船用柴油机疲劳寿命评估研究曲轴
Fonttea，P.Duartea，V.Zaneb，M.Freitasb，L.Riceb，
(a葡萄牙最高法院(ENIDH) b葡萄牙Lisboa大学Teacute;cnico高等学院IDMEC)
摘要：船舶曲轴的疲劳强度及其正确评定对船舶曲轴的设计和维护具有重要的意义，以获得运行的安全性和可靠性。曲轴处于交替状态曲轴销弯曲和旋转弯曲结合扭转对主要轴颈的疲劳破坏起主要作用。商业管理的成功在很大程度上取决于在使用中的发动机及其设计的曲轴，特别是曲轴设计严格遵循船级社的规则。本研究结合了近几十年来的设计改进，对船用发动机曲轴的疲劳寿命评估及维修进行了综述。 疲劳寿命的准确估算对保证构件的安全性和可靠性具有重要意义。文中给出了一个半成品曲轴故障的实例，并给出了可能的损伤根源，最后给出了一些结论。
关键字:船用采油机; 曲轴失效; 疲劳强度评定; 疲劳寿命
1. 引言
船用主机主要用于船舶推进，要求输出功率较高，尺寸较小。随着新建船舶自重的增加，发动机的功率也在逐年提高。 在建造新船的过程中。发动机通常是两冲程和低速(90-120转/分)和合适的高度，随着船舶尺寸的增加，对大功率的需求也随之增加。但同时，发动机转速低会导致低消耗，从而降低燃料成本。
船用柴油机的关键和主要部件是曲轴，它将活塞的往复运动转化为旋转运动，船用柴油机的关键和主要部件是曲轴，它将活塞往复运动转化为旋转运动，并在此过程中经历了大量的加载循环。众所周知，承受重复应力的机械部件很可能会失效，其应力远低于在单一载荷作用下造成断裂所需的应力。因此，疲劳失效的发生，一般是经过较长一段时间的服役条件。据估计，疲劳失效至少占所有机械故障的85%。
曲轴是在复杂载荷条件下承受多轴疲劳的动力轴，也是内燃机最重要的负荷部件之一。主要负荷来源来自燃烧过程产生的气体压力，通过连杆传递到每个曲轴销的气体压力可达数百吨。这些力根据连杆所施加的推力角和汽缸的点火压力而变化，但在大约上止点两侧下（TDC）的情况下是最大的。
图1曲轴式90半组合式低速二冲程船用柴油机曲轴[2]。
在一次旋转期间，曲轴经受与扭转结合的最大弯曲应力和最小弯曲应力。如果主轴承处于未对准位置，则弯曲增加。任何旋转动力轴也将受到由于通过活塞施加到曲柄销上的压缩和冲击发力产生的轴的固有频率的扭转振动。 还有连杆，为了吸收这些类型的振动，一些主发动机有一个阻尼器。
曲轴通常有整体的或可附加的平衡重量。当整个曲轴围绕主轴旋转时，这些平衡重量抵消了每个曲轴销和曲轴网所产生的离心力。在没有配重的情况下，曲柄销质量倾向于弯曲和扭曲曲轴，从而导致主轴承中的过度的边缘加载因此，每个半曲柄腹板通常沿曲柄销的相反方向延伸，以平衡曲柄销的作用。
如图1所示，曲轴有三个主要部件：曲柄销轴颈，承受连杆的力；主轴颈，主要轴颈由床板上的主滑动轴承支撑；曲轴网，连接两个主要的轴颈和曲轴销。
柴油机主要故障的根本原因是什么？影响船用曲轴疲劳寿命的因素有[1]：失去有效润滑；发动机超速或最终在临界或禁止旋转范围内运行；设计用于消除曲轴过度振动的曲轴减振器故障；由于保养不足而导致的发动机功率不平衡或错误的功率监测；轴颈轴承未对齐；曲轴设计和制造不当；主机超载；船舶的接地和螺旋桨的损坏或结垢；轴瓦由于突然或逐渐磨损而遭受相当大的金属损失。
