第５卷第２期 ２００６年６月 南通航运职业技术学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＡＮ＇ｒＯＮＣ，ＶＯＣＡＴＩＯＮＡＬ＆ＴＥＥ｝玎 ＣＡＬ ＳＨＩＰＰＩＮＧ ＣＯＬＩＥＣ，Ｅ ＶｏＩ．５ Ｎｏ．２ Ｊｔｍ．２００６
柴油机曲轴故障浅析
王文贵，袁成岗 （南通－￣Ｌｉｇ．ｔｉｅ，．，ｌｋ技术学院轮机工程系，江苏南通２２６００６）
摘要：柴油机曲轴故障由曲轴本身质量及操作管理方面的原因而产生的．文章分析了因操作管理不当而引起的柴 油机曲轴故障现象，同时对其修复方法作简要阐述． 关键词：柴油机曲轴；故障；分析；修复 中图分类号：ＴＫ４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—９８９１（２００６）０２－００４２－０３
０引言 柴油机曲轴是柴油机中至关重要的机件，它的造价占整部柴油机的１／４左右。若曲轴发生故障，轻则 影响柴油机的动力性、经济性，重则会导致机毁人伤的重大事故。 曲轴由于活塞组件的往复运动变为回转运动，将作用于活塞上的燃气压力转变为动力矩并受到周期 性的变化。由于运动机件的惯性和离心力的作用，使曲轴产生扭转、弯曲、剪切和拉伸、压缩等复杂的交变 应力，同时受到海浪、风力、负荷的影响，因此曲轴的工作环境是极其恶劣的。 １ 柴油机曲轴故障及其分析 曲轴故障原因大多数是由管理操作不当引起的。 （１）柴油机长期超负荷工作使曲轴长期处于疲劳状态，或柴油机起动后没使柴油机过度运转，立即加 大油门高速运转，极易产生故障。因为曲轴原处于静止状态，由于曲轴本身及活塞连杆组件的重量作用，使 曲轴紧压着轴瓦，轴瓦中原含有的滑油大多被从曲轴与轴瓦的间隙中挤压出去。当曲轴处于高速运转时， 因为滑油少，不能形成油膜，曲轴与轴瓦之间不能产生液体磨擦，只能处于半干或干磨擦状态，致使轴瓦在 高温下熔化，即“烧瓦”，形成“瓦抱曲轴”的现象。 （２）曲轴和轴瓦磨损异常主要是润滑系统的故障造成的。油压低或滑油含水变稀，若曲轴轴瓦烧瓦后 在即将死机时，因气缸内活塞还在往复运动作功，加之飞轮的惯性，曲轴会继续转动一个转角。但此时轴瓦 已与曲轴抱在一起了，于是轴瓦在瓦座内也转动了一个转角，．操作人员强行转动曲轴或重新起动，使瓦座 磨损加剧。而新瓦装不上是因为“烧瓦”时高温使轴瓦合金熔化，瓦背和座孔表面机械强度下降，当熔化的 合金物被挤压出去后，轴瓦间隙突然变大导致轴瓦的定位凸肩滑出定位槽。 （３）滑油中含有机械杂质，或其他杂质颗粒，致使曲轴锥度和椭圆度的产生，因为曲轴的轴颈不圆，使 润滑油的分布不均，从而使润滑性能下降，轴瓦温度升高，导致“烧瓦”。 （４）连杆轴瓦间隙过大，滑油不易储存，间隙过小，滑油不足，轴瓦会咬住轴颈形成“烧瓦”。 （５）曲轴窜动，即曲轴的轴向移动量超过了规定值，由于柴油机的运转，使曲轴前移，迫使活塞连杆组 件位移。不仅造成曲轴以及活塞气缸套局部严重偏磨，引起柴油机大量耗用滑油，功率下降，还会产生严重 的敲击噪音。其原因是：为了防止曲轴窜动，多采用止推片来限位。安装时把有油槽的面靠轴承侧面，以使
曲轴过渡圆角处裂纹可修复性的有限元研究
任会芳任家隆王青
摘要针对船用柴油机曲轴因产生裂纹而导致失效的问题，进行可修复性研究。分析３种疲劳裂纹的成因、形态以及在零
件中的位置，依据校核静强度安全系数，对曲轴的刚度、硬度和承受载荷能力进行可靠性评估；依据校核疲劳强度安全系数，评
估船用柴油机再制造前后的疲劳寿命；利用１／４位移法求得曲轴圆角裂纹处的强度因子 ，对因产生裂纹而失效的曲轴进行应
力场仿真分析，并借助ｐａｉｒｓ公式求得裂纹扩展速率，评价曲轴的剩余疲劳寿命，判别其可修复性。
关键词可修复陛静强度疲劳强度应力场 １／４位移法ｐａｉｒｓ公式
中图分类号ＴＧ１１１．８ 文献标识码Ｂ
一、引言 曲轴作为船用柴油机的一个重要部件，其运行质量直接影
响整台柴油机的工作效率和可靠性。在工作过程中，由于运动机
件的惯性和离心力的作用，曲轴在扭转、弯曲、剪切、拉伸和压缩
等复杂的交变应力作用下，应力集中部位易产生裂纹，裂纹若不 及时修复或修复不当，会导致曲轴断裂。曲轴的制造成本约占整
个柴油机的２０％，对于因产生裂纹而导致失效的曲轴，进行静
强度和疲劳强度校核，并对曲轴拐角处的三维裂纹进行应力场 分析，得出强度因子，根据ｐａｉｒｓ公式测出其剩余疲劳寿命，这一
计算结果对于柴油机曲轴的修复具有一定的指导意义。
