３４ ■技术交流 一２０１石油和化工设备 ３ｉｆ－第１６卷 中高压压缩机曲轴断裂失效分析 鲍军，钱￣．ＩＮＩＪ，于洋，唐斌，潘艺昌 （合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥２３００８８） ［摘要］用有限元方法计算出中高压压缩机曲轴的应力状态并校核了危险截面的静强度和疲劳强度，对过渡圆角表面粗糙 度对曲轴强度的影响进行了分析，结果表明，过渡圆角表面粗糙度是影响曲轴强度的直接因素，应当引起足够重视并严格 控制。 ［关键词］压缩机；曲轴；表面粗糙度；疲劳强度 往复式压缩机是石油和化工企业的重要设 备。曲轴是往复式压缩机中最重要的部件之一， 也是受力最复杂的部件，它的可靠性直接影响着 压缩机的安全运行和使用寿命。随着设计和制造 水平的日益提升，压缩机的可靠性在不断提高， 但压缩机曲轴的断裂事故仍时有发生，曲轴断裂 事故的发生，不仅造成较大的经济损失，甚至会 造成机毁人亡的重大事故。 图１ 曲轴整体有限元模型 １．２曲轴载荷分析 曲轴在工作时承受缸内的气体压力、往复 和旋转质量惯性力的作用，根据给定的压缩机参 数，通过对压缩机的动力学计算，求得不同转角 时连杆轴颈载荷的数值。 对于作用在曲柄销上的连杆力，可分解成法 向和切向两个方向的力，施加在连杆轴颈表面， 通过对７０余起文献报道的各类曲轴断裂事故 原因的统计分析发现，材质缺陷或热处理不当约 占５７％，过渡圆角尺寸不合理约占３５％，过渡圆 角表面粗糙度不够约占６％，安装或使用不当约占 ２％。由此可见，过渡圆角尺寸及过渡圆角表面粗 糙度对曲轴强度的影响应引起足够的重视，在设 计和加工阶段采取有效手段保证曲轴具有足够的 强度。本文以某中高压压缩机曲轴断裂为例，建 立了符合实际情况的曲轴三维有限元模型，在此 基础上进行了应力分布分析和疲劳强度校核，对 过渡圆角表面粗糙度对曲轴强度的影响程度进行 了分析和讨论。 这两个力在连杆轴颈的分布规律为：轴向按二次 抛物线分布，轴颈圆周方向呈余弦分布，作用在 １２０。的范围内，如图２所示。 １曲轴有限元分析 １．１有限元网格划分 该压缩机共２列，排气压力为４０ ＭＰａ，曲轴材 料为４０Ｃｒ。根据曲轴的结构特点，在建模时，对 连杆轴颈和曲轴主轴颈的圆角处进行局部控制， 划分成整齐细密的单元网格，使随后的有限元计 算能达到足够的精度；在其它区域采用较疏的网 格实体模型进行网格划分，以控制总的单元数， 减小计算规模。最终形成的曲轴有限元网格见图 １。 图２曲轴连杆轴颈压力分布图 对于整体曲轴有限元模型，其约束条件为曲轴 只能绕轴心转动，因此加载轴承约束时其除绕 轴线转动的自由度外的其它各个方向的自由度。 作者简介：鲍军（１９８０一），男，安徽马鞍山人，硕士，工程 师。在合肥通用机械研究院从事压缩机及相关设备的研究工作。 第８期 鲍军等 中高压压缩机曲轴断裂失效分析 一３５． ２曲轴计算结果分析 ２．１应力分析 曲轴的应力分布如图３所示。计算结果表明， 等效应力较大值发生在主轴颈与曲柄相连的过渡 圆角处以及曲柄销与曲柄相连的过渡圆角处。应 力最大值为曲轴转角为１８０。时，位于靠近扭矩 输入端主轴颈与曲柄相连的过渡圆角处，其值为 不同加工方法和工艺措施对曲轴圆角部位疲劳强 度的影响，由于本曲轴没有采用圆角强化工艺 措施故取１３＝１；ｅ。、ｅ 为尺寸系数，查表后取 ￡。＝￡ ＝０．６４；１ｌ，。、１ｌｒ 为材料对应力循环不对称 的敏感系数，取１ｌｒ ０＝０．１５，１ｌｒ ＝０．１；ｏ 、Ｔ 为应 力的变化幅；ｏ ｍ、 为应力的平均值。 据此算出ｎ。＝２．２３５，ｎ ＝４６．３８６，安全系数 ０ ｍ￣＝１４９ＭＰａ。 图３曲轴应力分布云图 ２．２静强度校核 按第一强度理论对最大应力点进行静强度校 核。 ＝ ≥ 】 （１） 式中：ｏ Ｓ－曲轴材料的屈服极限，查得４０Ｃｒ的 屈服极限为７８５ ＭＰａ；［ｎ］一许用安全系数，取３。 由此得出，曲轴的静强度安全系数为５．２７，满 足静强度要求。 ２－３疲劳强度校核 应力集中点是曲轴最易发生破坏的部位，需 要考虑应力集中系数和尺寸系数等影响，进行疲 劳强度校核，校核计算公式如下式 ”。 弯曲应力作用下的安全系数 ， — ■一 （２） 扭转应力作用下的安全系数 ， — ■一 （３） 竹 ｒ 总安全系数 ＝ ］ （４） 、／，ｚ二＋，２ 其中：ｋ 、ｋ 为圆角处的应力集中系数，由 于在有限元分析时已考虑了圆角处应力集中的影 响，故取ｋ。＝ｋ ＝１；Ｄ为表面加工系数，它表明 ｎ＝２．２２７ 根据文献【１】，曲轴的许用安全系数［ｎ】为 １．８～２．５，说明该曲轴强度能够满足要求。 ３分析和讨论 根据对曲轴的有限元分析，曲轴在正常服役 过程中主要受交变扭转一弯曲复合应力，连杆颈 与主轴颈过渡圆角处为应力最大区域，是最易发 生疲劳断裂的部位。根据对曲轴的强度校核，如 果材料力学性能、表面粗糙度和安装质量符合设 计要求，该曲轴仍具有足够长的疲劳寿命，不会 发生意外疲劳断裂。 疲劳断裂对裂纹、缺口、组织缺陷等十分 敏感，因为缺口、尖角和裂纹因应力集中而大大 降低了裂纹萌生所需的应力值，疲劳破坏首先选 择在这些局部缺陷处开始，而且疲劳裂纹一旦萌 生，一般情况下进一步扩展已不可避免［２］。 因此，不同的表面粗糙度对构件的疲劳强度 有明显的影响。表面越粗糙，其疲劳强度越低， 这可能是造成该曲轴在未达到设计寿命之前在曲 柄销圆角处发生断裂失效的主要原因。对失效曲 轴的理化分析结果也印证了这一点：从断口的宏 观形貌和微观特征可以判断曲轴的断裂为典型的 高周疲劳断裂，并且在启裂处及附近区域均可见 明显的机加工留下的环向刻痕，局部表面粗糙度 只达到１２．５ ｔ－ｔ ｍ，远低于１．６ １．ｔ ｍ的设计要求。 按短疲劳裂纹的观点，不同的表面粗糙度的 疲劳极限可以近似表达为： ：（ｃｌＲ ） （５） 式中：Ｖ。为材料疲劳极限；Ｃ为材料常数；Ｒ 为材料表面粗糙度 因此，当材料表面粗糙度从１．６ ｌａ ｍ上升到 １２．５ ｌａ ｍ时，通过上式可以计算出原曲柄销圆角 的许用疲劳极限将下降５０％，安全系数也降至 １．１２６，低于许用安全系数，说明曲柄销圆角在使 （下转３８页） ３８．一技术交流 ．石油和化工设备 ２０１３年第１６卷 污染时，必须对质谱探头进行清洗，彻底清除污 染膜。 ◆参考文献 ［１］达道安主编．真空设计手册（修订版）【Ｍ】北京：国防工 业出版社，１９９１． ［２】戴永庆主编．溴化锂吸收式制冷技术及应用［Ｍ］北京：机 械工业出版社，１９９６． 漏时间，有着氦质谱检漏无法比拟的优越性，在 溴化锂制冷机制造工艺中发挥了重要作用。 ４注意事项 四极质谱计长期使用后，探头的污染不可避 免。为了防止ＱＭＳ的污染，真空抽气系统最好选 用无油系统，对已经轻度污染的质谱计，使用时 可合理调节离子源工作参数或适当降低灯丝发射 电流，可使仪器性能得到一定改善，当出现严重 （上接３５页） 用过程中随时可能会发生疲劳破坏。 （２）严格控制设备零配件的购置渠道和加工 ４结论及建议 曲轴的原始设计满足强度要求，曲柄销及主 轴颈的过渡圆角处是应力最大区域，也是最易发 生疲劳断裂的部位，因此当曲轴材料的疲劳极限 较低或存在其它不利于曲轴强度的因素时，该处 可能发生断裂。通过与实际断裂行为对比，计算 分析结果与实际情况一致。 因过渡圆角表面粗糙度不影响曲轴的装配生 产，故在生产中往往不易引起足够的重视。分析 计算表明，圆角表面粗糙度是影响曲轴疲劳性能 修理过程，主要零部件必须由生产厂家提供有效 的检测报告或合格证明，确保关键部件在选择材 质、加工工艺等过程中得到有效控制。 ◆参考文献 【１】郁永章．容积式压缩机技术手册［Ｍ］ Ｅ京：机械工业出版 社，２０００． 的直接因素，甚至可以抵消某些改善疲劳性能的 措施，应当引起足够的重视，并进行严格控制。 为避免同类曲轴断裂事故发生，建议采取如 下措施： （１）提高机加工精度，避免转角部位出现机 加工损伤，保证表面光洁度符合设计要求； ［２】梁永荣，徐罗平．机车柴油机曲轴断裂失效分析【Ｊ］．机车车 辆工艺，２０１２，（１２）：３２—３３． 【３］吕立功．一起活塞式压缩机曲轴断裂事故的原因分析及处 理［Ｊ］．压缩机技术，２００１，（６）：２１—２２． 【４】孟庆武，张久龙，魏洪战，马春福．压缩机曲轴断裂失效 分析［Ｊ］．压缩机技术，２００９，（３）：２８．３０． ［５］许宝森．压缩机曲轴断裂破坏分析［Ｊ］压缩机技术，２００９， （３）：４１＿４３． 项目来源 安徽省科技计划资助项目，１ １ ０６００８０５０２６ 合肥通用机械研究院青年科技基金资助项目，２０１ １ Ｏ１ １ ２７４ ：节能环保产业产值年均增速１５Ｏ／／ｏ以上 近日下发关于加快发展节能环保产业的意见，提出节能环保产业产值年均增速要保持在１５％以 上，￣Ｕ２０１５年总产值达到４．５万亿元，成为国民经济新的支柱产业。 意见提出，要围绕市场应用广、节能减排潜力大、需求拉动效应明显的重点领域，加快相关技术装 备的研发、推广和产业化，带动节能环保产业发展水平全面提升；发挥带动作用，引领社会资金投 入节能环保工程建设；推广节能环保产品，扩大市场消费需求；加强技术创新，提高节能环保产业市场 竞争力；强化约束激励，营造有利的市场和环境。 （２０１３．０８．１３《国家石油和化工网》）