大多数曲轴失效是由于曲轴轴颈或主要轴颈圆角截面的变化引起的高应力集中所致，或者是在润滑孔的唇部。另一个重要的根本原因是发动机运转时存在强烈的振动，特别是扭转振动。主轴颈或壳体轴承的异常磨损可引起曲轴严重偏中，引起较高的油间隙。定期检查减震器和螺丝拧紧 测量曲轴抛偏，也可以防止将来的损坏。
目前常用的疲劳寿命估算方法有应力寿命(S-N)、应变寿命(e-N)和线性弹性断裂力学(LEFM)。S-N方法基于名义应力寿命，采用雨循环计数和累积损伤准则，一般为Miner准则。LEFM假设裂纹已经存在于组件中，并且可以检测到，即基于应力强度因子K的裂纹扩展分析，经典的计算方法具有用于强度分析的局限性,由此有限元方法(FEM)是一种数值计算方法,该方法主要用于疲劳构件和结构的简单分析。然而，有限元法(FEM)和测试实验室在预测和避免灾难性故障方面做出了很大贡献，即灾难性故障的概率。 由于严格的设计规则和定期检验，出现的故障曲轴数量很低[3] 。对于曲轴的疲劳寿命评估，主要是为了确定在几何临界区的应力水平。如今，随着计算机效率的提高，有限元法也越来越受到重视。 有限元分析(FEA)主要用于曲轴的应力状态测定，是一种先进的建模技术， 在复杂的装配和复杂的装载服务条件下，可以帮助预测组件内部各个构件的应力大小。
2.设计和制造考虑
在过去的几十年里，新的曲轴制造技术得到了发展。曲轴可通过装配件或锻件来制造。现在，更常见的船用曲轴制造是：(i)半成品曲轴，其中腹板和主轴颈和或曲柄腹板和曲柄销轴颈锻造为一块并收缩装配在一起，是大型船用主发动机最常见的，如图中2(a)和(b)所示，(ii)由整件锻件建造的全锻曲轴。然而，曲轴一般分为两类：2缸内径大于400 mm的船用2循环柴油机的装配和4循环柴油机的完全锻造[4]。在装配件的情况下，曲轴采用半成型设计的。一种组装型曲轴是由称为轴颈的收缩配件制造的，而其他零件称为曲轴抛体，是用锻钢制成的。
- （b）
图2.(A)有曲柄抛出的竖立式曲轴的特写(B)有主要参考尺寸的曲轴抛出图
曲轴抛球是由铸钢或锻钢制成的，尽管与锻钢相比，铸件在生产效率方面有优势。在制造过程中需要严格的质量控制。曲柄臂孔和曲柄销读数是通过前收缩适合的过程，并应是值得信赖的。每一种曲轴设计都有其优点，主要是根据经济决策和船型选择。然而，任何有关这类组件的设计，都会受到船级社的严格规则和监督，它们是非政府组织，为船舶和海上结构物的建造和运营建立和维持技术标准。
协会的主要作用是对船舶进行分类，并验证其设计和计算是否符合已公布的标准。它还对船舶进行定期检查。确保他们继续符合既定标准的参数。致力于安全船舶和清洁海洋的国际分类协会(IACS)做出了独特的贡献通过技术支持、合格核查、研究和开发来实现海上安全和监管。这一分类涵盖了世界上90%以上的载货吨位 IACS十三个会员协会制定的设计、施工及全寿命遵守规则和标准[5，6]。分类规则是经过多年社会发展而形成的。 广泛的研究、开发和服务经验，并不断改进。此外，IACS成员已经商定了统一要求，并将其转化为不可分割的部分全体会员的规则。
许多船舶发动机的半成品曲轴必须按照国际船级社协会(IACS)的统一要求编号建造。UR-M53 在考虑到收缩配合的最小和最大过大的情况下，对收缩配合的公差进行了很好的控制，这是由要传递的最大扭矩和曲轴材料的力学性能。
