机械毕业设计423柴油机曲轴失较分析Word下载.docx
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摘要
本论文首先简要介绍了失效分析的基本概念、失效的主要来源及模式、常用的失效分析方法及技术和失效的系统分析方法。
失效分析技术有感官检查诊断技术、痕迹发现技术、断口和裂纹分析技术、化学成分分析技术、性能测试技术、无损检验技术、宏观残余应力测试。
本论文对河南柴油机厂生产MWM＿ V1型柴油机曲轴断裂进行了失效分析，MWM＿ V12型柴油机曲轴断裂原因分析结果表明该曲轴材料的冶金缺陷是导致疲劳裂纹在正常工作应力下过早形成的原因。
同时轴颈表面硬度不均匀，淬硬层分布不甚合理；
工作过程中润滑条件较差，促进了曲轴的早期断裂。
本文还利用系统分析方法中的故障树分析法描述了轴类零件断裂的各种可能原因，在工作过程中所受到的载荷进行系统的分析。
为曲轴断裂诊断知识的获取提供了实际知识库基础。
关键词：
曲轴；
过热：
过烧：
断裂；
故障树分析法；
知识库；
失较分析；
专家系统；
系统分析方法
第一章绪论
1.1失效分析的发展简况
长期以来，人类在生产实践中不断与产品失效作斗争，但失效分析仅作为零星、分散、宏观的经验世代相传。
失效分析作为一种学科分支还是近半个世纪的事情。
材料科学的兴起、先进测试技术的应用以及近代物理、化学等的全面发展，使得人们能够从微观方面阐明产品失效的本质、规律和原因。
在此基础上，失效分析走上系统、综合、理论化的新阶段。
近半个世纪所积累的失效分析知识与技术千百倍于人类前期有关知识的总和。
但这种知识必然随着人类生产实践和科技进步而不断发展．虽然由于科技的发展，产品在设计、生产、使用与维修上的技术改进，使得产品的可靠性日益提高，然而，失效事件并不会最终消失。
而且，产品的自动化程度愈高、技术愈密集，一旦出现失效，造成的损失就愈严重。
因此失效分析将随着科技的高速发展显得更为重要。
远在1862年英国建立世界第一个蒸气锅炉监察局时，失效分析就被作为法律仲裁产品质量事故的技术判断手段。
在1938-1945年间，美国质量管理学会发起“失效废品检验规划”，号召生产企业把失效分析作为重要环节纳入质量管理系统。
在四十年代末和五十年代初，为解决电子产品失效问题而发展起来的可靠性理论使失效分析进入到一个新的阶段。
到六十年代，人们更开始了机械设备系统可靠性理论的研究。
近年来，失效物理和失效分析在这种认识推动下，也得到了很大的重视和发展。
失效分析推动科学技术进步，促进国民经济健康发展，提高机械产品质量，在国民经济中有重要作用和意义。
早在远古时代，人们对产况，失效就有了宏观认识。
产品失效真正给人类带来严重的危害，则是从100多年前的工业革命开始的。
当蒸汽动力和大机器生产给人类社会带来巨大进步的同时，产品失效也给人类带来了前所未有的灾难性事故。
因而1862年，英国建立了世界上第一个蒸汽锅炉监察局，把失效分析作为法律仲裁事故和提高产品质量的技术手段。
随后，在工业化国家中，对失效产品进行分析的各种机构相继出现。
随着科技的突飞猛进，系统和设备日益复杂，功能不断提高，其不可靠和不安全因素增多，导致故障的原因也增多，因而对故障的分析研究工作亦越来越受到世界各国的关注。
工业的发展、技术的进步正是人们不断与产品失效做斗争的结果，这在航空和航天事业的发展史中表现尤为突出。
因为即使航天飞机这么先进的运载工具也可能发生故障，如美国的价值12亿美元的“挑战者”号航天飞机，在1986年1月28日第11次升空时突然爆炸，使七名宇航员遭难，这一惨痛悲剧再次告诫人们忽视产品失效问题将带来灾难性的恶果。
任何一次失效都可以看成是产品在服役条件下所做的一次最真实最可靠的科学试验的结果；
通过失效分析判断失效模式，找出失效的原因和影响因素（相关因素），也就找到了薄弱环节所在，从而可以改进有一关部门的工作，提高产品质量。
1.2失效分析的意义
失效分析是可靠性工程的技术基础之一,是安全工程的重要技术保证之一；
是维修工程的理论基础和指导依据；
可产生巨大的经济效益和社会效益。
