2000型12V190柴油机曲轴断裂原因

冉 建，何建春，刘 洋

（川西钻探公司机电工程公司，四川遂宁 629000）

0 引言

曲轴是通过连杆将活塞往复运动转变为自身旋转运动来完成能量转换和输出的部件，工况变换频繁、受力复杂。2000型12V190柴油机在公司各型机械钻机中应用广泛，该型柴油机的曲轴长2.46 m，全支承式，共有7个主轴颈，6个连杆轴颈，轴颈直径分别为160 mm和130 mm，与曲柄臂之间的过渡圆角分别为R6 mm和R5 mm。近2 a来，公司先后有多台该型柴油机发生过曲轴断裂。

1 曲轴断裂情况

经统计发现，公司曲轴断裂位置几乎都在第5道连杆轴颈与其两侧的第9道或第10道曲柄臂处沿着R5 mm的过渡圆角断裂至外侧油孔处。仔细观察断裂的曲轴，发现断口有明显的光亮区域与颗粒状的粗糙区，如图1所示。

图1 端面外观

2 断裂原因分析

柴油机曲轴断裂主要是因为曲轴的设计制造缺陷和不当使用造成的。现对可能造成曲轴断裂的原因作简要分析。

2.1 交变压力的影响

柴油机运转时，曲轴受到爆炸气体传递的压力成周期性变化，当活塞位于上止点位置时连杆轴颈载荷达到最大值（2000型12V190柴油机最高爆发压力10.5 MPa，连杆力297.5 kN）。周期性变化的压力易造成曲轴疲劳，影响曲轴寿命。

2.2 弯曲——扭转疲劳的影响

曲轴长时间运行后，轴颈与轴瓦产生差异磨损，导致曲轴轴线不正，弯曲应力就会增大；在曲轴主轴承螺母的松动而让轴颈失掉支承的状况下工作，曲轴也会产生较大的交变弯曲应力。

主轴颈磨损后，重量减轻，轴线向连杆轴颈侧移动，进而力臂失衡，随之就会产生不平衡转矩。当气体压力扭矩或往复惯性力扭矩的变化频率与曲轴固有的频率相等或成整数倍时，会产生共振。强烈的共振会破坏发动机的平衡，使柴油机震动、噪音加剧，曲轴转速也不再稳定。曲轴本身则由于强烈的扭振产生很大的交变扭转应力，易于疲劳损坏。

2.3 曲轴结构、材料及加工的影响

（1）过渡圆角过小。2000型12V190柴油机曲轴连杆轴颈处的过渡圆角为R5 mm，而曲轴的过渡圆角半径要求不小于曲柄销（连杆轴颈）径的5%[1]。本来就小于常规的过渡圆角，修磨后会进一步减小，易产生应力集中加大，进而产生初始微观裂纹，随后疲劳断裂，如图2所示。

（2）曲柄臂油堵孔的影响。检查发现，在断裂的曲轴之中，大多裂纹在连杆轴颈过渡圆角和曲柄臂油堵孔之间。并且油堵孔附近的断裂面也为光滑面（图3），说明此处也是疲劳破坏的疲劳源。所以，此处也是应力集中的地方，需改变该孔的结构，减少应力集中。

（3）曲轴材料的影响。曲轴材料不达标也是造成断裂的重要原因，曲轴轴颈的表面处理尤为重要，均匀的硬度和较高的耐磨性，可减少曲轴轴颈的磨损，从而降低对其寿命影响最大的弯曲应力的影响。特别是修磨过的曲轴，每次0.25 mm的磨削量，大大减少了曲轴轴颈表面的耐磨层，增加了发生严重磨损的可能性，所以在每次磨曲轴之后，应进行表面强化处理，增强其机械性能。

曲轴的早期锻造不够，可能造成曲轴致密度不够，机械性能达不到使用要求。曲轴内部的夹杂、气孔等缺陷对曲轴的寿命影响也很大。

（4）残余应力的影响。金属工件在冷热加工过程中都会产生残余应力，残余应力会降低构件的强度和疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂[2]。所以，投入使用前有必要进行时效处理，时效处理时间不够也是造成曲轴断裂的原因。

图2 过渡圆角处断裂

图3 油堵孔处断裂

2.4 不当操作与恶劣工况的影响

（1）不当操作的影响。柴油机启动后没有充分运转，立即加大油门，全负荷甚至超负荷运转，不良影响：①润滑不充分，极易造成曲轴的过度磨损甚至“烧瓦”；②曲轴温度不高，脆性较大，易断裂；③温度变化过大，会产生较大的变温应力，即热应力。

（2）恶劣工况的影响。作为深井钻机，特别是公司的7000 m钻机，钻井周期长、绞车负荷重、转盘扭矩大、泥浆泵泵冲泵压高，这会使与之配套的柴油机一直处于重负荷运转状态，容易造成曲轴的疲劳断裂。例如某井队，双车带双泵和转盘，泵压21 MPa，排量44 L/s，加上转盘运转，每台柴油机分担的功率达700 kW，将柴油机1200 r/min的转速迅速降至850 r/min，接近怠速600 r/min，若长时间运转，会极大影响曲轴寿命。

3 结论

（1）从断口知曲轴的断裂原因为疲劳破坏。

（2）曲轴断裂的主要原因是连杆轴颈的过渡圆角过小及油堵孔处的应力集中。

4 预防措施

（1）定期进行维护保养，确保润滑油道通畅，特别是主轴承与主轴颈之间的润滑，防止过度磨损造成主轴颈轴线偏离，从而引起弯曲疲劳破坏。

（2）在每次中修作业时尽可能对曲轴进行无损检测，消除早期细微裂纹，防止突发事故发生。消除裂纹时不能减小过渡圆角的半径。

（3）加强减振器和连接器部件的维护保养，对发生扭曲、断裂的金属橡胶座进行及时更换，保证其运转状况良好。搬安后，精确调校柴油机与变矩器（或偶合器）的同轴度，调校好后在柴油机和变矩器（或偶合器）底部焊接限位块，防止运行过程中产生移位，对柴油机曲轴造成损伤。

（4）正确操作柴油机。按照柴油机操作规程，缓慢变速，禁止速度猛增猛减。特别是起机后，必须要高温循环水温升至40℃以上，方可逐渐加载。

（5）定期检查配气定时，调校喷油泵，防止爆震对曲轴的危害。