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工程故障分析 期刊主頁(yè)：www.elsevier.com/locate/engfailanal 直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)技術(shù)學(xué)院，里斯本大學(xué)，羅維斯科·佩斯大道（1049-001），葡萄牙里斯本 b亞特蘭蒂斯 –大學(xué)管理，衛(wèi)生，技術(shù)與工程學(xué)院，法布里卡達(dá)波沃拉，2730-036葡萄牙巴卡雷納 c航海學(xué)校，2770-058帕喬德 阿克斯，葡萄牙 摘 要 提出了對(duì)屬于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸故障的詳細(xì)分析。這項(xiàng)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(jìn)行了材料分析，然后通過(guò)宏觀，微觀和微觀結(jié)構(gòu)檢查斷裂表面來(lái)詳細(xì)觀察失效機(jī)理。曲軸斷裂的初步觀察表明，這種失效是由疲勞過(guò)程引起的，在疲勞過(guò)程中，斷裂表面顯示出明顯的循環(huán)傳播機(jī)制跡象。大量海灘痕跡的存在表明裂紋顯著擴(kuò)展，其特征是由運(yùn)行條件引起的發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)啟動(dòng)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(gè)傳播區(qū)域，裂紋前沿的均勻幾何圖案沿著整個(gè)傳播區(qū)域得出的結(jié)論是，疲勞過(guò)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(yīng)力組成。曲軸網(wǎng)和曲軸主軸頸。在材料的表面或內(nèi)部均未觀察到原始缺陷，該缺陷可能是裂紋產(chǎn)生，擴(kuò)展和隨后的最終斷裂的根源。對(duì)應(yīng)用于主軸頸的軸承的分析表明，軸承凸耳斷裂嚴(yán)重，據(jù)認(rèn)為這是曲軸開(kāi)裂的根源。 1. 引言 曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)部件和關(guān)鍵部件之一，該發(fā)動(dòng)機(jī)將線性活塞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將力連桿轉(zhuǎn)換為扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的主要故障模式是疲勞，因?yàn)檫@種類型的部件會(huì)受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的共同作用[1,2]。 限制曲軸疲勞強(qiáng)度的因素有：使用中的負(fù)載，部件或材料的不正確設(shè)計(jì)，制造缺陷或旋轉(zhuǎn)零件的潤(rùn)滑不良。曲軸故障會(huì)加劇其他發(fā)動(dòng)機(jī)零件的損壞，例如活塞，連桿等。[3]。 考慮到緩解措施，對(duì)此類損壞的故障分析可以避免類似的故障。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸故障研究的結(jié)果已經(jīng)在幾項(xiàng)研究中提出[1-13]。 工作 [6]提出了卡車柴油機(jī)曲軸的故障分析結(jié)果，其中曲軸的故障機(jī)理是疲勞和斷裂的多源。作者得出的結(jié)論是，期刊上缺乏強(qiáng)化案例的主要原因是失敗。[7]對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的故障進(jìn)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(yīng)力。曲軸的故障與高循環(huán)疲勞有關(guān)。汽車曲軸的分析在[8,9]。 B.卡里姆[8]發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和潤(rùn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以獲得組件的耐用性。 圖1 直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 李偉等人介紹了曲軸故障的結(jié)果。[10]中使用實(shí)驗(yàn)方法和理論計(jì)算得出的結(jié)論是，斷裂是由于高應(yīng)力集中所致。 文章對(duì)曲軸球墨鑄鐵的疲勞和斷裂行為進(jìn)行了評(píng)估[11]。 斷裂機(jī)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(yīng)的殼體軸承屬于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)部分如圖所示圖2。 放置在發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)與曲軸主軸頸（圖4），并根據(jù)直升機(jī)中曲軸箱的位置在右側(cè)或左側(cè)如圖5。圖6中顯示了曲軸箱的右側(cè)，其中故障曲軸從主軸頸圓角開(kāi)始沿橫向腹板部分?jǐn)嗔裯.3 2. 曲軸故障 2.1. 發(fā)動(dòng)機(jī) 直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1）是水平對(duì)置的風(fēng)冷六缸（平箱型），容量為200 HP。曲軸箱的右側(cè)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(jiàn)圖7目視觀察并通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察，以表征斷裂表面并確定導(dǎo)致部件失效的裂紋的萌生和擴(kuò)展。 圖8顯示了對(duì)應(yīng)于圖中A面的一個(gè)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(dǎo)致斷裂明顯。 對(duì)該斷裂面的更詳細(xì)觀察表明，裂紋面的擴(kuò)展與取決于加載周期的斷裂機(jī)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(kuò)展區(qū)有一個(gè)潤(rùn)滑孔如圖8。 通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察斷口表面，可以確認(rèn)斷口區(qū)域呈現(xiàn)出相對(duì)規(guī)則的表面，斷口表面有兩個(gè)不同的區(qū)域：第一個(gè)靠近裂紋萌生區(qū)，應(yīng)力集中表明裂紋萌生區(qū)緩慢擴(kuò)展沿著表面造成零件斷裂，第二個(gè)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(dú)特的形態(tài)圖案，其特征在于，由于較小的電阻區(qū)域而導(dǎo)致的過(guò)載導(dǎo)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(shí)刻之前。這些標(biāo)志清晰可見(jiàn)，而且數(shù)量眾多如圖9，表明由于使用條件對(duì)零部件的連續(xù)啟動(dòng)和停止的影響，裂紋尖端處出現(xiàn)了明顯的疲勞裂紋擴(kuò)展。從觀察到的灘涂可以看到的另一個(gè)特征是它們均勻的前進(jìn)方式，沒(méi)有明顯的證據(jù)表明扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)改變裂紋前沿的方向。在光學(xué)顯微鏡下，曲軸斷裂表面上的一條徑向線也可見(jiàn)，如圖10。 