柴油机曲轴断裂失效分析

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1、25临沂大学工学院本科专业职业生涯设计2011届 分类号：U262单位代码 ：10452 本科专业职业生涯设计我的人生规划190柴油机曲轴断裂失效分析姓 名 学 号 年 级 2007级 专 业 车辆工程 系（院） 工学院 指导教师 2011年 04 月 11 日目 录第一部分 规划人生方向 实现人生梦想3前 言31 自我分析31.1 个性特征分析31.1.1 性格特征分析31.1.2 兴趣爱好分析41.2 个人能力分析41.2.1 能力优势41.3 价值观分析41.3.1 人生价值观分析41.3.2 职业价值观分析42 环境分析42.1 家庭环境分析42.2 学校环境分析52.3 社会环境分析

2、53 毕业打算及具体计划53.1 做一名教师53.2自主创业54 具体各阶段规划64.2 2015年2020年（中期目标）64.3 2020年退休65 最后总结6第二部分 190柴油机曲轴断裂失效分析7摘 要7第一章 绪论91.1内燃机工业在国民经济中的地位和作用91.2曲轴失效是影响柴油机可靠性的重要因素101.3曲轴断裂失效的一般特征101.3.1疲劳断裂的一般特点101.3.2疲劳断口的基本特征111.4失效分析的发展状况以及目前研究的不足121.5本课题的研究意义及主要研究内容131.6课题的研究意义13第二章 实验材料及分析方法152.1曲轴结构152.2曲轴运转时的实际应力计算16

3、2.2.1计算原则:162.2.2各曲柄应力计算结果162.2.3材料的疲劳极限172.2.4强度判断因数172.3曲轴制造182.3.1曲轴的制造工序182.3.2曲轴材料的选择182.3.3曲轴的锻造成型192.3.4曲轴的热处理19 2.4改进措施21结论23参考文献24谢辞25第一部分 规划人生方向 实现人生梦想前 言不少人都曾经这样问过自己：“人生之路到底该如何去走？”记得一位哲人这样说过：“走好每一步，这就是你的人生。”是啊，人生之路说长也长，因为这是你一生意义的诠释人生之路说短也短，因为你度过的每一天都是你的人生。每个人都在计划自己的人生，都在实现自己的梦想：梦想是一个百花园，我

4、只是百花园里一根小草，可小草也有一个大理想，于是我在这里畅想一下自己的职业生涯。 中国人常说，尽人事，听天命。对于我们可以控制的，理当全力以赴，因为操之在我对于不可控制的，我们应当养成坦然接受的胸怀和气度。要抱着一种信念，那就是不做则已，要做就要做好。在工作中，努力奋斗，自动自发，精益求精。这样，才能赢得收获。 一个人，一生当中不知道要遇到多少困难，很多困难是不能预见的，这就要靠我们自己处事时随机应变的能力，面对突如其来的麻烦事情，临危不乱，保持冷静的心态，急中生智，想出好办法来。睿智的人，善于分析事物的发展情况，能够抓住事物的特点，成竹在胸，料事如神，成功的预测事物的发展方向。决策于千里之外

5、，谈笑间，樯橹灰飞烟灭。1 自我分析1.1 个性特征分析1.1.1 性格特征分析本人品行端正，谦虚谨慎，吃苦耐劳的素质较好，学习能力较强，求知欲强，爱好看书。待人温和不会经常发脾气，具有一定的隐忍性，会和认识的人保持较好的关系，是那种别人敬我一尺我敬别人一丈的人，对我好的人我会加倍的对他好。别人说我性格偏于内向，但我认为我性格具有两面性，我喜欢安静的环境，喜欢一个人学习、看书。但有时却喜欢热闹，和朋友在一起谈天，给彼此带来快乐，我会感觉很开心。我喜欢运动，尤其是踢足球和打乒乓球，也喜欢旅游，开阔眼界，陶冶情操。另外，我有很强的自信心，具有团队精神和协作能力，比较强的创新意识，动手实践能力及自学

6、能力。但我有一个缺点，就是有时候过于看淡很多东西，生活有时没有目标，没方向，总是在茫然中虚度时光，不能很好的有效率的利用自己的时间。1.1.2 兴趣爱好分析我喜欢听音乐，因为音乐可以使人放松，英语也可以通过音乐来学习。喜欢看书来增长自己的只是，开阔视野。我还喜欢运动，好的身体是革命的本钱。喜欢制作，仅仅指制作些小东西，可以培养一种创新的能力。1.2 个人能力分析1.2.1 能力优势自小家庭并不富裕，所以有很强的吃苦能力和很强的适应力，积极乐观，遇到困难总会向好的方面去想，相信一切困难都将被解决，一直这么认为每次困难都是对我的恩赐，因为每次的困难都会让我懂得一个解决问题的方法。做事讲原则，在原则

7、内的事情一定去做，原则外的事绝对不会做。自制能力强，会做自己喜欢的事情，对同学老师诚恳，值得信任。1.3 价值观分析1.3.1 人生价值观分析人要实现自我人生价值，就要树立正确的人生价值观，重贡献，讲奉献，正确认识和处理个人与社会和他人的关系，正确认识和处理贡献与索取的关系。我觉得人只要有信心，能够坚持自己想做的，就会成功。我也一直在为着自己的理想而努力，奋斗。1.3.2 职业价值观分析职业价值观是指人生目标和人生态度在职业选择方面的具体表现，也就是一个人对职业的认识和态度以及他对职业目标的追求和向往。理想、信念、世界观对于职业的影响，集中体现在职业价值观上。我喜欢自由自在的工作，也喜欢热闹，

