某发动机连杆断裂原因分析的研究

来源:用户上传      作者: 何元章 夏国祥 王文建 黄平 樊红磊

　　摘要：在发动机研发过程中，连杆断裂故障是发动机的致命故障。本文以某款发动机的连杆断裂故障，从各个相关零件进行了全面的分析和判断，利用一一排除的方法分析原因，找出解决措施，确保发动机的可靠性。
　　关键词：连杆;连杆螺栓;断裂;连杆瓦;故障
　　中图分类号：TK4 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）02-0059-05
　　
　　Fracture Analysis of Engine Connecting Rod
　　HE Yuan-zhang，XIA Guo-xiang，WANG Wen-jiang，HUANG Ping，FAN 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
　　在发动机研发过程中，连杆断裂是发动机致命故障。目前，连杆断裂故障的分析方法均为光学金相和电子探针分析仪等分析手段，针对故障连杆和连杆螺栓进行分析。然而，影响连杆断裂的原因是多样化且不可预判的，如果仅仅采用光学金相和电子探针分析仪的方法分析，只能判断故障件是否存在问题，并不能找出连杆断裂的真正原因。因此，在分析故障原因时，建立一种有效的、全面的分析方法非常重要。
　　本文介绍一种FTA故障树的分析方法，能全面和有效的找出失效原因。本文以某款发动机的连杆断裂故障为例，从各个相关零件进行了全面的分析和判断，利用一一排除的方法找出原因，提出解决措施，确保发动机的可靠性。
　　
　　1 背景
　　
　　某发动机在100小时全速全负荷试验过程中，运转到63小时，第三缸发生了连杆断裂故障。连杆体、连杆螺栓断裂，连杆大头击穿缸体飞出缸外;故障缸连杆瓦发生烧瓦，碎片散落在油底壳内，其他缸连杆瓦有不同程度的剥落现象；揭开缸盖，第三缸气缸内有积水，活塞卡死在缸套内，见图1、图2。
　　
　　2 故障原因分析
　　
　　经过对试验记录数据和发动机的装配及生产工艺进行分析，且其他缸的轴瓦润滑情况良好，所以认为此次故障主要由零件本身的原因或其他不明原因所引起。
　　由此我们对所有相关的零件或因素进行逐个分析，利用排除法找出故障原因，建立了FTA故障树分析（见图3），以便有序进行故障分析。
　　需要分析的内容主要包括以下几个方面：
　　1）检测缸盖、缸体接合面平面度，缸垫的密封性；
　　2）连杆的强度是否满足发动机的性能要求;
　　3）连杆螺栓的设计、性能，拧紧力矩的合理性分析；
　　4）连杆瓦的设计合理性分析；
　　2.1 检测缸盖缸体接合面平面度，缸垫的密封性
　　考虑到气缸内进水的现象，进水后引起压缩比的变化，从而导致连杆等组件的断裂损坏。从缸垫的供应厂家提供的密封性报告看（见图4、图5），缸垫的密封性满足设计要求。
　　由装机前测量的缸体缸盖的平面度数据可知，缸盖和缸体的平面度是在设计范围内，满足设计要求的，测量结果如表1。由此可知，发动机缸内进水非缸盖和缸体的平面度不满足设计要求而引起的。
　　2.2 连杆的强度校核
　　2.2.1 连杆的设计强度校核
　　根据连杆总成仿真分析的结果可知，连杆受到的最大应力在连杆小头孔处，应力为459.2 MPa（见图6），而相应的安全系数为1.83，大于许用的安全系数1.5，故该发动机的连杆材料和结构设计均满足项目要求。
　　2.2.2 故障连杆的断裂形式分析
　　根据工艺研究部门提供的故障件分析报告，连杆大头孔附近有烧伤的蓝色氧化色，杆身有明显的弯曲变形，断口被完全破坏；并且连杆的金相组织和硬度均满足设计要求，故判定连杆为韧性断裂，属于受害件（见图7），这从另一方面证明连杆的强度满足项目要求。
　　
　　2.3 连杆螺栓的设计、性能、拧紧力矩的合理性分析
　　2.3.1 连杆螺栓设计强度的校核
