柴油机凸轮轴断裂失效和预防分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 106 柴油机凸轮轴断裂失效和预防分析 庞世松 王秋磊 孙希波 山东盛祥智能制造有限公司，山东 潍坊 262100 摘要：摘要：柴油机凸轮轴是发动机中关键的零部件之一，其正常运行对于发动机性能的稳定发挥至关重要。然而，在柴油机的使用过程中凸轮轴经常会出现一系列的故障问题，如断裂失效作为一种严重的故障现象，不仅会导致发动机停机，还可能造成严重的机械损坏和安全隐患。因此，本文将对柴油机凸轮轴断裂失效的原因和预防措施进行分析，以期为同类型工作提供一定借鉴与参考。关键词：关键词：柴油机；凸轮轴断裂；失效 中图分类号：中图分类号：U672 本文将对柴油机凸轮轴断裂失效的原因进行分析，并提出相应的解决措施。首先，我们将介绍凸轮轴断裂失效的主要原因，包括材料质量问题、设计问题、过载或过速运行、疲劳损伤和振动故障等。然后，针对每个原因，我们将详细阐述相应的解决措施，以帮助用户和维修人员有效预防凸轮轴断裂失效，提高柴油机的可靠性和安全性。1 柴油机凸轮轴断裂失效分析 1.1 材料质量问题 材料质量问题对凸轮轴的影响多方面，其中包括凸轮轴断裂、表面缺陷、变形或弯曲、疲劳损伤以及材料硬度异常。这些问题的出现可能是由于材料生产过程中的不合格加工、原材料质量不良、供应链控制不严格等因素引起的。凸轮轴断裂是材料质量问题的严重后果，可能导致凸轮轴在工作负载下发生明显的破裂或断裂。而表面缺陷则是由于材料中存在缺陷、夹杂物或不均匀组织等问题，导致凸轮轴表面出现裂纹、气孔、麻点等缺陷，这些缺陷可能进一步导致断裂。另外，材料质量不合格还可能导致凸轮轴在工作过程中发生变形或弯曲，使凸轮轴的形状不规则或出现明显的弯曲现象。疲劳损伤也是一个常见的问题，材料质量差可能使凸轮轴在循环加载下容易发生疲劳裂纹、齿轮齿面损伤等。此外，材料硬度异常也会降低凸轮轴的抗疲劳能力和强度，出现某些区域过硬或过软的情况。1.2 设计问题 如果凸轮轴的尺寸设计过小，无法承受发动机的功率和负载要求，可能导致在工作过程中出现应力集中、变形或断裂等问题。凸轮轴的强度是保证其正常工作的关键，如果设计中未考虑到凸轮轴所需的强度要求，可能导致凸轮轴在工作负载下发生破坏性断裂。同时，凸轮轴的结构设计应考虑到受力分布和应力集中的情况，如果结构设计不合理，例如存在过于薄弱的部位或应力集中的位置，会导致凸轮轴容易发生断裂1。1.3 过载或过速运行 当柴油机承受超过设计负载的工作条件时，凸轮轴所承受的转矩和应力将超过其设计极限。这会导致凸轮轴的材料疲劳积累，逐渐产生裂纹，并最终导致断裂失效。柴油机在超过设计转速运行时，凸轮轴将承受更高的离心力和惯性力。这些额外的力会导致凸轮轴的振动和应力增加，加速其疲劳破坏的过程。1.4 疲劳损伤 疲劳是由于应力反复加载和卸载导致材料内部微观结构发生变化，最终导致材料失效的一种损伤机制。疲劳损伤的具体表现包括表面疲劳裂纹、齿轮齿面疲劳损伤等。随着循环加载次数的增加，这些裂纹逐渐扩展并最终导致凸轮轴的断裂失效。1.5 维护不当 如果凸轮轴未得到足够的润滑，摩擦和磨损将会增加，导致表面疲劳裂纹的形成。随着时间的推移，这些裂纹可能会扩展并最终导致凸轮轴的断裂。低质量的润滑油可能不具备良好的润滑性能和抗磨损性能，无法提供有效的保护和润滑凸轮轴表面。这会导致摩擦增加，加速凸轮轴的磨损和疲劳失效2。1.6 引起振动的故障 在柴油机运行过程中，除了凸轮轴自身的问题，其中国科技期刊数据库 工业 A 107 他部件的故障也可能导致振动和冲击，给凸轮轴带来额外的负荷，从而加速其疲劳破坏。这些故障包括活塞、连杆、缸套等部件的失效或异常工作。如果柴油机的活塞失效，例如活塞环磨损不均匀或破损，活塞销磨损过度等，会导致活塞运动不稳定，产生额外的振动和冲击力，对凸轮轴造成不必要的负荷。如果连杆存在缺陷、磨损或松动等问题，会导致连杆运动不平稳，产生振动和冲击，从而给凸轮轴带来不良的负荷。如果缸套存在磨损、裂纹或松动等问题，会导致活塞运动不稳定，产生振动和冲击，对凸轮轴产生不良的影响3。2 柴油机凸轮轴断裂失效预防 2.1 提升材料质量 首先，寻找信誉良好、经验丰富的供应商，与他们建立长期合作关系，确保供应商能够提供符合相关标准和规范的材料。