8、喜欢一种热闹的工作氛围。所以我选择的工作方向应该是能更多的与人接触，我认为这样才能更好的了解社会，了解自己的工作，从而提高工作效率。当然即使是做了自己并不感兴趣的工作，我也会认真负责地去做好，因为在其位谋其职嘛，况且我有那种对工作的责任心。2 环境分析2.1 家庭环境分析我的家庭就属于一般的家庭，父母是一步一步走到今天，把我养大成人，我很感激他们。家庭十分和睦，父母都从事个体经营，我的家庭希望我可以在本地找到一份稳定的工作。2.2 学校环境分析临沂师范学院是临沂唯一一所以本科教育为主、学科专业较为齐全、办学条件优良的多科性普通本科院校。所以临沂市政府也相当重视对学校的建设。也许，在全国，它并不

9、是一所有如清华大学一样家喻户晓的名牌大学，但它却一天天在迅速成长，相信在不久的将来会走进全国考生的视线。现在正在进行临沂大学的建设，其教育资源、设施以及教师队伍也将不断的壮大起来。而我们工学院更是在不断的成长，学校不惜重金为我们建设一流的汽车实训实验室，聘请外教，老师更是不辞劳苦地为我们联系企业单位，增强我们的动手能力，使我们不仅学到了书本上的理论知识，更有工厂里的工人们教给我们的实践动手能力，从而可以理论加实践，对知识更好地进行吸收和消化。2.3 社会环境分析随着社会的不断发展，人们的生活水平提高，对于汽车的需求也提高了，许多家庭都有自己的私家车，所以我们学习的车辆工程还是很有就业前景的，虽

10、然受金融危机风暴的影响很大。但是现在，世界经济也在复苏。我相信我可以找到一个我喜欢的工作的。3 毕业打算及具体计划3.1 做一名教师现在都说当老师和公务员铁饭碗，虽然不是很想当老师，但是随着就业越来越困难，不考虑了，我是属于非师范类的专业，想当老师要先考教师资格证，要一步一步按部就班的来，在我看来，将一生奉献给教育事业也是一件有意义的事情，以我强烈的责任心，绝对不会误人子弟，我相信自己肯定会为祖国培养一群优秀的人才。3.2自主创业 其实，现在的毕业生大多数都想自主创业，尝尝自己当老板的滋味，其实自主创业，并不简单，我现在也在考虑自己创业，因为我是学的车辆工程专业，所以想开一家关于汽车的店，比如

11、，汽车装饰，汽车美容，汽车维修等等。我知道这条路可能会很艰辛，更可能面临失败，但凡事不去尝试，谁都不知道最终结果是怎样的。如果趁着年轻不去闯，将来老了，想去闯也没那份精力了。自己尝试过，为自己的理想努力过就不会后悔。4 具体各阶段规划4.1 2011年2014年（短期目标）明年就要毕业了，我为自己定了目标。毕业之后，我也就是个不懂世事的混小子，我觉得应该先积攒社会工作经验，学会如何与人相处，怎样才能更好的融入这个社会。所以在毕业之后的这三年，找一个可以有更多学习机会的工作。踏实工作，尽力做到最好，充分发挥出自己的才干，熟练专业技能争取早日得到认可，进而向上攀登加强人际沟通，建立良好的人际关系，

12、在同事中树立一个友善的形象，以便自己在以后的升职过程中，得到更多同事的支持。4.2 2015年2020年（中期目标） 在这之后的五年里，我已经有了一定的社会经验，积攒了一些人脉关系，如果造自己的工作岗位有更好的机会的话， 我会继续努力工作，。如果有更好的机会的话，我会利用我所学到到的东西，自己去闯一番事业。为我的家庭创造更好的生活环境。4.3 2020年退休为自己的梦想一直奋斗，一直到自己不能再干了，就退休。5 最后总结希望自己努力再多一点,实现人生的理想,实现自我价值。人生格言:一分耕耘，一分收获要收获的好，必须耕耘的好。第二部分 190柴油机曲轴断裂失效分析摘 要内燃机行业是我国机械工业中

13、的一个十分重要的行业。内燃机是汽车、农业机械、工程机械、船舶、内燃机车、石油钻机、军用、通用机械、移动和备用电站等装备的主要配套动力。190柴油机是我国为数不多的非道路用中、大功率内燃机，主要应用于石油钻井、舰船动力和配套发电等领域。随着社会和经济发展的需要，以及人们质量意识的不断提高，用户对内燃机的可靠性和使用寿命提出了越来越高的要求。曲轴是柴油机重要的零部件之一，曲轴质量的优劣直接影响着柴油机的性能和寿命。曲轴受到周期性不断变化的交变载荷作用，产生扭转和横向与纵向振动，承受弯曲、扭转、冲击等多种应力以及高温及腐蚀的作用，工作环境十分恶劣。曲轴在发生断裂之前往往没有先兆，是一种突发性事故，一

