船用柴油機凸輪軸的斷裂失效分析

熊 軍

(裝備學院，北京 101416)

技術交流

船用柴油機凸輪軸的斷裂失效分析

熊 軍

(裝備學院，北京 101416)

船用主柴油機凸輪軸斷裂失效時有發生且原因復雜，全面、客觀地評估凸輪軸斷裂失效的原因是解決該問題的重要途徑。文章結合柴油機凸輪軸斷裂故障實例，依據凸輪軸結構特性、失效模式，歸納總結出凸輪軸斷裂失效分析的一般程序，并成功應用于查找某船用主柴油機的凸輪軸斷裂失效的主要原因。結果表明，斷裂失效分析過程具有較高的工作效率和質量，分析結果客觀準確可信。

船用柴油機; 凸輪軸；斷裂；失效分析

凸輪軸是大型船舶主柴油機的關鍵零部件之一，其控制著氣門的開啟和閉合。凸輪軸工作條件惡劣、運動速度高，受力情況復雜，其不僅承受有氣門和相關附件的阻力矩、氣門彈簧的反作用力，而且還承受交變的脈沖動載荷[1]。這些都要求凸輪軸具備較好的韌性、較高的強度，且需同時滿足較好加工工藝。否則，在如此復雜的工作環境下，凸輪軸不可避免將產生斷裂失效。凸輪軸一旦出現斷裂失效，輕者造成船舶拋錨，重者造成整個船用柴油機損壞、整機報廢，更有甚者會導致船舶失控，危機人身安全，造成無法彌補的損失。

近年來船用凸輪軸斷裂事故時有報道，因而，盡快找出引起凸輪軸斷裂失效的原因并采取相應的措施迫在眉睫，但導致凸輪軸斷裂的原因很多，比如：鍵槽口缺陷造成應力集中導致疲勞斷裂[2]；原材料存在組織缺陷和調質處理不完善及淬火加熱溫度偏高導致斷裂[3]；錐面貼合率不滿足要求造成凸輪軸與齒輪間存在微動磨損導致早期斷裂失效[4]；凸輪軸頸與凸輪過渡圓角加工工藝缺陷，在交變應力作用下導致凸輪軸斷裂失效[5]。凸輪軸斷裂失效往往是多種原因造成的，這也增加了斷裂失效分析的難度。可見，為有效識別出凸輪軸斷裂失效的原因，有必要掌握并運用正確的分析思路、程序，以減少分析工作的盲目性、片面性和主觀隨意性，從而提高工作效率和質量。

1 凸輪軸斷裂失效分析程序

機械失效過程往往有大量的機件同時遭到破壞，情況相當復雜，而失效原因也錯綜復雜。因此，具有一個正確、合理的失效分析程序非常必要。但不同對象的失效形式多種多樣，很難規定一個統一的失效分析程序。本文在深入研究凸輪軸的主要失效模式基礎上，提出以下一般程序，旨在得出引起凸輪軸斷裂失效的核心原因。

1.1調查取證階段

失效分析工作的第一步就是搜集和編制有關失效件盡可能完整的歷史資料[6]。盡可能早的獲得歷史資料，對成功做出失效的正確結論起很大的作用。主要包括以下內容。

1)向柴油機操作者調查機器的使用情況和破壞過程，觀測破壞現場，搜集有關破壞的零件碎片，保護凸輪軸斷口。

2)收集與失效有關的背景資料：有關說明書、圖紙、零件加工工藝、設計過程、設計強度以及操作記錄等，以備分析時參考。

1.2實驗室分析研究階段

宏觀斷口分析：宏觀分析是指用肉眼直接觀察或用放大50倍以下的放大鏡觀察。由于眼睛有較大的景深，能迅速進行大面積檢查，對顏色和斷裂紋理的改變有十分敏銳的分辨本領。斷口上不同區域具有不同特征，反映了斷裂過程中凸輪軸應力狀態和材料形狀變化，可以獲取許多有關裂紋起始、擴展和斷裂的信息，有助于進一步推斷斷裂機制。

微觀分析：借助光學顯微鏡可助于進一步確定斷裂源和裂紋走向，并對表面的加工刀痕、工藝過程中造成的表面裂紋和冶金過程中留下的缺陷進行微觀形貌分析。

理化試驗分析：經化學成分分析，確定斷裂凸輪軸的實際化學成分是否滿足設計要求，必要時測試材料雜質、偏析和可能引起問題的微量元素的含量和大致分布；金相檢驗可分析金屬材料的金屬組織、晶粒度和非金屬夾雜物等，進而確定引起凸輪軸斷裂失效的內部原因。

