導(dǎo)讀

　　連桿與活塞、曲軸一起將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動[1]。

　　柴油機(jī)運(yùn)行過程中，連桿承載情況復(fù)雜，不僅承受由壓縮、拉伸、彎曲、沖擊組成的拉壓疲勞負(fù)荷，還承受彎曲負(fù)荷和其他附加負(fù)荷，因此連桿不僅應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時還應(yīng)具備較好的抗疲勞能力和抗沖擊韌性[2]。

　　柴油機(jī)連桿斷裂時有發(fā)生，連桿工作的可靠性是發(fā)動機(jī)研發(fā)過程中的重點(diǎn)之一。

　　連桿的可靠性和壽命直接影響柴油機(jī)的可靠性和壽命，船用柴油機(jī)連桿斷裂嚴(yán)重時可能導(dǎo)致柴油機(jī)報(bào)廢、船體開艙[3]。

　　眾多學(xué)者通過仿真、金相分析、掃描電鏡分析等方法對連桿斷裂嚴(yán)重問題進(jìn)行研究：

　　賈德文等[4] 運(yùn)用多體動力學(xué)對連桿疲勞壽命進(jìn)行分析，確定連桿疲勞壽命危險區(qū)域，并進(jìn)行斷裂疲勞壽命預(yù)測分析;

　　范明君等[5] 采用斷口分析、材質(zhì)復(fù)驗(yàn)等方法對某柴油機(jī)斷裂連桿進(jìn)行分析，結(jié)果表明連桿為疲勞斷裂， 且斷裂裂紋起始于連接螺紋孔底部微小加工缺陷;

　　王延君等[6]對某柴油機(jī)斷裂進(jìn)行斷口分析、應(yīng)力測試及疲勞強(qiáng)度評估分析，結(jié)果表明該連桿螺栓孔螺紋加工質(zhì)量差，造成局部殘余應(yīng)力和形狀應(yīng)力集中，致使連桿在該部位斷裂失效。

　　本文中針對某船柴油機(jī)連桿斷裂導(dǎo)致柴油機(jī)缸套、機(jī)體損壞故障進(jìn)行分析，確定連桿斷裂原因，并從設(shè)計(jì)、加工等角度提出改進(jìn)措施。

　　

　　一、故障現(xiàn)象

　　某船用柴油機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生連桿大端斷裂故障，并由此造成第6缸缸套下部、活塞和連桿螺栓斷裂，機(jī)體受損出現(xiàn)裂紋。

　　經(jīng)確認(rèn)，該柴油機(jī)已運(yùn)行約6680h，在約6200h時進(jìn)行中修。

　　中修時發(fā)現(xiàn)第6缸連桿螺栓六角頭部磨損，無法安裝，因此更換螺栓。

　　中修結(jié)束后，主機(jī)累計(jì)運(yùn)行約480h時發(fā)生連桿斷裂故障。

　　連桿、活塞開裂情況如圖1所示。

　　

　　

　　▲圖1 連桿、活塞開裂情況

　　由圖1可知：

　　連桿桿身存在明顯的彎曲變形，連桿大端斷裂，斷裂位置位于連桿大端短臂側(cè)連桿螺栓孔螺紋根部位置。

　　根據(jù)螺栓安裝位置對該連桿上的螺栓進(jìn)行編號，如圖2所示，連桿斷裂位置位于1#、2#螺栓側(cè)。

　　

　　▲圖2 連桿螺栓位置圖

　　二、失效原因分析

　　1、化學(xué)成分分析

　　連桿材料為2006 34CrMoS4。

　　依據(jù)文獻(xiàn)[7]對連桿斷口兩側(cè)的基體進(jìn)行微量化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

　　由表1可知，斷口兩側(cè)的連桿材質(zhì)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　

　　2、力學(xué)性能試驗(yàn)

　　在連桿桿身長臂側(cè)(螺栓未斷裂處)、大端蓋及桿身處分別取拉伸、沖擊及硬度試樣，進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果如表2所示。

　　由表2可知：

　　連桿的力學(xué)性能指標(biāo)均滿足要求;

　　斷面收縮率及沖擊功測試結(jié)果表明，在強(qiáng)度滿足要求的條件下，連桿具有較好的塑性和韌性。

　　

　　3、宏觀斷口分析

　　對連桿斷口進(jìn)行宏觀分析，斷口宏觀形貌如圖3所示。

　　

　　

　　

　　由圖3可知：

　　斷口端面未見明顯的塑性變形，且兩側(cè)斷口均可見明顯貝殼紋[8]，連桿斷裂為疲勞斷裂，結(jié)合貝紋線及斷口形貌可知裂紋始于1#螺栓孔的第3個螺紋的根部;

　　斷口光滑、致密，瞬斷區(qū)面積小，說明連桿運(yùn)行時所受應(yīng)力小，初步判定連桿斷裂為長期低應(yīng)力作用下的彎曲疲勞斷裂[9]。

　　4、微觀斷口分析

　　(1)連桿斷口分析

　　清洗連桿斷口，利用場發(fā)射掃描電鏡，按照文獻(xiàn)[10]規(guī)定的方法觀察1#、2#螺栓孔斷面形貌，結(jié)果如圖4所示。

　　