因而开展失效分析工作是非常有意义的，其重要性一般包括以下几个方面：
1.可以保证产品的可靠性，减少由于设备失效造成的人身伤亡和直接经济损失；
2.可以从中吸取大量经验教训以利制定和完善产品质量管理的有关文件、标准和规程，是产品质量管理的一个重要环节；
3.有助于及时“吃透”国外先进技术，提高引进速度、质量和效率；
4.通过对进口设备的失效分析可以为向外商索赔提供依据或技术仲裁：
5.可以使设备维修工作建立在失效分析的基础上，从而取得良好的事故预防；
6.失效分析的结果也是现行技术规范、规程和标准的适用性的实地检验，可作为修订和制订文件的依据；
7.失效分析的统计资料是制订科技开发规划和经济发展规划的重要依据，失效分析可以为各级人员正确处理现场技术问题提供科学的依据。
在我国，由于长期的历史原因，现有设备超期服役带病运行相当普遍，有相当一部分设备存在着各种结构缺陷、工艺缺陷、加工缺陷、制造缺陷、材料缺陷和使用不当产生的裂纹或损伤腐蚀介质影响或长期超载运行等。
若盲目使用这些设备而不及时采取措施进行监控和防预，必将发生事故。
因而，为了尽量减少事故的发生，需要进行失效分析研究。
目前国内关于失效分析方面的研究比较多，他们大多采用传统的宏观、微观分析法对失效原因进行分析。
本文首先也将采用宏观、微观分析法分析两根曲轴的断裂原因，另外，本文还将尝试利用FTA这一系统分析法进行失效分析。
某厂从德国引进了MWM柴油机生产技术。
近几年，该厂生产的MWM柴油机曲轴陆续发生断裂事故，先后有20来根MWM柴油机曲轴在使用过程中发生断裂。
这是一个重大的产品质量问题，不仅给该厂造成了严重的经济损失，还对该厂的市场销售、质量信誉产生不良影响，因而需要尽快解决这一问题。
本课题就是在这个工程背景下，受该厂委托，试图对其中两根断轴进行失效分析，以期找到失效的真正原因。
本课题的主要工作内容和研究方法。
1.3本论文的主要工作内容
1．某厂生产的一根MWM-V6型柴油机曲轴发生断裂，本文运用宏、微观方法对之进行失效分析，给出其断裂的原因。
2．另一根MWMV-12型柴油机曲轴也发生了断裂，本文运用宏、微观方法对之进行失效分析，给出其断裂的原因。
3．本文还利用故障树分析法对轴类零件的断裂原因进行系统分析，并给出轴类零件断裂原因的故障树，为其专家系统的建立提供故障树基础。
1.4本论文的研究方法
本论文首先对MWM-V6及MWM-V12型柴油机曲轴的断口进行宏观观察，进而利用扫描电镜进行微观断口分析，并采用金相方法分析断口附近的夹杂物，然后利用扫描电镜所带的能谱仪测量夹杂物的成分，确证曲轴断裂的原因。
通过各方面的学习,对曲轴工作过程中的受力情况和工作环境对曲轴失较的影响.本文还利用FTA这一系统分析法对轴类零件断裂的原因进行了系统分析。
2.1失效分析概况
2.1.1失效分析的基本概念
所谓失效，按照国家标准GB3187－A2《可靠性基本词术语及定义》，就是：
“产品丧失规定的功能，对可恢复产品通常也称故障11μm。
为了研究失效的原因，确定失效的模式或机理，并采取补救或预防措施以防止失效再度发生的技术活动与管理活动，叫作“失效分析”。
因此失效分析是可靠性工程的重要组成部分，也是保证产品可靠性而需建立的反馈系统的重要环节。
失效分析是一门涉及系统分析、系统安全生产、设计、材料力学、断裂力学、断裂物理、断口学、材料学、测试技术、金属学、金属工艺、强度计算、产品质量全面管理等众多领域的综合学科，它包括三个方面：
1．事前故障的预测技术，如可靠度计算、故障率评价和可靠性分析法（故障树分析FTA，故障模式和影响分析FMEA，事件树分析ETA等）；
2．事中故障诊断技术（应力定量化技术、故障检测及故障征兆诊断技术、设备或系统强度、故障性能定量化及劣化定量化技术等）；
3．事后失效分析（寿命预测技术、故障机理、失效模式的测定技术、失效评定的标准、维修技术等）。
上述事后失效分析也即是失效分析或故障分析，是指事故或故障发生后的检测和分析，以便找到失效的部位、原因和机理；
掌握产品的改进线索或
修复方法，防止问题重复发生。
近年来，失效分析工作还注意了反馈与发展，在工况与质量上做了不少工作，从事前分析、事后预防发展到事中监控。