14、旦发生将造成极大的危害。失效不仅给企业带来不少的直接经济损失，同时也造成更大的间接损失主要包括企业的信誉和市场竞争能力的削弱。因此，为了减少柴油机曲轴失效现象的重复发生，提高曲轴质量，延长其使用寿命，增强柴油机服役安全性和可靠性，开展对曲轴早期断裂失效分析研究是十分必要的。失效分析的积极作用在于找出失效的原因，并提出针对性地改进建议和预防措施，失效分析是可靠性技术中的一个重要环节。关键词:柴油机；曲轴；断裂失效；机理；改进措施Abstract Diesel engine industry is one of important mechanical industry in our countr

15、y. The diesel engine is the major power installation of automobile, agricultural machinery construction machinery, boats, diesel locomotives, oil rigs, military and genera machinery, mobile equipment, and standby power station. The 190 diesels are middlf and high power internal combustion engine, pr

16、imarily used in oil drilling, ships anc auxiliary power generation, and other fields. With the needs of the social anc economic development and the improving of peoples awareness of quality, the internal combustion engine must possess higher reliability and longer service life. The crankshaft is one

17、 of important component of diesel. The quality of the crankshaft is direct affect the engine performance and life. The crankshaft receive the unceasingly cyclical alternation loading, bear various stress such as bending, torsion. impingement, high temperature, and corrosion, so the operational envir

18、onment of crankshaft is very complex. Before the crankshaft fracture usually is a sudden accident without omen, once the failure happen it will cause serious aftereffect.Crankshaft failure result in not only a lot of direct economic losses, but also more greater indirect economic losses including th

19、e credibility of enterprises and market competitiveness of products. Therefore, in order to avoid diesel engine crankshaft failure recurring, improve its quality, prolong its life, enhance security and service reliability of diesel engine, the early fracture analysis is very necessary. The significa

20、nce of failure analysis consists in finding out the cause of failure, and bringing forward improvement suggestion and precautionary measure, so failure analysis is an important part in reliability technical.Keywords: Diesel engine； Crankshaft； Fracture； Mechanism； Improvements第一章 绪论机械产品失效分析是一门关于研究机械

21、产品质量的综合性技术科学，主要研究失效的规律和机理。产品的早期失效往往是产品质量低劣或质量管理不善的直接反映。失效发生后能否尽快做出正确的判断，确定失效的原因，并制定防止重复失效的技术措施，是对我们企业发展的一个挑战。在市场经济日益发展的今天，提高产品质量成为提高企业竞争力的关键因素。近年来，由于产品失效引发的事故，给社会和企业造成的损失和危害是非常.惊人的，同时，人们的质量意识不断强化，各行业对开展失效分析、提高产品质量以及强化质量管理的需求越来越强烈。引起失效的因素是复杂的，失效总是从产品对服役条件最不适应的环节开始的，而且失效的产品或零件的残骸上必然会保留有失效过程的信息。通过对失效残骸

22、的研究，可以查明失效的机理和过程，并对失效的原因作出判断，从而有针对性地采取改进和预防措施，避免同类失效的再次发生，达到改进产品质量、延长使用寿命、提高服役安全性和可靠性的目的。正是通过失效分析，揭示了失效的本质，才为工业发展扫清障碍，同时也促进了相关学科和工程的发展。本课题将对中、大功率190柴油机曲轴的早期断裂失效进行分析和研究。1.1内燃机工业在国民经济中的地位和作用内燃机行业是我国机械工业中的一个十分重要的行业。内燃机由于具有机动性能好、热效率高、便于维修等特点，在工业、农业、交通运输和国防建设事业等领域应用极为广泛。内燃机是汽车、农业机械、工程机械、船舶、内燃机车、地质和石油钻机、军

23、用、通用机械、移动和备用电站等装备的主要配套动力。据资料统计，当今移动机械的95%是以内燃机作为原动机。随着国民经济的发展和人民生活的不断提高，对工程机械、汽车、船舶、铁路机车等动力机械的需求越来越多。“十五”期间，内燃机行业进入重大结构调整和发展时期。内燃机行业将适应市场需要，加快技术创新步伐，为社会发展提供更多的高效、节能、低污染和高质量的新一代内燃机。同时，随着我国改革开放步伐的加快和加入WTO，内燃机行业将面临更激烈的市场竞争，也将迎来新的发展机遇。190系列柴油机，属中高速四冲程动力设备，为非道路用中、大功率内燃机，它采用夹角60度的V型或直列式排列方式、水冷、增压中冷、直喷式燃烧室

24、，配选气马达或电马达启动。目前，190系列柴油机广泛用于油田钻探、厂矿机车、工程机械、舰船动力、海军舰艇、自备电站等众多领域。1.2曲轴失效是影响柴油机可靠性的重要因素内燃机是动力机械的心脏，曲轴则是内燃机的脊梁。曲轴将活塞的往复运动转换为旋转运动，并向外输出全部功率。由于工作过程中受到周期性不断变化的气体力、往复运动质量惯性力、旋转与运动离心惯性力等复杂交变载荷，产生扭转和横向与纵向振动，承受弯曲、扭转、冲击、高温及腐蚀等多种应力的影响，因此曲轴必须具有足够的强度、刚性、韧性和耐磨性。曲轴的质量优劣直接影响着发动机的性能和寿命，曲轴质量与材质、机械加工、锻造、热处理等都有着密切的关系。产品的