圖5 曲軸相關(guān)零件 圖6 曲軸箱和曲軸斷裂 圖7 曲軸兩側(cè)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(duì)應(yīng)于兩個(gè)平面的交點(diǎn)，其中裂紋的兩個(gè)起點(diǎn)獨(dú)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(kuò)展區(qū)的棘輪痕跡的存在。這些棘輪標(biāo)記始于最大的作用力區(qū)域，與局部驗(yàn)證的高應(yīng)力有關(guān)[13]。 圖11是的放大圖像圖10在兩個(gè)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(méi)有檢測(cè)到初始的冶金缺陷，但是在主軸頸表面上觀察到了圓周標(biāo)記。 圖13是一張帶有斷裂面的曲軸內(nèi)平面的照片，其中可見(jiàn)不同的疲勞傳播平面?？梢钥闯?，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(jí)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(yīng) 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(xì)節(jié) 并與裂紋萌生和擴(kuò)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(cè)面平行曲軸軸承的軸線的運(yùn)動(dòng)中，該側(cè)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(jìn)疲勞裂紋引發(fā)曲軸斷裂的機(jī)制。在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的其余部件進(jìn)行詳細(xì)觀察期間，可以發(fā)現(xiàn)殼形軸承沒(méi)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(xì)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(duì)應(yīng)于各個(gè)主要期刊?？梢钥闯?，在右殼上帶有n.3和n.4看不到促進(jìn)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(jué)觀察n.2、3和4在接線片的位置未顯示任何損壞。 還通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察了殼體軸承，以確定殼體軸承3和4（右側(cè)）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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，則該定位凸耳最終將被磨損，直到完全卸下。 對(duì)右側(cè)軸承座的定位凸耳附近區(qū)域的詳細(xì)觀察n.2允許檢測(cè)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(guò)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(méi)有定位凸耳和橫向由于蓋相對(duì)于曲軸主軸頸軸承的軸線平行運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生裂紋。從觀察圖17可以預(yù)見(jiàn)的是，在初次組裝時(shí)，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(jié)論是，定位凸耳磨損的原因是由于軸承的軸向摩擦運(yùn)動(dòng)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(gè)；b）n.左右3個(gè)；c）2個(gè)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(lǐng)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(jiàn)。圖18還顯示了軸承的端部的塑性變形n.3所示的實(shí)施例中，由于在直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間平行于殼體軸承所經(jīng)受的軸線的運(yùn)動(dòng)而形成了頸帶。該證據(jù)表明，主軸頸上的圓周表面標(biāo)記如圖13是由于殼軸承的軸向運(yùn)動(dòng)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(jìn)了兩個(gè)疲勞裂紋的產(chǎn)生。在圖19可以更詳細(xì)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(dǎo)致曲軸腹板和主軸頸的損壞，從而導(dǎo)致曲軸的裂紋萌生和最終失效。在左殼軸承上檢測(cè)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(jié)論 - 斷裂表面的視覺(jué)觀察和光學(xué)顯微鏡觀察顯示出循環(huán)傳播機(jī)理的跡象以及曲柄銷的腹板圓角處出現(xiàn)疲勞過(guò)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(duì)部件的連續(xù)啟動(dòng)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(gè)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(jié)論：疲勞過(guò)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(yīng)力； - 在曲軸主軸頸的表面上或在內(nèi)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(gè)獨(dú)立擴(kuò)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(jìn)了曲軸腹表面上兩個(gè)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(cè)外殼軸承的定位凸耳的磨損和斷裂所致。 致謝 這項(xiàng)工作得到了運(yùn)輸和航空學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（LAETA）之下的機(jī)械工程學(xué)院（IDMEC）的“Funda??opara aCiênciaea Tecnologia”（FCT）的支持，項(xiàng)目UID / EMS / 50022 / 2019。 參考文獻(xiàn) 【1】M．方特，李斌，L.里斯，M.弗雷特斯，機(jī)動(dòng)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(jī)曲軸故障分析，56（2015）109-115 【3】L.維特克，《柴油機(jī)排氣門的故障和熱機(jī)械應(yīng)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(dòng)機(jī)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(jī)兩個(gè)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(dòng)機(jī)曲軸的故障分析，92（2018年10月）84-94 【7】露西簡(jiǎn) 維特克，邁克爾 西柯拉，托馬茲 崔澤皮斯尼斯克，柴油機(jī)曲軸的應(yīng)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(jī)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(jī)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 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