某發(fā)動(dòng)機(jī)連桿斷裂原因分析的研究

何元章 夏國(guó)祥 王文建 黃平 樊紅磊

摘要：在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中，連桿斷裂故障是發(fā)動(dòng)機(jī)的致命故障。本文以某款發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿斷裂故障，從各個(gè)相關(guān)零件進(jìn)行了全面的分析和判斷，利用一一排除的方法分析原因，找出解決措施，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

關(guān)鍵詞：連桿;連桿螺栓;斷裂;連桿瓦;故障

中圖分類(lèi)號(hào)：TK4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2012）02-0059-05

Fracture Analysis of Engine Connecting Rod

HE Yuan-zhang，XIA Guo-xiang，WANG Wen-jiang，HUANG Ping，F(xiàn)AN Hong-lei

（Engine Design Department，Technical Center of DFMC，Wuhan，430058，China）

Abstract: Fracture of connecting rod is fatal failure in the engine R&D process. In this paper，we will give an example that carry out all related parts of the phenomenon and find out the fracture reason with one by on method of exclusion.

Key words: conrod；conrod bolts；fracture；conrod bearing shells；failure

在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中，連桿斷裂是發(fā)動(dòng)機(jī)致命故障。目前，連桿斷裂故障的分析方法均為光學(xué)金相和電子探針?lè)治鰞x等分析手段，針對(duì)故障連桿和連桿螺栓進(jìn)行分析。然而，影響連桿斷裂的原因是多樣化且不可預(yù)判的，如果僅僅采用光學(xué)金相和電子探針?lè)治鰞x的方法分析，只能判斷故障件是否存在問(wèn)題，并不能找出連桿斷裂的真正原因。因此，在分析故障原因時(shí)，建立一種有效的、全面的分析方法非常重要。

本文介紹一種FTA故障樹(shù)的分析方法，能全面和有效的找出失效原因。本文以某款發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿斷裂故障為例，從各個(gè)相關(guān)零件進(jìn)行了全面的分析和判斷，利用一一排除的方法找出原因，提出解決措施，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

1 背景

某發(fā)動(dòng)機(jī)在100小時(shí)全速全負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)轉(zhuǎn)到63小時(shí)，第三缸發(fā)生了連桿斷裂故障。連桿體、連桿螺栓斷裂，連桿大頭擊穿缸體飛出缸外;故障缸連桿瓦發(fā)生燒瓦，碎片散落在油底殼內(nèi)，其他缸連桿瓦有不同程度的剝落現(xiàn)象；揭開(kāi)缸蓋，第三缸氣缸內(nèi)有積水，活塞卡死在缸套內(nèi)，見(jiàn)圖1、圖2。

2 故障原因分析

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配及生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，且其他缸的軸瓦潤(rùn)滑情況良好，所以認(rèn)為此次故障主要由零件本身的原因或其他不明原因所引起。

由此我們對(duì)所有相關(guān)的零件或因素進(jìn)行逐個(gè)分析，利用排除法找出故障原因，建立了FTA故障樹(shù)分析（見(jiàn)圖3），以便有序進(jìn)行故障分析。

需要分析的內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

1）檢測(cè)缸蓋、缸體接合面平面度，缸墊的密封性；

2）連桿的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求;

3）連桿螺栓的設(shè)計(jì)、性能，擰緊力矩的合理性分析；

4）連桿瓦的設(shè)計(jì)合理性分析；

2.1 檢測(cè)缸蓋缸體接合面平面度，缸墊的密封性

考慮到氣缸內(nèi)進(jìn)水的現(xiàn)象，進(jìn)水后引起壓縮比的變化，從而導(dǎo)致連桿等組件的斷裂損壞。從缸墊的供應(yīng)廠(chǎng)家提供的密封性報(bào)告看（見(jiàn)圖4、圖5），缸墊的密封性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

由裝機(jī)前測(cè)量的缸體缸蓋的平面度數(shù)據(jù)可知，缸蓋和缸體的平面度是在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的，測(cè)量結(jié)果如表1。由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)水非缸蓋和缸體的平面度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求而引起的。

2.2 連桿的強(qiáng)度校核

2.2.1 連桿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核

根據(jù)連桿總成仿真分析的結(jié)果可知，連桿受到的最大應(yīng)力在連桿小頭孔處，應(yīng)力為459.2 MPa（見(jiàn)圖6），而相應(yīng)的安全系數(shù)為1.83，大于許用的安全系數(shù)1.5，故該發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

2.2.2 故障連桿的斷裂形式分析

根據(jù)工藝研究部門(mén)提供的故障件分析報(bào)告，連桿大頭孔附近有燒傷的藍(lán)色氧化色，桿身有明顯的彎曲變形，斷口被完全破壞；并且連桿的金相組織和硬度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，故判定連桿為韌性斷裂，屬于受害件（見(jiàn)圖7），這從另一方面證明連桿的強(qiáng)度滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

