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高压空压机曲轴断裂的原因分析

      曲轴是高压中受力最复杂的部位,它的稳定性直接关系到整个空气动力系统的稳定。我们这里主要涉及到的是曲轴设计与制造时应考虑的事项。

根据对曲轴的有限元分析,曲轴在正常服役过程中主要受交变扭转—弯曲复合应力,连杆颈与主轴颈过渡圆角处为应力最大区域,是最易发生疲劳断裂的部位。根据 对曲轴的强度校核,如果材料力学性能、表面粗糙度和安装质量符合设计要求,该曲轴仍具有足够长的疲劳寿命,不会发生意外疲劳断裂。

疲劳断裂对裂纹、缺口、组织缺陷等十分敏感,因为缺口、尖角和裂纹因应力集中而大大降低了裂纹萌生所需的应力值,疲劳破坏首先选择在这些局部缺陷处开始,而且疲劳裂纹一旦萌生,一般情况下进一步扩展已不可避免。

因此,不同的表面粗糙度对构件的疲劳强度有明显的影响。表面越粗糙,其疲劳强度越低,这可能是造成该曲轴在未达到设计寿命之前在曲柄销圆角处发生断裂失效 的主要原因。对失效曲轴的理化分析结果也印证了这一点:从断口的宏观形貌和微观特征可以判断曲轴的断裂为典型的高周疲劳断裂,并且在启裂处及附近区域均可 见明显的机加工留下的环向刻痕,局部表面粗糙度只达到12.5 μm,远低于1.6 μm的设计要求。当材料表面粗糙度从1.6 μm上升到12.5 μm时,原曲柄销圆角的许用疲劳极限将下降50 %,安全系数也降至1.126,低于许用安全系数,说明曲柄销圆角在使用过程中随时可能会发生疲劳破坏。

因此我们给出以下建议:曲轴的原始设计满足强度要求,曲柄销及主轴颈的过渡圆角处是应力最大区域,也是最易发生疲劳断裂的部位,因此当曲轴材料的疲劳极限较低或存在其它不利于曲轴强度的因素时,该处可能发生断裂。通过与实际断裂行为对比,计算分析结果与实际情况一致。

因过渡圆角表面粗糙度不影响曲轴的装配生产,故在生产中往往不易引起足够的重视。分析计算表明,圆角表面粗糙度是影响曲轴疲劳性能的直接因素,甚至可以抵消某些改善疲劳性能的措施,应当引起足够的重视,并进行严格控制。为避免同类曲轴断裂事故发生,建议采取如下措施:

(1)提高机加工精度,避免转角部位出现机加工损伤,保证表面光洁度符合设计要求;
(2)严格控制设备零配件的购置渠道和加工修理过程,主要零部件必须由生产厂家提供有效的检测报告或合格证明,确保关键部件在选择材质、加工工艺等过程中得到有效控制。

 
日期:2015-1-8 阅读:1724次

 

 
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