当曲轴设计涉及表面处理圆角的使用或疲劳参数影响测试时，需要将相关的计算/分析文件提交给分类协会。为了证明这些规则的等价性。本规则仅适用于锻钢或铸钢的实心锻制和半成品曲轴，主要轴承之间有一个曲轴。曲轴的设计是基于对高应力区抗疲劳安全性的评估。计算还基于以下假设：暴露在最高应力下的区域再转角过渡之间的曲轴销和腹板，以及之间的主要轴颈和腹板以及出口曲轴销油孔。曲轴钢合金的实验室测试及ADVA的应用 NCED有限元法显着地提高了这些部件的使用寿命。
船用柴油机曲轴的工作条件复杂，是工程设计面临的重要挑战之一。因为在圆角附近开始的疲劳断裂。主要失效机理是采用圆角轧制工艺提高曲轴疲劳寿命[7]。退火后的零件也会在淬火和回火后进行矫直。用于修正热处理引起的变形，然后进行额外的退火以消除矫直过程中产生的残余应力。在加工阶段，对零件进行旋转和研磨，以获得所需的尺寸和公差。感应表面硬化后，如果表面硬化的深度，则再进行应力退火小于损伤层的深度，感应表面硬化后，残余应力的大小和分布应有助于改善疲劳材料的强度。
圆角轧制传统上是用来诱导曲轴圆角处残余压应力的。在这一临界区产生的压残余应力提高了构件的疲劳寿命。曲轴中的圆角作为压力升高者，承受最大程度的压力以服务负载，由于弯曲和扭转的联合作用，裂纹在圆角表面成核的临界位置。
船用柴油机对曲轴销腹板的疲劳强度提出了更高的要求，同时也提高了收缩配合轴颈的夹持强度。用断裂力学方法研究了圆角轧制过程引起的残余应力对球墨铸铁曲轴截面弯曲疲劳过程的影响[7]。考虑运动硬化规律的弹塑性有限元分析中轧制前后的分析。摘要采用线弹性断裂力学方法，通过研究圆角表面裂纹萌生的应力强度因子，了解疲劳裂纹扩展过程。
提高材料疲劳强度的方法是在圆角区施加外力或进行冷轧，从而导致加工硬化和压强残余应力在材料表面。现在生产的所有铸造曲轴抛体都是通过冷轧处理的，这是最常用的技术之一。因为这确保了高尺寸精度，因为它不涉及加热，不容易使零件/部件变形。
3.半成品曲轴失效箱
曲轴的疲劳过程也可能是由突然的扭力过载引起的，例如由外部因素引起的，在运行中的主机过载，或者由螺旋桨过载引起的。通过仔细研究主机在服役条件和船舶航行时间方面的性能，可能值得进一步研究。
半成型曲轴收缩装配是一项重要的工作，应严格考虑其几何公差。最近的一个例子，曲柄抛出失败的如所介绍曲轴图3。主柴油机为直列2冲程，单作用7缸，曲轴抛出，每分钟110转28000马力，服务时间约13000小时，损坏是在曲棍球六号上造成的。该材料为42CrMo4结构钢，曲轴零件由收缩组装而成。对于收缩-最小和最大的尺寸，直径， 分别为1.91毫米和1.99毫米，公差为0.08毫米。众所周知，半成品曲轴在运行过程中承受过载时，其收缩可能会失效。如果这种情况发生曲棍球正滑过主要的销轴。
图3(A)示出在曲柄销上作用的连杆的示意图，图3(B)示出在扭转载荷作用下由腹板孔形成的裂纹区，以及图3(C)显示连接到裂缝腹板孔上的主销。裂纹扩展过程在主销圆柱形表面上留下了明显的滑移痕迹。
图4(A)显示了6号曲轴腹板的表面裂纹形貌，它显示了断口的两个不同的区域：一个是疲劳过程产生的，另一个是快速断裂产生的。疲劳过程是由连杆作用于曲轴销而产生的循环扭转力矩形成的，并与腹板和主销耦合。裂缝已经引发了大约7.5毫米在收缩配合裂缝内。