二、曲轴裂纹和断裂失效分析
船用柴油机工作时，其重要部件曲轴在循环交变载荷作用
下易产生弯曲、扭转变形直至断裂。在这一过程中产生的疲劳裂
纹，按不同性质可分为弯曲、扭转以及弯曲一扭转３种疲劳裂
纹，如图１所示。
ａ）弯曲裂纹 ｂ）扭转裂纹 ｃ）弯曲一扭转裂纹
图１ ３种疲劳裂纹示意图
１．弯曲疲劳裂纹
曲轴的过渡圆角处应力集中现象严重，是弯曲疲劳裂纹的
多发区。裂纹可能横断于曲柄臂，也可能垂直于轴线，裂纹沿过
渡圆角周向同时发生，断口呈径向锯齿形（图１ａ）。相对于主轴 颈和曲柄销，曲柄臂承受弯曲的能力较弱，故曲轴中部的曲柄臂
１８ 内燃机配件 ２００７年第２期
基于ＡＮＳＹＳ软件的柴油机曲轴有限元分析
苏海峰
（石家庄职业技术学院机电系）
［摘要］采用ＡＮＳＹＳ有限单元法，对６１０５柴油机曲轴进行了整体三维建模，就有限元分析中
建立模型时单元选择及网格划分对应力的影响做了分析比较，对整体曲轴进行了静强度、刚度的分 析校核，为柴油机曲轴改型设计提供了理论依据。 ［关键词］曲轴 有限元法单元选择 网格划分疲劳强度
Ｔｈｅ ＦＥＭ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ６ １０５ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｎｓｙｓ
ＳＵ Ｈａｉ—ｆｅｎ （Ｓｈｉｊｉａｚｈａｎｇ Ｖａｅａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈａｎｇ ０５００８１） ￣Ａｂｓｔｒａｃｔ）Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ＦＥＭ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｅｔ ｕｐ ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ６１０５ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ’Ｓ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ．Ｗｅ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ’Ｓ ｓｔｒｅｓｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｍｅｓｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ＦＥＭ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｗａｓ ｖｅｒｉ—
ｆｉｅｄ．Ｔｈｅ ｖａｌｕａｂｌｅ ｔｈｅｏｒｙ ｂａｓｉｓ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｅｎｇｉｎｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ． ［Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ）Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ Ｆｉｎｉｔｅ—Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｙｐｅ ｍｅｓｈｉｎｇ Ｆａｔｉｇｕｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
１ 引言
随着柴油机的不断强化，曲轴的工作条件愈加 苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其设计是否
Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．３，２０１０