　　根据发动机仿真部门的螺栓分析报告（见图8）可知，螺栓在工作工况下的最大应力为339.4 MPa，而螺栓的抗拉强度为1 200 MPa，安全系数为3.5，能够满足发动机的强度要求。
　　2.3.2 连杆螺栓零件的性能分析
　　为了验证连杆螺栓样件的性能可靠性，螺栓供应商对同批的螺栓进行了性能检测，检测结果如表2。由结果可知，螺栓的重要尺寸和性能要求满足项目要求。
　　
　　2.3.3 连杆螺栓拧紧力矩的合理性分析
　　为了验证螺栓拧紧力的合理性，对同批螺栓和连杆进行了拧紧力的测试，测量结果如表3，由测量结果可知，螺栓的拧紧要求同样满足设计要求的21 kN。
　　2.3.4 故障连杆螺栓断裂形式分析
　　根据故障零件分析的结果可知，故障螺栓的端口形貌有明显的韧窝存在，且螺栓的金相组织和硬度均满足设计要求（见图9和图10），故认定连杆螺栓的断裂亦为受迫性断裂，螺栓的断裂是由其他原因引起的。
　　
　　
　　综上所述，螺栓的力矩转角及螺纹规格设计均合理，满足项目要求。
　　2.4 连杆瓦的设计的合理性分析
　　2.4.1 故障连杆瓦破坏形式分析
　　为了很好的验证连杆瓦的设计合理性，对连杆瓦的各个参数尺寸进行了benchmarking分析和检测。根据《内燃机设计》（杨连声）和相关国家标准（QC/T 280-1999、GB/T 1151-93和GB/T 18326-2001）重新计算、审核可知，连杆瓦的各个尺寸设计均合理。但是，根据对故障连杆瓦的分析可知，连杆瓦的合金层剥落严重，且在钢背和合金层结合线处发生开裂现象（见图11和图12）。各种现象表明，连杆瓦为疲劳剥落，需要对连杆瓦的载荷和材料进行校核。
　　2.4.2 对连杆瓦的工作载荷的核算
　　根据上述分析的结果可知，连杆瓦合金层剥落属于疲劳剥落，故对连杆瓦的合金层材料进行校对和重新计算。根据《内燃机设计》（杨连声）连杆瓦载荷计算公式：
　　
　　；P0为大气压力，N/m2；D为活塞直径，m；
　　由上述公式及CAE分析可知，连杆瓦在工作过程中的最大载荷为33 MPa，而选择的轴瓦合金层材料AlSn20Cu的承载能力为35~45 MPa，即轴瓦的承载能力略大于轴瓦的最大工作载荷，设计是合理的。
　　经过查询标准GB/T 18326-2001和相关资料可知，合金材料AlSn20Cu的硬度为30~40 HB，有良好的耐腐蚀性能，有较好的轴承表面性，但仅适合于与软轴配合使用，要求轴的硬度为25 HRC左右。然而，该款发动机的曲轴为钢性曲轴，硬度达到了55 HRC，因此确定，该合金材料不适用于该款发动机，需要重新选择轴瓦的合金材料。经过查询和与供应商的交流可知，某公司的合金材料能够满足设计要求，该材料承载能力为35~45 MPa，硬度为40~60 HB，要求曲轴的硬度在50 HRC以上，满足该款发动机的设计要求。100小时全速全负荷试验结果表明，更改合金层材料后的轴瓦未发现有剥落现象（见
　　图13和图14），且未出现连杆断裂或类似故障。
　　
　　3 结论
　　
　　本文通过一款发动机的连杆断裂故障的原因分析，介绍了FTA故障分析树的分析方法，分析结果表明，FTA故障树的分析方法在分析连杆断裂试验问题时，使分析繁杂却有序的进行，取得不错的效果。对于发动机研发过程中遇到的类似试验问题，本文介绍的FTA分析方法均有被借鉴的实际意义。
　　
　　参考文献：
　　［1］ 杨连声.内燃机设计［M］.北京：中国农业机械出版社，1981.
　　［2］ 濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2001.
　　［3］ 傅衣铭，熊惠而，任毕乔.材料力学［M］. 湖南：湖南大学出版社，1999.
　　［4］ 联合编写组.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，1987.

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