　　

　　

　　▲圖4 1#、2#螺栓孔斷面形貌

　　由圖4可知：

　　1#螺栓孔處斷口裂紋源區(qū)存在明顯擠壓損傷，螺栓孔 1#、2#端面裂紋擴(kuò)展區(qū)均呈現(xiàn)疲勞輝紋特征[11]。

　　(2)連桿螺栓孔螺紋形貌分析

　　因?yàn)檫B桿在 1#、2#螺栓孔處斷裂，且斷裂處螺紋存在擠壓損傷情況，為分析連桿螺栓孔的加工情況，對3#螺栓孔處未與3#螺栓螺牙配合的螺紋A～F進(jìn)行切割取樣，3#螺栓取樣位置如圖5所示。

　　

　　▲圖5 3#螺栓取樣

　　對螺紋A～F根部進(jìn)行0518掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)螺紋A～F根部加工均較為粗糙，其中螺紋C根部存在微裂紋[12]。

　　螺紋 B、C 根部的掃描電鏡圖像如圖6所示。

　　

　　▲圖6 螺紋 B、C 根部的掃描電鏡圖像

　　5、金相分析

　　分別截取連桿斷口 1#螺紋孔的第3個螺紋(裂紋源處)及斷裂位置附近基體、3#螺栓的剖面試樣，記為試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，取樣位置如圖7所示。

　　對試樣進(jìn)行鑲嵌、磨拋、化學(xué)侵蝕處理后置于顯微鏡下觀察。

　　

　　

　　▲圖7 金相分析取樣位置示意圖

　　(1)試樣Ⅰ、Ⅲ金相分析

　　試樣Ⅰ、Ⅲ的金相分析如圖8所示。

　　

　　

　　▲圖8 試樣Ⅰ、Ⅲ的金相組織情況

　　由圖 8a)可知：

　　裂紋始于第3個螺紋的根部，螺栓孔底部內(nèi)壁加工較為粗糙，與螺栓第 3 個螺牙配合處存在明顯擠壓變形，連桿基體及螺牙處均存在帶狀偏析(硫化物分布)，并與螺紋根部呈一定角度(與螺牙面約成45°)。

　　由圖 8b)可知：

　　螺栓孔根部內(nèi)壁加工均較粗糙，且連桿基體及螺牙處均存在帶狀偏析(硫化物分布)并與螺紋根部基本平行。

　　(2)試樣Ⅱ金相分析

　　根據(jù)文獻(xiàn)[13]推薦的 A 檢驗(yàn)法評定試樣Ⅱ非金屬夾雜物含量的級別，結(jié)果如表3所示。

　　

　　由表 3 可知：

　　試樣Ⅱ各類非金屬夾雜物含量雖均滿足文獻(xiàn)[13]要求，但粗系及細(xì)系硫化物含量均接近限值。

　　試樣Ⅱ非金屬夾雜情況如圖9所示。

　　由圖9可知，非金屬夾雜物含量較多且呈帶狀分布。

　　試樣Ⅱ的金相分析如圖10所示。

　　由圖10可知：

　　斷裂位置附近的連桿基體組織為回火索氏體和少量的鐵素體，基體組織明顯存在硫化物的帶狀偏析[14]。

　　

　　▲圖9 試樣Ⅱ非金屬夾雜物情況

　　

　　▲圖10 試樣Ⅱ金相組織情況

　　6、連桿失效原因

　　綜上所述：

　　1#螺栓孔的第3個螺紋根部加工粗糙，導(dǎo)致該區(qū)域應(yīng)力集中;連桿中含有較多的非金屬夾雜物，割裂了基體的連續(xù)性[15];

　　非金屬夾雜物的帶狀偏析流線與螺紋根部成一定角度，非金屬夾雜物在螺紋根部露頭，加劇該區(qū)域應(yīng)力集中情況，在連桿慣性力長期作用下萌生裂紋，以疲勞的方式擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至剩余截面無法承受工作應(yīng)力后，連桿斷裂。

　　連桿一側(cè)因疲勞斷裂，在慣性力的作用下，另一側(cè)連桿螺釘彎曲斷裂，連桿大端蓋飛出導(dǎo)致機(jī)體受損，連桿桿身部脫離曲軸曲柄約束，擺動過程中導(dǎo)致缸套、活塞裙受損，并與曲軸連桿頸碰撞，導(dǎo)致連桿桿身彎曲。

　　三、改進(jìn)措施及驗(yàn)證

　　1、改進(jìn)措施

　　針對連桿失效原因，根據(jù)生產(chǎn)工藝實(shí)際，提出以下改進(jìn)措施：

　　1)控制連桿非金屬夾雜物含量，在連桿技術(shù)要求中在提高對非金屬夾雜物的含量要求，將硫化物粗系等級提高至1.0級別;

