高壓捷豹變頻空壓機(jī)曲軸斷裂的原因分析

 

曲軸是高壓捷豹變頻空壓機(jī)中受力最復(fù)雜的部位，它的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)空氣動力系統(tǒng)的穩(wěn)定。我們這里主要涉及到的是曲軸設(shè)計(jì)與制造時(shí)應(yīng)考慮的事項(xiàng)。

 

根據(jù)對曲軸的有限元分析，曲軸在正常服役過程中主要受交變扭轉(zhuǎn)—彎曲復(fù)合應(yīng)力，連桿頸與主軸頸過渡圓角處為應(yīng)力最大區(qū)域，是最易發(fā)生疲勞斷裂的部位。根據(jù) 對曲軸的強(qiáng)度校核，如果材料力學(xué)性能、表面粗糙度和安裝質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，該曲軸仍具有足夠長的疲勞壽命，不會發(fā)生意外疲勞斷裂。

 

疲勞斷裂對裂紋、缺口、組織缺陷等十分敏感，因?yàn)槿笨?、尖角和裂紋因應(yīng)力集中而大大降低了裂紋萌生所需的應(yīng)力值，疲勞破壞首先選擇在這些局部缺陷處開始，而且疲勞裂紋一旦萌生，一般情況下進(jìn)一步擴(kuò)展已不可避免。

 

因此，不同的表面粗糙度對構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度有明顯的影響。表面越粗糙，其疲勞強(qiáng)度越低，這可能是造成該曲軸在未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命之前在曲柄銷圓角處發(fā)生斷裂失效 的主要原因。對失效曲軸的理化分析結(jié)果也印證了這一點(diǎn)：從斷口的宏觀形貌和微觀特征可以判斷曲軸的斷裂為典型的高周疲勞斷裂，并且在啟裂處及附近區(qū)域均可 見明顯的機(jī)加工留下的環(huán)向刻痕，局部表面粗糙度只達(dá)到12.5 μm，遠(yuǎn)低于1.6 μm的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)材料表面粗糙度從1.6 μm上升到12.5 μm時(shí)，原曲柄銷圓角的許用疲勞極限將下降50 %，安全系數(shù)也降至1.126，低于許用安全系數(shù)，說明曲柄銷圓角在使用過程中隨時(shí)可能會發(fā)生疲勞破壞。

 

因此我們給出以下建議：曲軸的原始設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，曲柄銷及主軸頸的過渡圓角處是應(yīng)力最大區(qū)域，也是最易發(fā)生疲勞斷裂的部位，因此當(dāng)曲軸材料的疲勞極限較低或存在其它不利于曲軸強(qiáng)度的因素時(shí)，該處可能發(fā)生斷裂。通過與實(shí)際斷裂行為對比，計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)際情況一致。

 

因過渡圓角表面粗糙度不影響曲軸的裝配生產(chǎn)，故在生產(chǎn)中往往不易引起足夠的重視。分析計(jì)算表明，圓角表面粗糙度是影響曲軸疲勞性能的直接因素，甚至可以抵消某些改善疲勞性能的措施，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，并進(jìn)行嚴(yán)格控制。為避免同類曲軸斷裂事故發(fā)生，建議采取如下措施：

 

（1）提高機(jī)加工精度，避免轉(zhuǎn)角部位出現(xiàn)機(jī)加工損傷，保證表面光潔度符合設(shè)計(jì)要求；

 

（2）嚴(yán)格控制設(shè)備零配件的購置渠道和加工修理過程，主要零部件必須由生產(chǎn)廠家提供有效的檢測報(bào)告或合格證明，確保關(guān)鍵部件在選擇材質(zhì)、加工工藝等過程中得到有效控制。