喜歡這個(gè)資料需要的話就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有預(yù)覽可以查看的噢,,下載就有,,請(qǐng)放心下載,原稿可自行編輯修改=【QQ:11970985 可咨詢交流】====================喜歡就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有,,下載后全都有,,請(qǐng)放心下載,原稿可自行編輯修改=【QQ:197216396 可咨詢交流】====================
工程故障分析
期刊主頁(yè):www.elsevier.com/locate/engfailanal
直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的故障分析
V. 英凡特a,*,M.弗雷塔斯a,b,M.豐特a,c
A拉耶塔,,高級(jí)技術(shù)學(xué)院,里斯本大學(xué),羅維斯科·佩斯大道(1049-001),葡萄牙里斯本
b亞特蘭蒂斯 –大學(xué)管理,衛(wèi)生,技術(shù)與工程學(xué)院,法布里卡達(dá)波沃拉,2730-036葡萄牙巴卡雷納
c航海學(xué)校,2770-058帕喬德 阿克斯,葡萄牙
摘 要
提出了對(duì)屬于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸故障的詳細(xì)分析。這項(xiàng)工作的主要目的是分析故障的特征并確定曲軸故障的根本原因。為了確定曲軸失效的原因,進(jìn)行了材料分析,然后通過宏觀,微觀和微觀結(jié)構(gòu)檢查斷裂表面來(lái)詳細(xì)觀察失效機(jī)理。曲軸斷裂的初步觀察表明,這種失效是由疲勞過程引起的,在疲勞過程中,斷裂表面顯示出明顯的循環(huán)傳播機(jī)制跡象。大量海灘痕跡的存在表明裂紋顯著擴(kuò)展,其特征是由運(yùn)行條件引起的發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)啟動(dòng)和停止的影響。這些灘涂覆蓋了斷裂表面總面積的約三分之二,并且沿著整個(gè)傳播區(qū)域,裂紋前沿的均勻幾何圖案沿著整個(gè)傳播區(qū)域得出的結(jié)論是,疲勞過程是由加載狀態(tài)發(fā)生的,該加載狀態(tài)主要由循環(huán)彎曲應(yīng)力組成。曲軸網(wǎng)和曲軸主軸頸。在材料的表面或內(nèi)部均未觀察到原始缺陷,該缺陷可能是裂紋產(chǎn)生,擴(kuò)展和隨后的最終斷裂的根源。對(duì)應(yīng)用于主軸頸的軸承的分析表明,軸承凸耳斷裂嚴(yán)重,據(jù)認(rèn)為這是曲軸開裂的根源。
1. 引言
曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)部件和關(guān)鍵部件之一,該發(fā)動(dòng)機(jī)將線性活塞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)將力連桿轉(zhuǎn)換為扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的主要故障模式是疲勞,因?yàn)檫@種類型的部件會(huì)受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的共同作用[1,2]。 限制曲軸疲勞強(qiáng)度的因素有:使用中的負(fù)載,部件或材料的不正確設(shè)計(jì),制造缺陷或旋轉(zhuǎn)零件的潤(rùn)滑不良。曲軸故障會(huì)加劇其他發(fā)動(dòng)機(jī)零件的損壞,例如活塞,連桿等。[3]。 考慮到緩解措施,對(duì)此類損壞的故障分析可以避免類似的故障。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸故障研究的結(jié)果已經(jīng)在幾項(xiàng)研究中提出[1-13]。