定期进行供应商评估，包括对其质量管理体系和生产工艺进行审查。其次，材料质量检测和评估，建立完善的材料检测和评估流程，包括原材料抽样和测试。对凸轮轴所采用的材料进行物理、化学和机械性能测试，确保材料符合相关要求。检测过程中应重点关注材料的缺陷、夹杂物、内部应力等问题。第三，建立健全的质量管理体系，包括质量控制标准、过程控制和质量跟踪等。确保在生产过程中严格遵循质量控制要求，追踪和记录生产数据，及时发现和解决问题。第四，针对柴油机凸轮轴的工作条件和负载要求，选择适当的材料。根据柴油机的设计参数、工作温度和应力情况，选用具有良好强度和耐疲劳性能的材料。第五，建立质量反馈机制，及时收集和分析凸轮轴断裂案例，确定问题的根本原因。基于质量反馈结果，制定改进措施，包括材料选择、生产工艺改进和质量控制优化等4。2.2 改善设计问题 首先，对柴油机的工作条件和负载要求进行全面的分析和评估，包括转速、功率、温度、压力等因素。确定凸轮轴在工作条件下所承受的力、应力和振动等参数，为设计提供准确的依据。其次，基于工作条件和负载要求，确定凸轮轴的适当尺寸和形状，确保其在正常工作负载下具备足够的强度和刚度。通过使用计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）软件，进行凸轮轴的结构设计和强度分析5。第三，进行强度和可靠性分析，包括有限元分析等方法，评估凸轮轴在工作负载下的强度和寿命。通过考虑材料的应力-应变特性、疲劳寿命和热膨胀等因素，确保凸轮轴在长期运行过程中的可靠性。第四，根据设计要求和工作条件，选择合适的材料，具有高强度、良好的疲劳和耐腐蚀性能。对凸轮轴进行适当的热处理，如淬火、回火等，以提高材料的强度和硬度，增加其疲劳寿命。第五，制定凸轮轴设计的标准和规范，确保设计过程符合相关行业标准和安全要求。强调设计的可持续性和可维护性，考虑凸轮轴的拆装、维修和更换等方面。2.3 过载或过速运行问题解决方案 2.3.1 遵守额定负载和转速范围 柴油机有其设计的额定负载和转速范围，严格遵守这些参数的限制。确保柴油机在正常工作负载和转速范围内运行，避免长时间处于超负荷或超速状态。2.3.2 监测和控制工作状态 安装并使用合适的仪器和传感器，实时监测柴油机的工作状态，包括负载、转速、温度、压力等参数6。建立合理的监控系统，对柴油机进行实时监控，并设定警报和保护机制，一旦发现过载或过速情况，及时采取措施。2.3.3 提供正确的操作指导 向操作人员提供详细的操作手册和指导，明确柴油机的额定负载和转速要求。培训操作人员，使其了解柴油机的工作原理和限制，以确保正确操作和避免过载或过速运行。2.3.4 定期维护和检修 柴油机的定期维护和检修是预防过载或过速运行的重要措施。定期检查和保养柴油机，包括润滑系统、冷却系统、燃油系统等，确保其正常工作并保持良好状态。2.3.5 强化安全意识 加强对操作人员的安全意识培养，提醒他们在工作中要注意柴油机的负载和转速情况，避免过载或过速运行。建立安全管理制度，包括定期的安全培训和评估，确保操作人员了解并遵守安全操作规程。2.4 疲劳损伤评估 首先，对凸轮轴进行疲劳寿命评估和分析，确定其工作循环和加载情况。通过实验数据和计算方法，预测凸轮轴在特定工况下的疲劳寿命，以评估其可靠性。其次，根据疲劳寿命评估结果，制定合理的维护周期和检修计划。考虑凸轮轴的工作条件和负载要求，制定定期中国科技期刊数据库 工业 A 108 检查、维护和更换凸轮轴的计划，以避免疲劳损伤导致的失效。第三，建立定期的凸轮轴检测和评估机制，包括外观检查、磁粉探伤、超声波检测等方法。定期对凸轮轴进行无损检测，及时发现可能存在的疲劳裂纹、表面缺陷和变形等问题。第四，在检测中发现疲劳损伤或潜在问题时，及时进行维修或更换凸轮轴。根据实际情况，采取合适的修复措施，如磨削、焊接修补或更换全新的凸轮轴，以保证其正常工作状态。第五，建立凸轮轴的使用和维护记录，包括工作时间、负载条件、维护操作等信息。对记录的数据进行分析，评估凸轮轴的疲劳状况和损伤趋势，以指导后续的维护和改进措施。2.5 做好维护工作 2.5.1 定期润滑和保养 确保凸轮轴使用适当的润滑油，并按照制造商的建议和规定的维护周期进行润滑和更换润滑油。定期检查润滑系统的工作状态，包括油液质量和油液流量，保持润滑系统的良好运行。