内燃机曲轴性能计算相关问题探讨 赵叫回 （新疆吐哈油田建设有限责任公司机械化公司，新疆吐哈８３８２０２） 摘要：就内燃机曲轴性能包括曲轴的应力和疲劳强度计算、三维模态分析以及裂纹故障诊断三方面的相关计算方法等，做了综合概 述和分析，力图为今后设计性能良好的内燃机奠定更好的技术基础。 关键词：内燃机；曲轴性能；曲轴裂纹；三维模态分析 中图分类号：ＴＫ４０２ 文献标识码：Ａ 内燃机是常见的机械设备，广泛地应用于车辆、船舶上， 其运行状态的好坏，直接影响到整机运行状况，而曲轴是柴油 机中最主要的运动部件之一，其尺寸参数在很大程度上影响 着内燃机的整体尺寸和总质量。内燃机的可靠性和使用寿命， 也主要取决于曲轴的性能。因此，对曲轴进行设计时，必须对 其刚度和强度进行严格的考核。内燃机工作时，曲轴承受着气 缸内气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的 载荷，因此曲轴处于复杂交变的弯曲应力和扭转应力的共同 作用中。在这些力的作用下，曲轴容易产生疲劳破坏，在有些 部位会发生疲劳断裂。从大量内燃机主要零部件的疲劳破损 情况看，出现最多的有两种形式：一种是以连杆为例的压缩疲 劳损坏；另一种是以曲轴为例的发生在主轴颈与曲柄及连杆 轴颈与曲柄过渡圆角处的拉伸疲劳断裂。为了提高整机性能 和可靠性，对曲轴进行整体性能分析，找出过渡圆角处的应力 集中部位，从而对曲轴结构参数进行优化设计是很有必要的。 另外，由于曲轴在周期性载荷的作用下，由于疲劳破坏，常常 会在应力集中处产生疲劳裂纹，如不及时发现这些裂纹，严重 时会导致轴断裂事故的发生。本文就上述存在的问题，就内燃 机曲轴性能计算关键问题进行相关探讨。 １ 曲轴的应力和疲劳强度计算 确定应力和疲劳强度的计算方法有两种：试验研究与模 拟计算。由于试验研究需要花费大量的时间和费用，而且试验 是在一根曲轴上进行，也不能说明整批曲轴的应力和强度，所 以，实验研究应用得比较少。目前，模拟分析计算的应用比较 普遍，其计算的思想是：首先建立合理的计算模型，然后施加 接近于实际的边界条件，再进行计算，从而求出曲轴受力危险 部位的应力幅和平均应力，最后在此基础上进行疲劳强度的 计算【“。应力计算的方法主要有简支梁法、连续梁法、有限元法 和边界元法。目前采用最多的是有限元法。 １．１ 传统方法 传统的计算方法，包括简支梁法和连续梁法。简支梁法是 以通过主轴颈中心并垂直于曲轴中心线的平面将曲轴分成若 文章编号：１ ６７２—５４５Ｘ（２０１ ０）０３—００４４—０２ 干个曲拐，每个曲拐视为一个绝对刚性的简支梁来计算。简支 梁法的优点在于计算简便，且能反映曲轴的基本受力情况，缺 点在于忽略了支座弯矩的影响，计算结果偏于安全。连续梁法 是把曲轴简化为多支撑的静不定连续梁，应用三弯矩或五弯 矩法求解，连续梁法一般假设曲轴的支承以铰接形式作用于 主轴颈的中点，用连续梁模型计算曲轴时，不仅考虑了支座的 弹性和不同心度等，同时它也考虑了所有气缸的作用，这比简 支梁法要进步一些。但这种方法无法计算轴颈过渡圆角部位 的应力。 １．２有限元方法 在曲轴中，轴颈过渡圆角处和轴颈油孔附近一般都存在 严重的应力集中现象，传统的连续梁等方法是通过实验来确 定应力集中系数，而应力集中系数的公式又多是经验公式，使 用时要考虑到一些相关的参数条件和试验条件等。并且也没 有考虑到过渡圆角处三维形状的影响，从而计算出的最大工 作应力有很大的不准确性。有限元法的应用，为准确地计算应 力集中系数提供了可能。 由于曲轴是空间结构，从对实际情况的逼近和曲轴的整 个应力分布规律的求解来说，三维有限元分析最为理想。平面 分析方法不能求出曲轴沿圆周方向的应力分布，因此，除在确 定应力集中系数外，目前很少采用二维有限元模型，基本上都 是采用三维模型。一般有三种计算模型： （１）１／４或１／２曲拐模型，主要考虑弯曲载荷的作用，并认 为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称。 （２）单个曲拐模型，用于分析曲轴上受力最严重的曲拐， 计算规模小。缺点在于很难正确确定主轴颈剖分面处的边界条 件，剖分面距离过渡圆角的距离，也会影响计算结果的准确性。 （３）整体曲轴模型。这是进行曲轴有限元分析最合理的模 型，计算精度高。但是其计算规模比较巨大，对计算机的性能 要求比较高。随着计算机技术水平的不断提高，将越来越多地 采用曲轴整体三维有限元模型进行计算。 １．３疲劳强度计算 目前曲轴的疲劳强度计算方法，都是按材料的疲劳极限， 并考虑材料强化处理和尺寸等因素的影响，求出曲轴危险部 收稿日期：２００９—１２—０２ 作者简介：赵叫回（１９７Ｏ～），男，甘肃礼县人，工程师，主要研究内燃机运用与维修，工程机械液压系统。