25、可靠性是相对于失效而言的概念，包含有时间的因素，反映着产品质量的时间效应。可靠性分析，包括可靠性试验以及失效分析与防止，失效分析的积极作用在于找出机械失效的原因，并提出相应的技术改进措施。失效分析是可靠性技术中的一个重要环节。190柴油机作为一个复杂的动力系统，它是由上千种大、小机械零件组成的，曲轴作为一个最重要的部件，在生产制造及服役过程中，失效事件常有发生，特别是近几年随着公司各种强化机型的研发、生产，各种大小失效事故更是频繁出现。由于曲轴在发生断裂之前往往没有先兆，是一种突发性事故，在日常运转管理上很难预测或发现，所以危险性很大，一旦发生将造成极大的损失和危害。失效不仅给企业带来每年不少

26、的直接经济损失，同时也严重地影响了企业的信誉和市场竞争能力。因此，为了减少柴油机曲轴失效现象的重复发生，提高产品质量，延长使用寿命、并提出针对性地改进和预防措施，提高柴油机服役安全性和可靠性，开展对曲轴早期断裂失效分析和研究是十分必要的。1.3曲轴断裂失效的一般特征工程构件在交变应力作用下，经一定循环周次后发生的断裂称作疲劳断裂。曲轴失效可以由多种原因引起，然而，冲击疲劳失效可能是曲轴失效中最普遍的原因。疲劳最终断裂是瞬时的，因此它的危害性较大，甚至会造成机毁人亡的重大损失。工程上疲劳断裂占大多数，约占失效总数的80%以上，疲劳裂纹往往是起始于某些应力集中区域，这些应力集中是由于存在着表面不连

27、续性所造成的。1.3.1疲劳断裂的一般特点(l)疲劳断裂是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂，其断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至屈服强度。(2)疲劳断裂是脆性断裂，在疲劳断裂前不会发生塑性变形，没有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸时才突然发生的。因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。(3)疲劳对缺陷如裂纹、缺口、组织缺陷十分敏感。由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、脱碳、不良组织等)降低材料的局部强度，三者都加快疲劳破坏的开始和发展。1.3.2疲劳断口的基本特征疲劳断

28、裂和其它断裂一样，其断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着很多断裂信息，具有明显的形貌特征。这些特征受材料性质、应力状态、应力大小及环境等因素的影响，因此疲劳断口分析是研究疲劳过程和分析疲劳断裂原因的重要方法之一。如图1所示，典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域疲劳源、疲劳扩展区及瞬断区。(1)疲劳源疲劳源是疲劳裂纹萌生的策源地。在断口上，疲劳源一般在机件表面，常和缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，因为这里的应力集中会引发疲劳裂纹。但是当材料内部存在严重冶金缺陷(氢脆、夹杂、缩孔、偏析等)时，因局部强度降低也会在机件内部产生疲劳源。疲劳源可以有一个或几个不等，主要与构件的应力状态及应力大小有关

29、。当断口中同时存在几个疲劳源时，可以根据源区的光亮度、相邻疲劳区的大小和贝纹线的密度去确定它们的产生顺序。源区光亮度越大，相邻疲劳区越大，贝纹线越多越密者，其疲劳源就越先产生反之，则疲劳源就越后产生。图1 疲劳宏观断口图(2)疲劳扩展区是疲劳裂纹亚稳扩展所形成的断口区域，该区是判断劳断裂的重要特征证据。疲劳区的宏观特征是:断口比较光滑并分布有贝纹线(或海滩花样)。断口光滑是疲劳源区域的延续，但其程度随裂纹向前扩展逐渐减弱。贝纹线是疲劳区的最大特征，每个疲劳区的贝纹线好像一簇以疲劳源为圆心的平行弧线，其凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，或是相反的情况。这取决于裂纹扩展裂纹前沿线备点的前进速度

30、。 (3)瞬断区是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域。在疲劳裂纹亚稳扩展阶段、随着应力不断循环，裂纹尺寸不断长大，当裂纹长大到临界尺寸ac时，当裂纹尖端的应力强度因子K达到材料断裂韧度KLC(或是裂纹尖端的应力集中达到材料的断裂强度)时，裂纹就会失稳快速扩展，导致机件最后瞬时断裂。其断口比疲劳区粗糙，宏观特征同静载的裂纹件的断口一样。随材料性质而变，脆性材料为结晶状断口而韧性材料，则在中间平面应变区为放射状或人字纹断口，在边缘平面应力区为剪切唇。1.4失效分析的发展状况以及目前研究的不足 任何机械产品在使用中都有一定的失效概率，有许多失效通过科学的分析和预防，是可以减少或完全避免的。因此，世

31、界各国，特别是工业发达国家，对失效分析工作非常重视，在这方面做了大量的工作，培养了大批失效分析人才，积累了丰富的分析经验。他们建立了比较完整的失效分析机构制定失效分析文件、事故档案及数据库；大力开展失效分析技术基础的研究工作；大力开展失效分析及预防监测手段的研究工作。实事上，早在1936- 1945年间，美国质量管理学会(Anle五 earisoeietyFo:QualityControl，AsQe)在开展“失效废品检验规划”时，就号召美国企业重视产品的失效分析，要求把失效分析纳入质量管理体系，欧美许多企业一时竟相效仿，开展失效分析，有的甚至愿意高价向用户买回失效产品的残骸进行分析。他们开展失