　　2)改進(jìn)連桿鍛造工藝，保證連桿鍛造流線與螺紋孔根部平行;

　　3)提高連桿螺栓孔加工質(zhì)量，并加強(qiáng)檢驗(yàn)，確保螺紋孔表面質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

　　2、改進(jìn)措施驗(yàn)證

　　根據(jù)改進(jìn)措施對連桿生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。

　　加工連桿時，通過調(diào)整底孔直徑、進(jìn)給轉(zhuǎn)速及控制刀具壽命的方式改善連桿螺栓孔螺紋表面質(zhì)量。

　　改進(jìn)后的連桿基體金相組織和螺紋根部質(zhì)量情況如圖11所示。

　　

　　

　　▲圖11 改進(jìn)后的連桿基體金相組織和螺紋根部質(zhì)量情況

　　對比圖 6、9、11 可知：

　　改進(jìn)后連桿中非金屬夾雜物明顯減少，螺紋加工紋路得到改善，螺紋表面質(zhì)量明顯提高。

　　改進(jìn)后連桿非金屬夾雜物評級情況如表4所示。

　　

　　由表4可知，改進(jìn)后連桿非金屬夾雜物含量等級符合使用要求。

　　柴油機(jī)換裝改進(jìn)后連桿，進(jìn)行約4000h實(shí)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，未出現(xiàn)連桿斷裂故障，改進(jìn)方案有效，后續(xù)繼續(xù)跟蹤驗(yàn)證情況。

　　四、結(jié) 語

　　通過宏觀及微觀斷口分析、金相組織及非金屬夾雜物分析、化學(xué)成分及力學(xué)性能分析確定船舶發(fā)動機(jī)連桿斷裂的原因，提出改進(jìn)措施并進(jìn)行驗(yàn)證。

　　1)造成連桿斷裂失效的主要原因?yàn)榈?個螺紋根部加工粗糙造成應(yīng)力集中、連桿中非金屬夾雜物較多，且存在與螺紋根部呈一定角度的帶狀偏析。

　　2)采取降低連桿非金屬夾雜物含量，改進(jìn)連桿鍛造工藝，提高連桿螺栓孔加工質(zhì)量等改進(jìn)措施后，進(jìn)行約4000h實(shí)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，未再發(fā)生連桿斷裂故障。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 王銀燕，張鵬奇，王善.內(nèi)燃機(jī)連桿桿身疲勞強(qiáng)度可靠性分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22(1)：67-71.

　　[2] 王厚權(quán)，李德華，柳海濤，等.某船用中速發(fā)動機(jī)連桿斷裂故障分析及改進(jìn)[ J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2022，39( 3)：101-106.

　　[3] 李寧，周惠芳，趙金銘，等.發(fā)動機(jī)連桿斷裂失效分析[J].金屬材料與冶金工程，2022，50(3)：32-36.

　　[4] 賈德文，白建勇，秦飛，等.柴油機(jī)連桿疲勞斷裂仿真研究[J].機(jī)械強(qiáng)度， 2016， 38 (3)： 635-639.

　　[5] 范明君， 黃友橋.某型電站柴油機(jī)連桿斷裂失效分析[J].船電技術(shù)， 2016， 36 (6)： 67-69.

　　[6] 王延榮，刁占英，熊畢偉，等.柴油機(jī)連桿疲勞斷裂原因分析[J].車用發(fā)動機(jī)，2013(5)：71-73.

　　[7] European Committee for Standardization. Steels for quenching and tempering： Part 3： technical delivery conditions for alloy

　　steels： EN 10083-3—2007[S].Brussels， Belgium： CEN， 2007.

　　[8] 崔約賢.金屬斷口分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

　　[9] 葉明.柴油機(jī)連桿斷裂失效分析[J].熱處理，2002，17(1)：46-48.

　　[10] 上海電子光學(xué)技術(shù)研究所.掃描電子顯微鏡試驗(yàn)方法：JB/ T 6842—1993[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

　　[11] 鄭凱.某柴油發(fā)動機(jī)連桿斷裂失效分析[J].物理測試，2021，39(6)：11-16.

　　[12] 葉楓，陳旺湘，胡志豪，等.發(fā)動機(jī)連桿螺栓斷裂失效分析[J].金屬加工(熱加工)，2021(4)：77-80.

　　[13] 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會.鋼中非金屬夾雜物含量的測定：標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法：GB/ T 10561—2023[ S].北京：中國質(zhì)檢出版社， 2023.

　　[14] 高尚.高強(qiáng)度螺栓斷裂分析[J].理化檢測(物理分冊)，2006，42(6)：306-308.

　　[15] 吉昌兵.風(fēng)電用高強(qiáng)度螺栓常見斷裂原因分析[J].東方汽輪機(jī)，2014 (1)：60-64.

　　

　　原創(chuàng)作者系：

　　中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所

　　劉凱，仇立兵，朱奎，王樹綱