機械性能分析：測試凸輪軸的常規機械性能是否符合設計、工作要求，包括沖擊性能測試，拉伸試驗測試等；而硬度檢測能敏感地反映出材料的熱處理工藝、組織結構等特點，檢驗加工硬化或由于過熱脫碳、滲碳、滲氮所引起的軟化或強化。

應力及疲勞安全系數的仿真分析：通過有限元分析軟件ANSYS對凸輪軸結構設計上的缺陷和應力集中問題進行分析，確定應力集中部位、應力時間歷程以及實現強度的評價。然后，結合疲勞分析軟件對凸輪軸在交變載荷下的疲勞斷裂情況、疲勞壽命以及疲勞安全系數進行直觀的分析。

1.3綜合分析

考慮上述調查研究及實驗檢查結果，綜合分析造成凸輪軸斷裂失效的原因。凸輪軸斷裂失效通常由多個原因共同作用的，但在實際中可不必要糾纏于失效原因的主次之分，關鍵應當抓住其真正對機械失效起作用的各種相關原因。為進一步分析各種原因之間的聯系，可借助故障樹法或魚骨圖法等進行綜合分析。

2 某型柴油機凸輪軸斷裂事故分析

某船航行期間，柴油機突然緊急停機，經檢查發現某凸輪軸齒輪端斷裂，凸輪軸斷裂時宏觀形貌如圖1所示。現依據上述提出的失效分析程序對該凸輪軸的斷裂失效原因進行系統的分析。首先，參照現場調查、搜集失效資料階段的要素，獲取與凸輪軸失效相關的歷史證據，該柴油機經過了3次相應等級保養，使用時間近1萬h,這些資料為進一步失效分析提供了有力的基礎支撐。實驗室分析研究是失效分析最核心的內容，下文將著重對該部分內容進行詳細研究。

圖1 斷裂凸輪軸宏觀形貌

2.1宏觀斷口分析

由斷裂凸輪軸的宏觀形貌可知，試樣在運輸過程中遇水，斷面被腐蝕生銹。將斷面清洗后截取的斷口試樣，斷面擴展區域比較平整，可見明顯的貝殼線，裂紋起源于外表面，存在較多的臺階，為多源疲勞斷裂特征。將斷口試樣置于體視顯微鏡下觀察，裂紋源區的R角形貌見圖2，R角處加工粗糙，存在明顯的加工刀痕。剖截取斷口下方的凸輪軸橫向低倍試樣，經磨床磨光后，進行熱酸蝕試驗，試樣的低倍組織形貌見圖3，據標準評定，一般疏松1級，未見其他明顯低倍組織缺陷。

圖2 斷口源區加工R角的宏觀形貌圖

圖3 凸輪軸的低倍組織形貌

2.2微觀斷口分析

截取斷口試樣，清洗后置于掃描電鏡下觀察，圖4為裂紋源區的形貌，裂紋源區的R角加工較粗糙，可見明顯的加工刀痕，加工區域的寬度約2.33 mm。圖5為裂紋擴展區的形貌，裂紋擴展區可見疲勞輝紋。

圖4 斷面裂紋源區R角的SEM形貌

圖5 斷面裂紋擴展區的SEM形貌

2.3理化試驗分析

利用CS901B紅外碳硫儀進行鋼、鐵、總碳及總硫量的測定，測定主要應用感應爐中燃燒后的紅外吸收法，經測定各項成分均能達到凸輪軸的技術指標要求。

金相分析中：截取裂紋源區的剖面試樣，經鑲嵌、磨拋、化學侵蝕后，置于顯微鏡下觀察，圖6為加工R角的拋光態形貌，該區域加工粗糙。圖7為斷面的拋光態形貌，比較平整。化學侵蝕后R角的顯微組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，顯微組織形貌(見圖8)為斷面的顯微組織形貌，顯微組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，在裂紋起源的表面可見鐵素體帶。

