力瓦恩斯特，R.巴提斯塔，航空發(fā)動機曲軸的故障：為基于斷裂的事故調查做出的貢獻35（2013年12月15日）286-293