32、效分析的结果，不仅提高了原有产品的质量，而且从失效分析中发现的许多新现象产生了新启示，发展了许多新产品和新技术，企业获得了巨大的成功和经济效益。在我国，80年代以后，老一代科学家亲自领导和组织召开了多次性的失效分析学术会议，并相继建立了全国性的失效分析学会，逐步形成了一支失效分析专家队伍。目前，我国的失效分析基础研究工作也取得了长足进展，在失效模式、失效方法等方面进行了大量工作，但还存在基础研究力量不足，许多问题还不够清楚等问题。190柴油机是我国为数不多的非道路用中、大功率内燃机，应用领域主要为石油钻井、舰船动力和自备电站。工作地点包括高原、高寒、沙漠和海洋等各种恶劣环境。其曲轴受弯曲、冲击

33、、扭转等载荷作用，受力负荷十分恶劣，曲轴的热处理强化工艺为整体调质+表面氮化。190柴油机的制造和使用均有其自身的规律和特点，在我国，对于中、大功率内燃机曲轴早期失效的基础和系统研究还没有进行过。1.5本课题的研究意义及主要研究内容曲轴作为发动机的心脏，正面临着安全性和可靠性的严峻挑战，大大小小的各种失效事故，严重影响了柴油机质量的可靠性及企业的信誉。通过对中、大功率190柴油机失效曲轴的研究，可以查明失效的机理和过程，并对失效的原因做出判断，并将失效分析结果向产品设计、制造、使用和维修及管理等部门反馈相关的信息，失效分析的结果是制定防止同类失效措施最直接和有效的依据。1.6课题的研究意义(l

34、)为设计部门在改进柴油机系统结构、强化计算设计及完善技术规范等方面提供一些试验数据。大量失效分析表明:在很多情况下，只要在结构设计方面作少量的改进，就会避免恶性和早期断裂事故，比改进材料和工艺的作用更大、更经济。有时为克服某种失效，要求对机械零件的结构设计方案作较大的变动，甚至制定新的设计规范。(2)向工艺设计部门反馈失效分析的信息，可以改进生产工艺、创制和推广新工艺，应用新材料提高产品质量。通过失效分析可以判断制造工艺、质量标准及控制方法是否合理，同时提出克服曲轴失效的工艺措施和注意事项。对某一失效案例的分析还能促进工艺的变革，而工艺是与材料、结构密切相关的。从某种意义上讲，正是由于一些事故

35、的出现，并进行了全面的失效分析，才促使了设计以及铸造、锻造、热处理、机加工等工艺的改进和发展。(3)为柴油机生产制造部门提供一些工艺指导和生产注意事项：曲轴的失效有时是因为操作工人在生产过程中执行工艺不严格，使零件存在缺陷而造成的，通过分析找出原因可以正确地指导生产部门准确地执行工艺规范，防止失效问题的重复出现。(4)向柴油机用户反馈有关信息，可健全和完善使用维修制度：通过失效分析，可以判明机器的使用、维修对失效事故是否应负责任，判明操作规程和有关参数限额的合理性，指导安全操作规程的修订。通过失效分析，还可以提供一些原则，以便制定延长机器设备寿命的措施。 (5)为今后柴油机质量事故分析，积累资

36、料和数据并提供一些经验指导上述几个方面表明:正确的失效分析是解决曲轴失效、提高柴油机承载能力和使用寿命的先导及基础环节。失效分析的目的不仅在于对失效原因的分析和判断，而更重要的还在于为积极预防失效找到有效的途径。从而提高产品在国内及国际市场的竞争能力。可以说，失效分析及其失效预防技术是提高机械产品质量的重要基础技术之一，因此，对柴油机曲轴早期断裂失效研究具有重大的理论价值和实际意义。为此，本文根据中、大功率190柴油机曲轴的结构、工艺特点，分别研究了它们在制造、使用及大修过程中出现的失效形式并找出其早期失效的原因，进而从材料、制造工艺、质量控制等方面提出了预防和改进的措施，以期提高我国中、大功

37、率柴油机曲轴制造技术的不断进步，推动我国内燃机科学研究的持续、快速发展。第二章 实验材料及分析方法本文运用宏观、微观方法对断裂曲轴进行失效分析，系统地研究曲轴断裂的原因并提出相应的改进措施。宏观分析和微观分析是不可分割的整体，二者不可互相取代，只能互相补充、互相促进。过分依赖微观分析而不重视宏观分析，只根据几个微观视场的特征就做出判断，往往会导致全局性的判断失误；反之，忽视微观分析只进行宏观分析，则可能得出肤浅乃至错误的结论。2.1曲轴结构曲轴一般有整体式和组合式两种形式，所谓整体式，曲轴是一个整体的零件，如图2所示，它与龙门式气缸体或半开式气缸体相对应；组合式曲轴就是由曲柄、曲颈、曲轴前端和

38、后端凸缘通过螺栓连接在一起。本课题所涉及的190柴油机曲轴为整体式。图2 12V190柴油机曲轴结构示意图曲轴由曲轴前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重和后端轴组成。曲轴的前端轴一般驱动冷却风扇、正时齿轮、发电机和水泵等；主轴颈也就是曲轴的回转中心，通过轴承即主轴承安装在柴油机机体上；连杆轴颈也叫曲柄销，绕主轴颈旋转；连接连杆轴颈和主轴颈的部分称为曲柄，一个连杆轴颈和相邻的两个曲柄及主轴颈叫曲拐；为了使曲轴运转平稳，使曲轴的旋转中心和质量中心重合，在曲柄的下方设计有平衡重；曲轴的后端是曲轴的输出端，其上安装飞轮，飞轮后接离合器、变速器。主轴颈和连杆轴颈是曲轴的高速滑动摩擦部分，为了提高耐磨性