工作 [6]提出了卡車柴油機(jī)曲軸的故障分析結(jié)果,其中曲軸的故障機(jī)理是疲勞和斷裂的多源。作者得出的結(jié)論是,期刊上缺乏強(qiáng)化案例的主要原因是失敗。[7]對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的故障進(jìn)行了有趣的研究,并提供了數(shù)值分析,其中在曲軸銷的圓角處觀察到了很大的應(yīng)力。曲軸的故障與高循環(huán)疲勞有關(guān)。汽車曲軸的分析在[8,9]。 B.卡里姆[8]發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和潤(rùn)滑性差是造成故障的主要因素,并提出了選擇合適的車輛曲軸的指南。在[9]概率的并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以獲得組件的耐用性。
圖1 直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)
李偉等人介紹了曲軸故障的結(jié)果。[10]中使用實(shí)驗(yàn)方法和理論計(jì)算得出的結(jié)論是,斷裂是由于高應(yīng)力集中所致。
文章對(duì)曲軸球墨鑄鐵的疲勞和斷裂行為進(jìn)行了評(píng)估[11]。 斷裂機(jī)理是微裂紋和二次裂紋(接近節(jié)狀石墨)。如圖所示,本研究中分析的零部件,曲軸和相應(yīng)的殼體軸承屬于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)如圖1。 曲軸在主軸頸3和曲柄腹板之間發(fā)生故障,斷裂的曲軸的兩個(gè)部分如圖所示圖2。 放置在發(fā)動(dòng)機(jī)主軸頸底座上的殼體軸承也顯示在圖3。 這些外殼軸承的編號(hào)與曲軸主軸頸(圖4),并根據(jù)直升機(jī)中曲軸箱的位置在右側(cè)或左側(cè)如圖5。圖6中顯示了曲軸箱的右側(cè),其中故障曲軸從主軸頸圓角開始沿橫向腹板部分?jǐn)嗔裯.3
2. 曲軸故障
2.1. 發(fā)動(dòng)機(jī)
直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(圖1)是水平對(duì)置的風(fēng)冷六缸(平箱型),容量為200 HP。曲軸箱的右側(cè)顯示為圖6,可以確定從主軸頸1到主軸頸3出現(xiàn)故障的曲軸部分,并在其中觀察到故障。
2.2. 曲軸
曲軸的斷裂面,見圖7目視觀察并通過光學(xué)顯微鏡觀察,以表征斷裂表面并確定導(dǎo)致部件失效的裂紋的萌生和擴(kuò)展。
圖8顯示了對(duì)應(yīng)于圖中A面的一個(gè)斷裂面圖7,顯示出平坦和平坦的區(qū)域,在這些區(qū)域中,由于疲勞裂紋而導(dǎo)致斷裂明顯。
對(duì)該斷裂面的更詳細(xì)觀察表明,裂紋面的擴(kuò)展與取決于加載周期的斷裂機(jī)理的發(fā)生相容。起始區(qū)域附近的斷裂表面上的灘涂是疲勞傳播特性[12]。
圖2 曲軸附近主軸整體斷裂的曲軸3
圖3 外殼軸承2、3和4,左右
圖4 曲軸組件概述
如圖所示,在裂紋擴(kuò)展區(qū)有一個(gè)潤(rùn)滑孔如圖8。
通過光學(xué)顯微鏡觀察斷口表面,可以確認(rèn)斷口區(qū)域呈現(xiàn)出相對(duì)規(guī)則的表面,斷口表面有兩個(gè)不同的區(qū)域:第一個(gè)靠近裂紋萌生區(qū),應(yīng)力集中表明裂紋萌生區(qū)緩慢擴(kuò)展沿著表面造成零件斷裂,第二個(gè)零件沿表面?zhèn)鞑?,直到最終斷裂為止。
在裂縫表面觀察到海灘痕跡,覆蓋裂縫區(qū)域的約2/3如圖9。然而,剩余區(qū)域呈現(xiàn)出獨(dú)特的形態(tài)圖案,其特征在于,由于較小的電阻區(qū)域而導(dǎo)致的過載導(dǎo)致更大的表面粗糙度,該較小的電阻區(qū)域突然發(fā)生并且在部件整體分離的最終時(shí)刻之前。這些標(biāo)志清晰可見,而且數(shù)量眾多如圖9,表明由于使用條件對(duì)零部件的連續(xù)啟動(dòng)和停止的影響,裂紋尖端處出現(xiàn)了明顯的疲勞裂紋擴(kuò)展。從觀察到的灘涂可以看到的另一個(gè)特征是它們均勻的前進(jìn)方式,沒有明顯的證據(jù)表明扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)改變裂紋前沿的方向。在光學(xué)顯微鏡下,曲軸斷裂表面上的一條徑向線也可見,如圖10。
圖5 曲軸相關(guān)零件
圖6 曲軸箱和曲軸斷裂
圖7 曲軸兩側(cè)的整體視圖a)A面;b)B面
疲勞斷裂面積
圖8 曲軸的斷裂面(A面)
