稀土球墨铸铁曲轴断裂的分析.pdf

问题研究
第30卷2012年第6期(总第162期
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稀土球墨铸铁曲轴断裂的分析
张琴
(鞍钢附企给排水净水剂厂较山114011)
摘.要]运用缄弹性断裂力学理论研究柴油机稀土球墨铸铁曲轴断裂强度和寿命问题。曲轴断裂的主要
原因在于曲柄臂与连杄轴甄过渡圆角处存在缺陷,这个位置的缺陷在疲劳扩展达到临界状态时便导致曲轴失稳
断裂。根据断裂力学理论和实验分析,提出了降低断裂率的一些途径。
关键词]种土球墨铁曲轴断裂扩長速临界張尺寸亵面放
Analysis on Fracture of Rare Earth Nodular Cast Iron Crank Shaft
ZHANG Qin
(Ansteel Fugi Water Supply and Drainage Purifier Factory, Anshan 114011
Abstract The fracture strength and service life of the rare earth nodular cast iron crank shaft for
diesel engine is researched based on the linear elastic fracture mechanics theory. The main reason of its
fracture is that a defect exists at the transition fillet position of the crank arm and the connecting rod
journal, where it will lead to a crank shaft buckling fracture after the fatigue reaches the critical
condition. According to the fracture mechanics theory and tests, put forward some ways to reduce the
fracture rate
[Key words] Rare earth nodular cast iron, crank shaft fracture, crack growth rate, critical crack
sze, Surface crac
概述
表1高磷重铁化学性能%
曲轴是内燃机的关键部件,目前许多工厂采
C
Si. Mn P
S
Mg Rxoy
用球墨铸铁生产柴油机曲轴。球墨铸铁具有强度
3.423.220.700.0980.02640.0530.042
高、耐磨、抗震性好、成本低等优点,用以代替合金
结构钢有着重大意义。然而,球墨铸铁相对合金
表2常规机械性能
结构钢而言,韧度差,易于发生脆断,以球墨铸铁
材料,8/%ψ/%a
曲轴为例,有些工厂生产的曲轴断裂率达到1%以
/Mpa /MP
上,远远超出断裂率0.1%的指标。
稀土
15(不带缺
曲轴断裂的重要原因在于曲柄臂与连杄轴颈
球565
7503~4
过渡圆角处存在缺陷。这个位置的缺陷(裂纹或
4OCr≥800≥1000≥10≥45≥6(带缺口)
夹杂等)在疲劳扩展达到临界状态时便导致曲轴
失稳断裂。现以290柴油机的稀土球墨铸铁曲轴
为例分析曲轴断裂问题。
我国现在生产的290型柴油机曲轴,不少工厂
是用含磷高的地方铸铁,经球化处理而直接制造
的,它的化学性能见表1,常规机械性能见表2。与
过去常用于锻造曲轴的40Cr合金结构钢相比,稀
土球墨铸铁的韧度显然要低得多,曲轴的断裂部
位绝大多数都在靠动力输出端的曲柄臂与连杅轴
断裂面
颂过度圆角处(见图1),属于弯曲疲劳断裂,呈现
脆性断裂特征。
图1断裂部位
第30卷2012年第6期(总第162期)
问题研究
てSフ2辺ら7ら6フこフらフるフSこS5フっフてフなフらな2フらフSsてs2SsてゃマSにsて5こいらフSャてらラらフPこマーて5フゃマいマいてこSいフフ
2工作应力的实验測定
o=(o。+o)2+V(o、-0,)2-47/2
2.1光测弹性应力分析川
试验采用三维光弾模型,模型材料用环氧树の2=(o。+o)2-v(o。-o,)2+4ァ
脂制造,模型尺寸为原结构的1/2。采用集中加载,
应力分布见图2,计算结果见表3。结果表明
使曲轴得到三角形弯距
最大拉应力位于曲柄臂与连杆轴颈的内过渡圆角
模型材料条纹值(按照径向受压圆盘试样测量边上,Om=213MPa。光弹实测结果充分说明,曲轴
出值),实物应力与模型应力之间的关系为式(2)。
断裂源是过渡圆角处的缺陷或裂纹,在交变的主
o'=8p/(Tnd)=0.407MPa
(1)应力作用下,发生疲劳扩展,最后裂纹深度达到某
种临界状态而导致脆断。
式中:一试样压力
实物应力;
。模型应力
n测点的等差线条纹级次,m=4.5r
mnms
D受压圆盘径向压力,P=3.02kg;
d一圆盘直径,dと42mm;
几何相似系数,a=2
B一载荷系数,3=1410。
根据测得的应力条纹图,计算沿曲轴实际破
坏断面(即与轴线成45°面)的各点的应力ー一式
图2应力分布
(3)为剪应力,式(4)为正应力,式(5)为主应力。
T=(01-02)sin2a/2
2.2电测残余应力(电阻应变仪)
290型柴油机曲轴是整体铸造后经过正火-回
(の1-の)-、}(の。火处理以及机械加工而成。因而,不可避免存在
AT Ny
残余应力。在对裂纹进行断裂力学分析时,必需
y1=xi±
涉及残余应力的影响。现在实际曲轴上采用应力
表3应力计算结果
ア1-O
点号
(条纹数)
(度
G /Mpa
T/Mpa
o/Mpa
/Mpa
6.5
3.8
199.4
53.5
213.2
55
13.8
137.5
41.4
9.
2.5
21.6
78.6
I7.2
78
17.8
35.9
15,7
45.0
8.8
0
0.65
1.8
15.4
3.0
3.0
3.0
0.5
2.8
19.1
0
32.8
0
32.8
松弛法进行测定
表4实测应力
Mpa
首先在曲轴的I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ等四个过渡圆角部
部位
位贴上2x3m的电阻应变片,然后用机械加工方
法释放贴应变片处的应力,用静态应变仪测量应
4.9
变,然后计算岀残余应力。实测结果(见表4)表明
H
V
41.7