39、，190柴油机曲轴采用整体渗氮处理，表面有较高的加工精度。轴颈两端与曲柄连接处都要求有严格的圆弧过渡，以防应力集中，设计圆角R=6。为了提高疲劳强度，曲轴的圆角要求过渡圆滑。主轴颈是曲轴的支承部分，所有的主轴颈位于同一中心线上。因为前端轴驱动辅助装置和后端轴支承飞轮，增加了两端主轴颈的负荷，以及有些曲轴中间一道主轴颈由于两边的连杆轴径在同一个方向或中间两气缸进行道短充气量大，动力较大，使中间主轴颈负荷较大。所以，一般柴油机曲轴两端的主轴颈以及有些曲轴的中间一道主轴颈较长，使接触面积较大，可均衡各主轴颈的磨损。连杆轴颈也叫曲柄销，在直列式柴油机上，连杆轴颈与气缸数相同。在V型发动机上，大多数是一

40、个连杆轴颈上装左右两列各一个气缸的连杆，所以连杆轴颈为气缸数的1/2。曲轴上钻有贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈的油道，主轴承内的润滑油可经此贯穿油道流至连杆轴承，以润滑高速摩擦的连杆轴颈。190柴油机的曲轴，尺寸大、形状复杂，其2000机型曲轴总长2263mm，主轴颈中160，连杆轴颈中130；3000机型曲轴总长2070mm，主轴颈185，连杆轴颈148。两机型12缸成V型排列，相邻两缸连杆轴颈夹角为120度。曲轴是柴油机中最重要的部件之一，柴油机的全部功率都由曲轴输出，因此其性能的优劣对整台机器的使用寿命起着举足轻重的作用。柴油机在工作时，曲轴的工作环境相当恶劣，长期处于弯曲、扭转、振动、拉压

41、等循环应力状态下，因此，容易产生弯曲和扭转变形，导致曲轴疲劳和产生裂纹，甚至断裂。2.2曲轴运转时的实际应力计算曲柄、主轴颈编号从飞轮端算起，最靠近飞轮的主轴颈为第一主轴颈，见图2。本文以190柴油机中设计强度较大的G12V190ZLD型机为例，计算曲轴的实际应力水平。2.2.1计算原则(l)按GJB14.IA一89.7.2.21规定进行；(2)认为曲轴工作中最危险截面存在于曲柄销(连杆轴颈)过渡圆角处；(3)柴油机标定转速:1500r/min，标定功率:1000kw，最高爆发压力:11.38Mpa。(4)按最大变形理论把弯曲应力和扭转应力综合为当量应。2.2.2各曲柄应力计算结果通过表1中各

42、曲柄应力计算结果，可以看出曲轴曲拐处受到的最大当量应力为295.3Mpa，在第5档曲柄。表1 各曲柄应力计算结果名 称第1档曲 拐第2档曲 拐第3档曲 拐第4档曲 拐第5档曲 拐第6档曲 拐弯曲应力平均值39.2739.2739.2739.2739.2739.27弯曲应力单幅值254.12254.12254.12254.12254.12254.12扭转应力平均值31.3622.6119.1917.7617.5911.76扭转应力单幅值44.3468.8058.5272.4986.8465.97当量盈利平均值67.0355.4551.4449.8849.7144.24当量应力单幅值265.528

43、0.7294.1283.5295.3278.62.2.3材料的疲劳极限曲轴材料的疲劳极限()由下式计算:其中。材料的弯曲疲劳强度；曲柄销(连杆轴颈)直径；取A=1.1材料表面质量对疲劳极限影响系数。2.2.4强度判断因数材料的强度判断因数(n)由下式计算，计算结果见表2。 -当量平均应力；-当量交变应力单幅值； -材料曲服强度。表2 按公式计算，曲柄曲拐的疲劳强度安全系数n列于下表曲拐号疲劳强度安全系数n11.136621.101631.062041.101551.061061.1294因此，从上表可知，各挡曲拐的疲劳强度安全系数n均大于许用安全n=l.0，12V190 柴油机曲轴的设计尺寸、

44、材料的组织状态及机械性能指标，在标定转速:1500r/min；标定功率:1O00kW；最高爆发压力:11.38MPa的工况条件下，可以满足使用要求。2.3曲轴制造2.3.1曲轴的制造工序曲轴的制造工艺路线:下料一车加工开档一中频加热全纤维锻造一正火一高温回火一粗加工一调制热处理一校直一半精加工一高温去应力一精加工一表面氮化热处理一抛光一清洗一终检。2.3.2曲轴材料的选择选择曲轴材料，主要是从其能满足零件的技术性能要求，并具有冷、热加工的良好工艺性，成本低、能耗低以及高的生产率等几方面考虑。按照曲轴的工作条件，材料在通过强化处理后，应具有优良的综合机械性能、高的强度和韧性、高的疲劳抗力和良好的