圖9 海灘痕跡
對(duì)應(yīng)于兩個(gè)平面的交點(diǎn),其中裂紋的兩個(gè)起點(diǎn)獨(dú)立傳播,直到最終斷裂發(fā)生。在圖10還可以觀察到位于裂紋擴(kuò)展區(qū)的棘輪痕跡的存在。這些棘輪標(biāo)記始于最大的作用力區(qū)域,與局部驗(yàn)證的高應(yīng)力有關(guān)[13]。
圖11是的放大圖像圖10在兩個(gè)疲勞裂紋的起始區(qū),分別為裂紋1和裂紋2如圖11a和b。
圖12示出了在斷裂表面和軸頸表面之間的邊緣,其中沒有檢測(cè)到初始的冶金缺陷,但是在主軸頸表面上觀察到了圓周標(biāo)記。
圖13是一張帶有斷裂面的曲軸內(nèi)平面的照片,其中可見不同的疲勞傳播平面??梢钥闯?,裂紋2的傳播平面與裂紋1的傳播平面相交,在那里可以觀察到一些次級(jí)裂紋的存在。還觀察到沿著主表面的圓周痕跡的存在。
棘輪效應(yīng)
裂縫1
裂縫2
輻射線
圖10 徑向線和棘輪現(xiàn)象以及斷裂面的起始區(qū)域
圖11 放大倍數(shù)圖14. a)裂紋1;b)裂紋2
裂縫傳播路徑1
裂縫傳播路徑2
圖12 斷裂面和零部件表面之間的邊緣
圖13 曲柄表面的細(xì)節(jié)
并與裂紋萌生和擴(kuò)展的方向一致。這些圓周痕跡一定是由軸承殼的接觸引起的。如圖3所示,在軸承座的側(cè)面平行曲軸軸承的軸線的運(yùn)動(dòng)中,該側(cè)面在曲軸的一致區(qū)域中。
3. 故障分析
在觀察曲軸斷裂面和觀察到的主軸頸損傷之后n.3重要的是找到促進(jìn)疲勞裂紋引發(fā)曲軸斷裂的機(jī)制。在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的其余部件進(jìn)行詳細(xì)觀察期間,可以發(fā)現(xiàn)殼形軸承沒有呈現(xiàn)出制造商定義的幾何形狀,即右殼形軸承的定位凸耳的配置n.3和4所示如圖14。 因此,決定詳細(xì)分析這些組件。
圖14 a,b和c顯示了左右殼軸承n.4、3和2分別對(duì)應(yīng)于各個(gè)主要期刊??梢钥闯?,在右殼上帶有n.3和n.4看不到促進(jìn)軸瓦軸承和主軸頸之間連接的定位凸耳,右軸瓦軸承的定位凸耳n.2已損壞。左殼軸承的視覺觀察n.2、3和4在接線片的位置未顯示任何損壞。
還通過光學(xué)顯微鏡觀察了殼體軸承,以確定殼體軸承3和4(右側(cè))的定位凸耳是否最初存在。
圖15顯示右軸承座的位置凸耳n.2可以觀察其橫向磨損。顯然,如果曲軸要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,則該定位凸耳最終將被磨損,直到完全卸下。
對(duì)右側(cè)軸承座的定位凸耳附近區(qū)域的詳細(xì)觀察n.2允許檢測(cè)定位凸耳區(qū)域中的裂紋如圖16,這可能是由于此類定位凸耳的制造過程所致。
圖17顯示了右殼軸承的位置凸耳區(qū)域n.4顯示了沒有定位凸耳和橫向由于蓋相對(duì)于曲軸主軸頸軸承的軸線平行運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生裂紋。從觀察圖17可以預(yù)見的是,在初次組裝時(shí),外殼軸承為n.4中的定位凸耳具有定位凸耳,并且可以得出的結(jié)論是,定位凸耳磨損的原因是由于軸承的軸向摩擦運(yùn)動(dòng)引起的。
左殼軸承n.3
左殼軸承n.4
左殼軸承n.2
右殼軸承n.2
右殼軸承n.3
右殼軸承n.4
圖14 帶有a)的殼 左右4個(gè);b)n.左右3個(gè);c)2個(gè)左右
圖15 右殼軸承n.2 位置凸耳
圖16 右殼軸承n.2 位置接線片的區(qū)域
圖17 右殼軸承n.4 裂紋位于定位凸耳區(qū)域
圖18 右殼軸承n.3 定位耳和領(lǐng)帶的區(qū)域
右殼軸承n.3還顯示了由于定位凸耳的存在而產(chǎn)生的裂縫,盡管在某些情況下定位凸耳不可見。圖18還顯示了軸承的端部的塑性變形n.3所示的實(shí)施例中,由于在直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間平行于殼體軸承所經(jīng)受的軸線的運(yùn)動(dòng)而形成了頸帶。該證據(jù)表明,主軸頸上的圓周表面標(biāo)記如圖13是由于殼軸承的軸向運(yùn)動(dòng)而使殼軸承與該表面接觸而引發(fā)的n.3緊貼曲柄腹板和主軸頸的表面,不僅使殼軸承(頸帶)發(fā)生塑性變形,而且在支撐件中出現(xiàn)了磨損痕跡,從而促進(jìn)了兩個(gè)疲勞裂紋的產(chǎn)生。在圖19可以更詳細(xì)地觀察到軸承座的頸帶。顯然,觀察到的殼體軸承的塑性變形和磨損導(dǎo)致曲軸腹板和主軸頸的損壞,從而導(dǎo)致曲軸的裂紋萌生和最終失效。在左殼軸承上檢測(cè)到任何類型的磨損現(xiàn)象。