图4(B)示出具有半椭圆海滩标志的表面裂纹和带有斜短裂纹的裂纹萌生部位，可作为微动现象的指示。如图4(C)所示，表面主销在裂纹萌生界面附近有“印记”微动区。主销在显示之间相互运动所产生的微动痕迹。疲劳裂纹越来越大，从而释放了一些收缩配合力。这种微动可能是由于主裂纹失去收缩配合力的结果而变得越来越深更长。
3.1.可能损害的根源
很明显，6号曲轴抛掷因疲劳而失效。众所周知，裂纹的萌生需要一段时间，即需要一定数量的循环才能开始，然后再进行成核。 N期裂纹是以一定的疲劳裂纹扩展速率扩展的，如果裂纹最终存在于疲劳表面，则裂纹扩展的历史可以通过止回线或海滩痕来观察。为了识别疲劳裂纹表面留下的海滩痕迹，关于发动机工作状况的知识，见图4(B)，以确定与船只在港口的离港和抵港有关的扣留线，以及从最后一条疲劳停机线开始的操作时间。（在灾难性故障之前)。
图3.(A)连杆头；(B) 具有裂纹区的半建曲轴腹板的草图；和(C)断裂的曲轴腹板。
图4.(a)断裂曲轴腹板的表面裂纹形态；(b)有海滩痕迹的表面裂纹；(c)显示滑动及微动区的主销表面。
因此，搜索事件最终可能导致裂纹萌生的根本原因，以及如果有来自螺旋桨的突然外部载荷。图4(B)也清楚地显示了裂纹发生的点或焦点。这种疲劳裂纹的产生可能是由材料缺陷引起的，如夹杂，微裂纹等。 在收缩过程，或由于突然过载或局部应力过大而使应力水平足够高的微观几何缺陷，尽管潜在的缺陷或夹杂物不足以引起。如果应力没有超过疲劳阈值，就拉出裂纹。
疲劳裂纹表面的海滩标记(或止回线)，如图4(B)所示，对应于主机运行中的事件。裂纹扩展是由连接产生的扭矩造成的。杆头通过连接到轴颈销的6号腹板作用于曲轴销上。由于主销与腹板孔之间的扭转应力不均匀，或主销装配不足。对于曲轴腹板孔，可以出现局部滑动和微动过程。另外，在微动引起裂纹萌生时，疲劳强度可降低到该值的4倍以上。倾斜45°裂纹路径，见图4(B)所指向的箭头，表明裂纹的起始可以是微动疲劳。疲劳过程可能是由于局部松动或由于腹板孔与轴颈销之间的几何公差不足而过紧而开始的。收缩拟合通常会导致周向拉应力进入孔面。由于收缩力的缓解，可能会出现微动疲劳现象，一种过早的疲劳裂纹萌生。断裂表面在Ⅰ型载荷作用下具有典型的疲劳裂纹形貌，在裂纹萌生区附近有半椭圆形的海滩痕(止回线或海滩痕)辐射网孔角。如果错误的公差被指定为主要的断裂的根本原因，是指在曲轴制造时已开始在曲柄腹板六号孔制造曲轴的疲劳过程。网孔材料遭受了冷却后的过度应力导致曲柄腹板的永久屈服。轴瓦和床板对齐具有规定的极限和滑动轴承，没有异常磨损，疲劳过程是由曲柄5和6之间的扭转载荷传递引起的。当最终断裂发生时，收缩配合被释放，轴会开始扭曲，因为滑动面上的摩擦焊接已经显示出来大约90°后停止，关于曲柄腹板的挠度和校中读数数据，这些数据显示低于可接受的限值，从而得出裂缝不是由外部影响引起的结论。
裂纹萌生区清楚地显示了微动疲劳过程，如接近裂纹萌生所示，见图4(C)。裂纹起始期为45°，即出现疲劳短裂纹。由此，提出并发展了疲劳裂纹扩展的裂纹滑动过程。在交变拉应力作用下，这种疲劳裂纹的萌生机制不同于正常的疲劳过程。
<p
全文共13197字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</p
资料编号：[2438]