圖6 裂紋源區拋光態形貌

圖7 斷口剖面拋光態形貌

圖8 斷口剖面侵蝕態形貌

根據實際檢驗A法對凸輪軸基體的非金屬夾雜物進行評級，結果為：A1.0，A1.0e，B0.5，C0，D0.5，化學侵蝕后基體的顯微組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布見圖9。

圖9 基體顯微組織形貌

2.4機械性能分析

在斷裂凸輪軸上取拉伸試樣、沖擊和硬度試樣進行力學性能檢驗，檢驗結果見表1。可見，凸輪軸力學性能中除布氏硬度測試值低于設計技術要求值，其余力學性能均達到設計要求。

表1 力學性能檢驗結果

2.5檢驗結果結論

裂紋起源于凸輪軸的表面加工R角，該區域加工粗糙，存在明顯的加工刀痕。斷面裂紋源區存在較多的臺階，裂紋擴展區可見明顯的貝殼紋，斷面擴展區無明顯的塑性變形，斷面的裂紋源區和擴展區具有疲勞特征，而凸輪軸的低倍組織未見明顯缺陷。

化學成分分析結果表明：凸輪軸的化學成分符合既定標準對凸輪軸材料的技術要求。金相檢驗結果：裂紋起源于表面R角，裂紋源區和擴展區的顯微組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，裂紋源區表面為鐵素體帶。凸輪軸基體的非金屬夾雜物級別為A1.0，A1.0e，B0.5，C0，D0.5。凸輪軸力學性能中布氏硬度測試值低于設計技術要求值。

2.6凸輪軸斷裂失效的原因

凸輪軸的材料的顯微組織為呈帶狀分布的鐵素體+珠光體，硬度低于凸輪軸設計的技術要求，導致凸輪軸的疲勞強度偏低，而裂紋起源區域剛好是鐵素體條帶區域，相當于表面存在全脫碳層，表面的抗疲勞能力下降。凸輪軸的R角處的加工粗糙，存在明顯的加工刀痕，導致該處的應力集中程度增大，加之該處未經任何強化處理，疲勞強度較低，在運行過程中極易萌生裂紋。由于材料的疲勞強度降低，加之R角加工粗糙，存在嚴重應力集中，易萌生裂紋，一旦裂紋萌生后，在交變應力的作用下，裂紋將以疲勞的方式擴展。當裂紋擴展到其剩余截面無法承受其工作應力后，發生斷裂。

3 結束語

為克服凸輪軸斷裂失效工作的盲目性、片面性和主觀隨意性，本文提出合理的斷裂失效分析思路與一般程序，并對某主柴油機凸輪軸斷裂事故進行失效分析，查找出斷裂失效的主要原因為：由于材料硬度未達標且表面存在脫碳層，導致疲勞強度降低，R角加工缺陷造成應力集中，在交變應力的作用下發生疲勞裂紋萌生、擴展，最終導致斷裂。可見，該分析過程客觀準確可信，該方法可用于柴油機凸輪軸失效分析，同時也可為改進措施提供有效的指導。

[1] 王遠，張家璽，朱會田，等. 凸輪軸動力學及多軸疲勞分析研究[J]. 內燃機工程，2010，31(1)：104-107.

[2] 胡啟祥. 船舶主柴油機凸輪軸斷裂的分析與處理[J]. 天津航海,2004(4)：14-15.

[3] 翁韶蓉. 船用6L反轉凸輪軸斷裂分析[J]. 理化檢驗-物理分冊，2002，38(9)：404-405.

[4] 焦小龍. 某柴油機高壓油泵凸輪軸斷裂失效分析[J]. 物流工程與管理，2011，33(8)：140-142.

[5] 馬天源，李發宗，鄧艷寧，等. 柴油發動機凸輪軸疲勞斷裂研究[J]. 機械設計與制造，2013(1)：140-142.

[6] 張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M]. 北京：國防工業出版社，2004.

The camshaft fracture failure of marine diesel engine occurred and the reason is complex.Comprehensive and objective evaluation of the failure is an important way to solve the problem.According to the structure characteristics of the camshaft and failure mode,the general procedure of camshaft failure analysis is summarized,which is successfully applied in searching the main reason for the failure in some marine diesel engine in this paper.The result shows that the process of fracture failure analysis is high efficient and quality with the conclusion exact and believable.

marine diesel engine;camshaft;fracture;failure analysis

熊軍(1977-)，男，湖北大悟人，在讀碩士研究生，主要從事裝備管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.01.006

2013-12-12