45、耐磨性。大功率、大排量柴油机多采用综合机械性能较高的优质中碳钢或中碳合金钢锻造而成。本课题所涉及的12V190型柴油机曲轴选用的材料为高级优质合金结构钢35CrMoA和42CrMoA。 (l)化学成分主要成分应符合GB/T3077的规定，高级优质钢的含硫、磷量应小于0.025%，由于曲轴为热加工用钢，其铜含量规定:应不大于0.20%。表3 曲轴的化学成分钢 类CSiMnMoCrSPCu35CrMoA0.32-0.400.17-0.370.40-0.700.15-0.250.80-1.10=0.025=0.025=0.2042CrMoA0.38-0.450.17-0.370.50-0.800.1

46、5-0.250.90-1.20=0.025=0.025=0.20(2)低倍组织曲轴原材料的低倍组织级别应严格控制，在钢材的横截面酸浸低倍组织试片上，不得有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮、白点、晶间裂纹等缺陷酸浸低倍组织级别应符合表4的规定。表4 曲轴的低倍组织低倍组织锭型偏析中心疏松一般偏析一般点状偏析边缘点状偏析合格级别=2级=2级=834=687=12=78.4/27-3442CrMoA=880=590=14/=50%280-320(3)气体氮化处理曲轴表面进行氮化处理，一方面是为了获得高的疲劳强度，另一方面是为了获得高的表面硬度，提高曲轴的耐磨性能。曲轴氮化的特点是变形小、硬化层

47、均匀、疲劳强度和耐磨性高、工艺性稳定等。其表面经氮化处理后，生成极细颗粒具有高硬度的。相，同时还生成Fe3N和FeN，使轴颈和圆角均得到强化处理，改善表面耐磨性，增加表面强度，特别是增加抗疲劳强度，并提高材料的抗腐蚀性能。(a)气氛 氨气+催渗，氨气压力:0.3-0.4Mpa；NH3CI:120g/炉。保温阶段流量:3m/h，升温及降温阶段流量:2m/h；(b)加热 520保温10h，炉冷至200以下出炉空冷。(c)检验 渗层深度全=0.4mm，表面硬度=50HRC(509Hv)；脆性1-3级。2.4 改进措施(1)曲柄圆角处是曲轴最薄弱也是受力最大的部位，90%以上的失效事故都发生于此，加工

48、磨削时应确保圆角过渡圆滑，粗糙度指标合格，以利于缓解此处的应力集中效应，提高柴油机曲轴的疲劳强度。(2)对于强化柴油机而言，今后应采取必要措施，提高曲轴油孔孔口和其内表面的加工质量，比如可采取专用成形工具加工油孔。孔口处研磨抛光时应小心谨慎，同时，应严格控制孔口椭圆长轴与最大主应力方向平行，这种取向对曲轴的疲劳强度最为有利。(3)严格规范锻造工艺，重点控制好终锻温度及模具尺寸精度，杜绝曲轴圆角处产生无可修复的折叠层。曲轴锻造后正火要充分，正火组织中不允许保留有未充分转变的锻造组织，以避免由于组织遗传造成淬火组织缺陷的产生。(4)曲轴原材料炉次、热处理炉次应进行批(炉)次管理，使曲轴热处理能根据

49、原材料化学成分的具体情况进行有针对性的工艺操作，以减少曲轴淬火开裂概率，大锻件曲轴按材料化学成分的高低分类进行热处理是必要的。(5)曲轴淬火出现的开裂集中于曲轴的一端，原材料低倍组织的级别偏高是重要因素，所以希望钢厂能加大钢锭冒口和底部的切除量，保证切除量大于钢锭重量的15%，降低曲轴原材料纵向的组织、性能差异，同时要减小锭型偏析的方框尺寸及偏析区宽，这样有利于改善曲轴表层范围的组织，为曲轴热加工提供合适的冶金质量基础。建议企业提出高于国标GB3077的要求，将42CrMoA钢曲轴原材料的关键低倍组织项目控制在引.5级以下，即:一般疏松引.5级，锭型偏析且.5级。(6)金属中氢是一种有害元素，

50、鉴于190柴油机曲轴己有两次因为氢含量高而造成断裂破坏，因此，曲轴应严格控制氢含量，防止类似问题再次发生。我们建议原材料生产厂家要严格控制曲轴原材料的生产过程，锻后要进行彻底的去氢退火处理，确保曲轴原材料中氢含量夕2PPm。(7)在淬火介质采用水玻璃水溶液的情况下，曲轴热处理应将淬火冷却时间(6min)由目前的人工控制实现自动(或半自动)控制，这样才能彻底消除由于人工操作失误引起的淬火开裂问题。(8)为了避免曲轴热处理过程中出现淬火冷却不足的现象，可以采用以下方法:改善淬火介质成分，并确保淬火介质流动通畅，以保持介质温度恒定;调整曲轴装挂方式;减短淬火前在空气中的停留时间，加快曲轴进入淬火介质

51、的速度。(9)优化曲轴热加工工艺，保证得到比较理想的金相组织，避免曲轴过热。锻造后应充分正火，细化晶粒并彻底消除锻造粗大组织，这样可以避免曲轴出现相对过热现象。如果曲轴已经发生过热，或调质后力学性能偏低，须返工淬火时，必须对淬火回火状态的曲轴先进行一次重新正火处理，得到平衡组织后，再以正常温度加热淬火，这样可以改善组织、细化奥氏体晶粒，在奥氏体重结晶后获得正常的淬火组织。(10)柴油机曲轴返修时，应严格磨削、抛光工艺操作，特别是对圆角处磨削抛光应更加慎重，严禁造成磨削微裂纹及渗氮层被大量磨掉。另外，返修后应对渗层厚度进行估测，若渗氮层的损耗严重，应对曲轴重新进行氮化处理，确保曲轴表面得到符合要