輸出角度
輸入角度
圖19 右殼軸承n.3 頸帶區(qū)
4. 結(jié)論
- 斷裂表面的視覺觀察和光學(xué)顯微鏡觀察顯示出循環(huán)傳播機(jī)理的跡象以及曲柄銷的腹板圓角處出現(xiàn)疲勞過程n.3;
- 大量海灘痕跡的存在表明了材料的塑性變形,這是由于工作條件對(duì)部件的連續(xù)啟動(dòng)和停止的影響。這些海灘痕跡覆蓋了斷裂表面總面積的三分之二,并且沿著整個(gè)傳播區(qū)域的裂紋前部具有均勻的幾何圖案,可以得出這樣的結(jié)論:疲勞過程是由基本由循環(huán)彎曲組成的加載狀態(tài)引起的主軸頸和曲柄網(wǎng)之間的應(yīng)力;
- 在曲軸主軸頸的表面上或在內(nèi)部的材料中均未觀察到缺陷,這些缺陷可能是部件破裂的根源。
- 可以看到兩個(gè)獨(dú)立擴(kuò)展的裂紋的產(chǎn)生。
- 右殼體軸承的接觸引起的圓周痕跡n.3中的曲柄表面顯示了由右殼軸承n.3引起的損壞在曲軸表面區(qū)域,這促進(jìn)了曲軸腹表面上兩個(gè)疲勞裂紋的產(chǎn)生;外殼軸承與曲柄腹板在斷裂區(qū)域的接觸是由于右側(cè)外殼軸承的定位凸耳的磨損和斷裂所致。
致謝
這項(xiàng)工作得到了運(yùn)輸和航空學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(LAETA)之下的機(jī)械工程學(xué)院(IDMEC)的“Funda??opara aCiênciaea Tecnologia”(FCT)的支持,項(xiàng)目UID / EMS / 50022 / 2019。
參考文獻(xiàn)
【1】M.方特,李斌,L.里斯,M.弗雷特斯,機(jī)動(dòng)車曲軸故障分析,35(2013)147-152
【2】M.方特,V.阿納斯,P.杜蘭特,L.雷斯,M.弗雷特斯,柴油發(fā)電機(jī)曲軸故障分析,56(2015)109-115
【3】L.維特克,《柴油機(jī)排氣門的故障和熱機(jī)械應(yīng)力分析》66(2016)154-165
【4】M.方特,V.英凡特,L.雷斯,M.弗雷特斯,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的失效模式分析,82(2017年12月)681–686
【5】M.方特,P.杜蘭特,L.雷斯,M.弗雷特斯,V.英凡特,單缸柴油機(jī)兩個(gè)曲軸的失效模式分析,56(2015年12月)185-193
【6】徐曉磊,于志偉,卡車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的故障分析,92(2018年10月)84-94
【7】露西簡(jiǎn) 維特克,邁克爾 西柯拉,托馬茲 崔澤皮斯尼斯克,柴油機(jī)曲軸的應(yīng)力和故障分析,82(2017年12月)703-712
【8】B.卡爾莫,維修改裝模型方法下汽車曲軸的機(jī)械故障分析,80(2017年10月)87-101
【9】SSK 辛格,S.阿布都阿,N.尼卡不都阿,了解汽車曲軸隨機(jī)疲勞失效的需求:綜述,80(2017年10月),464-471
【10】李偉,閆慶,薛建華,曲軸疲勞失效分析,55(2015年9月)139-147
【11】默罕默德 賈瑪阿克汗尼 卡汗蒙,默罕默德 阿扎迪,EN-GJS700-2球墨鑄鐵高周彎曲疲勞和斷裂行為的評(píng)估85(2018年3月)189–200
【12】何塞·m·席爾瓦,米格爾·a,斯力瓦恩斯特,V. 英凡特,顯微鏡技術(shù)在飛機(jī)故障曲軸的法醫(yī)分析中的應(yīng)用,21(S6)(2015年8月)102-103
【13】V. 英凡特,JM 斯里瓦,M. 斯力瓦恩斯特,R.巴提斯塔,航空發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的故障:為基于斷裂的事故調(diào)查做出的貢獻(xiàn)35(2013年12月15日)286-293