2.3 連桿螺栓的設(shè)計(jì)、性能、擰緊力矩的合理性分析

2.3.1 連桿螺栓設(shè)計(jì)強(qiáng)度的校核

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真部門(mén)的螺栓分析報(bào)告（見(jiàn)圖8）可知，螺栓在工作工況下的最大應(yīng)力為339.4 MPa，而螺栓的抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa，安全系數(shù)為3.5，能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度要求。

2.3.2 連桿螺栓零件的性能分析

為了驗(yàn)證連桿螺栓樣件的性能可靠性，螺栓供應(yīng)商對(duì)同批的螺栓進(jìn)行了性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2。由結(jié)果可知，螺栓的重要尺寸和性能要求滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

2.3.3 連桿螺栓擰緊力矩的合理性分析

為了驗(yàn)證螺栓擰緊力的合理性，對(duì)同批螺栓和連桿進(jìn)行了擰緊力的測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如表3，由測(cè)量結(jié)果可知，螺栓的擰緊要求同樣滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的21 kN。

2.3.4 故障連桿螺栓斷裂形式分析

根據(jù)故障零件分析的結(jié)果可知，故障螺栓的端口形貌有明顯的韌窩存在，且螺栓的金相組織和硬度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)圖9和圖10），故認(rèn)定連桿螺栓的斷裂亦為受迫性斷裂，螺栓的斷裂是由其他原因引起的。

綜上所述，螺栓的力矩轉(zhuǎn)角及螺紋規(guī)格設(shè)計(jì)均合理，滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

2.4 連桿瓦的設(shè)計(jì)的合理性分析

2.4.1 故障連桿瓦破壞形式分析

為了很好的驗(yàn)證連桿瓦的設(shè)計(jì)合理性，對(duì)連桿瓦的各個(gè)參數(shù)尺寸進(jìn)行了benchmarking分析和檢測(cè)。根據(jù)《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》（楊連聲）和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（QC/T 280-1999、GB/T 1151-93和GB/T 18326-2001）重新計(jì)算、審核可知，連桿瓦的各個(gè)尺寸設(shè)計(jì)均合理。但是，根據(jù)對(duì)故障連桿瓦的分析可知，連桿瓦的合金層剝落嚴(yán)重，且在鋼背和合金層結(jié)合線(xiàn)處發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象（見(jiàn)圖11和圖12）。各種現(xiàn)象表明，連桿瓦為疲勞剝落，需要對(duì)連桿瓦的載荷和材料進(jìn)行校核。

2.4.2 對(duì)連桿瓦的工作載荷的核算

根據(jù)上述分析的結(jié)果可知，連桿瓦合金層剝落屬于疲勞剝落，故對(duì)連桿瓦的合金層材料進(jìn)行校對(duì)和重新計(jì)算。根據(jù)《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》（楊連聲）連桿瓦載荷計(jì)算公式：

；P0為大氣壓力，N/m2；D為活塞直徑，m；

由上述公式及CAE分析可知，連桿瓦在工作過(guò)程中的最大載荷為33 MPa，而選擇的軸瓦合金層材料AlSn20Cu的承載能力為35~45 MPa，即軸瓦的承載能力略大于軸瓦的最大工作載荷，設(shè)計(jì)是合理的。

經(jīng)過(guò)查詢(xún)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18326-2001和相關(guān)資料可知，合金材料AlSn20Cu的硬度為30~40 HB，有良好的耐腐蝕性能，有較好的軸承表面性，但僅適合于與軟軸配合使用，要求軸的硬度為25 HRC左右。然而，該款發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸為鋼性曲軸，硬度達(dá)到了55 HRC，因此確定，該合金材料不適用于該款發(fā)動(dòng)機(jī)，需要重新選擇軸瓦的合金材料。經(jīng)過(guò)查詢(xún)和與供應(yīng)商的交流可知，某公司的合金材料能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該材料承載能力為35~45 MPa，硬度為40~60 HB，要求曲軸的硬度在50 HRC以上，滿(mǎn)足該款發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。100小時(shí)全速全負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表明，更改合金層材料后的軸瓦未發(fā)現(xiàn)有剝落現(xiàn)象（見(jiàn)

圖13和圖14），且未出現(xiàn)連桿斷裂或類(lèi)似故障。

3 結(jié)論

本文通過(guò)一款發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿斷裂故障的原因分析，介紹了FTA故障分析樹(shù)的分析方法，分析結(jié)果表明，F(xiàn)TA故障樹(shù)的分析方法在分析連桿斷裂試驗(yàn)問(wèn)題時(shí)，使分析繁雜卻有序的進(jìn)行，取得不錯(cuò)的效果。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中遇到的類(lèi)似試驗(yàn)問(wèn)題，本文介紹的FTA分析方法均有被借鑒的實(shí)際意義。

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