52、求的渗氮层。 (11)完善有关管理制度，提高操作人员的质量意识和操作技能。质检人员的严格把关和责任意识也是重要的环节。同时，应严格柴油机使用现场操作管理，认真执行柴油机使用、维护、修理的相关标准与规定。结论本文针对中、大功率190柴油机曲轴的早期断裂失效问题，根据检测分析结果，全面系统地研究了曲轴断裂失效的规律以及曲轴原材料冶金缺陷与制造过程中产生的组织缺陷对其使用性能的影响，得出以下结论:(l)曲轴的早期破坏大部分为疲劳断裂失效。在疲劳断裂过程中，柴油机的工作应力不是很大，一般低于材料的屈服强度，瞬时断裂区一般只有断口面积的1/5-1/4，属低应力高周疲劳断裂。(2)曲柄与轴颈交接的圆角处是

53、曲轴工作中受弯曲、扭转应力最大的地方，由于过度圆角较小(R=6)且加工困难，所以，该处也是最容易产生应力集中的部位，曲轴早期断裂失效的裂纹源大部分产生于此。(3)轴颈油孔也是曲轴的一个薄弱部位，曲轴油孔开口处的加工质量和形状尺寸是影响曲轴疲劳强度的重要因素之一，油孔如果加工不当，刀痕明显或形状不规则都容易造成应力集中，诱发疲劳裂纹的产生。(4)曲轴原材料的纯净度是影响曲轴工艺和使用性能的重要因素。当原材料中氢含量全ZpPm，材料的脆性倾向明显增大，曲轴原材料中超过Zppm的氢含量极容易导致曲轴早期断裂失效。(5)曲轴材料42CrMoA钢与35CrMoA钢相比，42CrMoA钢的热工艺性较差，在

54、热加工操作中比较容易产生开裂现象。曲轴材料的致密度差也是造成热处理淬火开裂的重要因素，当42CrMoA原材料低倍组织中的一般疏松或锭型偏析习.5级，同时碳含量达到或超过0.44%时，曲轴在波美度3-3.5的水玻璃水溶液中冷却开裂的危险性是比较大的。(6)曲轴热处理不当，淬火冷却不足形成大量的铁素体和上贝氏体组织是导致曲轴早期失效破坏的重要因素。曲轴组织中存在大量铁素体及上贝氏体，不仅影响曲轴的静态性能指标，使强度、硬度、冲击韧性降低，关键还会造成曲轴疲劳强度等动态性能指标的大大降低，严重影响曲轴的使用寿命。参考文献1.刘瑞堂.机械零件失效分析.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2003.92.刘兰

55、波，王勇.柴油机曲轴断裂分析与对策.内燃机，2001，(4):22一24.3.李齐珍.曲轴断裂的失效分析研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文，2000.44.陈石卿，焦明山.钢的应力腐蚀开裂.北京:国防工业出版社，1983.65.涂铭族，郡文彬.机械零件失效分析与预防.北京:高等教育出版社，19936.钟培道.断裂失效分析.理化检验物理分册，2005，(41):37一407.高镇同.疲劳性能测试.北京:国防工业出版社，19808.王仁智，吴培远.疲劳失效分析.北京:机械工业出版社，19879.孙智，江利，应鹏展.失效分析一基础与应用.北京:机械工业出版社，2005.310.束德林.工程材料力学性能

56、.北京:机械工业出版社，200311.谢斐娟，孙家镶译.工程材料失效分析.北京:机械工业出版社，200312.刘民治，钟明勋.失效分析的思路与诊断.北京:机械工业出版社，199313.王晓敏.工程材料学.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，199914.李魁盛.铸造工艺设计基础.北京:机械工业出版社，1992.315.彭运钧.大型运输车辆发动机构造与维修.人民交通出版社，200616.万朝平.16v24o型柴油机曲轴断裂原因分析及对策.机车车辆工艺.200017.济南柴油机股份有限公司.190柴油机理化检验规程.济南:2001.418.金属断口分析编写组.金属断口分析.北京:国防工业出版社，1979

57、19.冶金部钢铁研究总院.合金钢断口分析金相图谱.北京:科技出版社，1979.7谢辞通过这次毕业设计，我获得了很多东西。不只是知识上的增长，更是对自己的一种锻炼。本论文是在高永强老师的耐心指导下完成的,老师为我提供了柴油机的相关知识和目前柴油机的实际应用情况的各种资料，使得我的毕业设计得以顺利地完成，同时又学习到了很多相关知识，掌握了柴油机的初步设计方法和设计理念。在此，对指导老师高老师，表示感谢。在设计的整个过程中也得到了其他同学的帮助和支持，在此一并表示感谢。毕业设计是我们大学生活的最后阶环节，是对我们大学四年所学知识的温习和巩固。通过毕业设计可以检验我们所学过知识的掌握和综合运用情况，它对培养我们的思想、工作作风以及实际运用能力、提高毕业生全面的素质具有很重要的意义，为我们以后走向社会，步入工作岗位打下了坚实的基础。我还要感谢车辆系的各位老师对我四年来的培养和帮助，因为没有你们的淳淳教导，就没有我扎实的专业课基础，就不会如此顺利地完成论文。今后我会更加努力地学习，不辜负各位老师的栽培。2011年4月11日25