注意检查润滑油滤清器的清洁程度，并根据需要进行更换，以防止沉积物和杂质对凸轮轴的损害。2.5.2 冷却和通风 检查冷却系统的正常运行，包括冷却液的循环、冷却器的清洁和散热风扇的工作状态。确保冷却液的质量和冷却系统的压力在正常范围内，以防止凸轮轴过热。确保凸轮轴周围的通风良好，避免封闭环境或杂物的堆积阻碍空气流动，保持凸轮轴的适当工作温度。2.5.3 检查和清定期检查凸轮轴的表面情况 这一内容包括观察是否有异常磨损、腐蚀或其他损伤。清洁凸轮轴表面，确保其清洁无尘，防止尘埃和杂质进入轴承和摩擦表面。定期检查和清理凸轮轴周围的杂质和积聚物，包括油泥、灰尘和金属屑等，以防止这些物质对凸轮轴造成损害。2.5.4 避免过载和过速 严格遵守柴油机的额定负载和转速范围，避免长时间在超负荷或超速工况下运行凸轮轴。根据工作要求合理调整负载和转速，确保凸轮轴处于安全工作状态，避免其受到过大的力和应力的影响。2.5.5 定期检测和维修 定期检查凸轮轴的外观情况，包括表面是否有明显的裂纹、磨损、腐蚀或其他损伤。特别关注凸轮轴的关键区域和连接部位，确保没有明显的异常。利用磁粉探伤技术检查凸轮轴表面是否存在裂纹、裂纹起源和其他表面缺陷。磁粉探伤是一种有效的方法，可以帮助发现裂纹和潜在问题。通过超声波技术检测凸轮轴内部的缺陷，如裂纹、内部变形等。超声波检测可以提供更详细和准确的信息，帮助判断凸轮轴的健康状况。同时，要定期测量凸轮轴的尺寸，检查其与设计规格的偏差。如果发现凸轮轴的尺寸超出规定范围，可能需要进行修复或更换。对检测结果进行数据分析和记录，以便对凸轮轴的疲劳状况和损伤趋势进行评估。根据分析结果，制定后续维护和维修计划。如果在检测中发现疲劳损伤、裂纹或其他严重问题，及时进行维修或更换凸轮轴。根据具体情况，可以采取磨削、焊接修复或更换全新凸轮轴的措施。2.6 解决振动故障 在柴油机的检修过程中，特别关注与凸轮轴振动相关的关键部件，如曲轴、连杆、活塞等。检查这些部件的连接螺栓、支承轴承等，确保其紧固可靠，避免松动引起的振动问题。在柴油机的设计和使用过程中，考虑减震和减振措施，以降低对凸轮轴的额外负荷和振动影响。采用减振装置、缓冲材料、振动吸收器等技术手段，有效减少振动传递和冲击载荷。在柴油机的组装和调试过程中，进行凸轮轴的精确平衡调整。通过动平衡测试和调整，消除凸轮轴在高速旋转时的不平衡，减少振动和冲击。最后，建立柴油机的振动监测系统，定期进行振动测试和分析。通过监测凸轮轴的振动情况，及时发现异常振动和振动频谱的变化，采取相应的措施进行调整和维护。3 结束语 柴油机凸轮轴断裂失效是一项严峻的挑战，但通过对其原因进行深入分析和采取相应的预防措施，我们可以有效降低凸轮轴断裂的风险，并提高柴油机的性能和可靠性。在选择可靠的供应商和合格的材料、改善设计、避免过载或过速运行、进行疲劳损伤评估、定期检测和维修、以及关注维护工作等方面，我们可以共同努力，保障柴油机凸轮轴的正常运行，确保发动机的高效工作和安全运行。通过持续的关注和有效的管理，我们将能够最大程度地延长凸轮轴的使用寿命，为柴油机行业的发展做出贡献。参考文献 中国科技期刊数据库 工业 A 109 1辛博,高志龙,江志农,等.某型柴油机凸轮轴断裂故 障 监 测 预 警 技 术 研 究 J.内 燃 机 工程,2023,44(2):100-108.2刘鹏,张祥臣,焦喜磊,等.某船用高速柴油机喷油泵凸轮轴断裂的原因分析和解决措施J.内燃机与配件,2019(14):64-67.3张怀青,关慧欢,魏聪,等.柴油机凸轮轴断裂失效分析J.金属加工（热加工）,2018(10):27-29.4赵润泽.柴油发动机凸轮轴疲劳断裂研究J.建筑工程技术与设计,2020(25):4229.5张河.CAT-C9 柴油机部件磨损原因分析及预防措施J.设备管理与维修,2019(19):67-68.6刘显宏.四缸柴油发动机链条断裂故障分析J.装备制造技术,2022(12):120-122.作者简介：作者简介：庞世松（1982），男，山东潍坊人，大学本科学历中级工程师，机械设计制造及其自动化。王秋磊（1989），男，山东昌邑人，大学本科学历，中级工程师，机械设计制造及其自动化。孙希波（1988），男，山东潍坊人，大学本科学历，中级工程师，机械工程及自动化。