2.1.2失效的主要来源及模式
失效经常是由多方面原因造成的，其主要来源包括设计、选材、材料缺陷、制造工艺、再加工、组装、检查、试验、质量控制、贮运、工作条件、维修和工作中预先未暴露的过载以及机械的或化学的损伤等。
1.设计上的缺点：
机械缺口、改变设计、零件的升级使用．
2.金属部件的各种失效模式
（1）过量变形:
力和温度或者力或温度引起弹性变形；
屈服；
压痕：
蠕变：
冲击变形
（2）表面损伤:
ａ．粘着磨损；
ｂ．磨粒磨损：
ｃ．腐蚀磨损：
ｄ形变磨损：
ｅ．冲击磨损：
f.微振磨损；
g.阵接触疲劳磨损：
ｈ.剥落；
（3）腐蚀:
a．均匀腐蚀：
b．缝隙腐蚀：
c．电池作用腐蚀：
d点腐蚀；
e．品间腐蚀：
f．选择浸出：
g．冲蚀：
ｈ．气蚀：
ｉ．氢损伤：
Ｉ．生物腐蚀；
ｋ．应力腐蚀；
Ｌ微振腐蚀
3．断裂
（1）延性断裂
（2）脆性断裂
（3）冲击断裂
4．疲劳断裂
ａ．高温疲劳；
ｂ．高周疲劳；
。
低周疲劳；
ｄ．热疲劳；
ｅ．接触疲劳；
ｆ．冲击疲劳：
阵腐蚀疲劳；
ｈ．微振疲劳
5．应力持久断Ｒ
6．蠕变一疲劳复合断裂
2.2常用失效分析方法及技术
2.2.1失效分析的思路
失效分析思路是对于己经发生的事故考虑从什么地方开始，沿着什么样的程序去分析研究故障现象的因果关系，确定事故原因，完成分析任务。
断裂失效分析思路一般是：
断裂失效事故一故障件裂纹或断口分析￣力学性能分析￣显微组织分析￣结构受力分析￣使用维护分析。
必要时可进行工艺分析、材料成分分析、环境分析、相结构分析和残余应力分析。
1．失效分析的具体过程
（1）调查研究
①向机器操作者调查破坏过程，观察破坏现场，了解破坏构件在机器的部位和工作情况。
②向生产工人和技术人员调查构件的生产工艺历史和工艺参数。
③向设计人员调查构件的设计过程和设计计算。
④外观检查，观察破坏构件的外形特征。
⑤服役条件、工作环境等的综合分析。
（2）断口分析、破面分析、变形量测定
①断裂试样的正确选择及切取。
②断口的宏观分析。
③断口的微观分析。
（3）内在质量的检验
①低倍检验：
主要检查夹杂、气孔等低倍检查项目。
②金相组织分析：
检查破断零件的裂纹分布及走向，金相组织是否正常。
③材料的化学成分分析：
主要复验材料的化学成分是否合乎零件的要求，以及杂质、偏析和可能引起问题的微量元素在材料中的含量及大致分布。
④机械性能测定：
主要复验材料的常规机械性能是否合格，据构件破坏部位的几何形状、应力分布情况、负载的变化等情况与该类情况下的静／动机械性能比较。
（4）判明失效的原因：
据上面的调查研究及实验检查结果，综合分析造成构件失效的原因。
（5）提出改进措施
（6）实际运行考验
２．２．２常用失效分析技术
失效分析技术是指在各种失效分析方法中具体所采用的分析技术和手段。
对失效分析对象而言，失效分析技术从总体上可分为非破坏性和破坏性失效分析技术，具体可分为 ．感官检查诊断技术、痕迹发现技术、断口和裂纹分析技术、化学成分分析技术、性能测试技术、无损检验技术、宏观残余应力测试等．
1．感官检查诊断技术
失效分析与医生看病或侦察案件相似，对信息资料既要单独和分类推敲，又要综合分析，通盘考虑，然后提出疑问、假设，进一步有针对性地补充信息资料，多方考核，验证假设，从众多原因中，逐步确定取舍，从而得出可靠结论，并提出切实可行的预防措施，最后在实践中进一步验证。
感官检查是一种直观、简洁、使用方便、可靠性好的应用技术。
主要依靠人体感官功能和智力、经验的结合来获取、存储、加工处理信息，达到分析目的。
它主要包括视觉检查、触觉检查、嗅觉检查等。
2．痕迹发现技术
失效分析中进行宏观、微观分析时都离不开痕迹分析。
通过痕迹分析，不仅可对事故和失效的发生、发展过程作出判断，并可为事故和失效分析结论提供可靠的佐证和依据。
所谓痕迹分析就是对表面形貌（花样）的变化、成分的变化（或材料的迁移）、颜色的变化、表层组织、性能的变化、残余应力的变化、以及表面污染状态的变化等变化特征进行诊断鉴别，找出变化的原因，为事故和机械失效分析提供线索和证据。
其主要研究内容是：
①研究机械表面上形成痕迹的物理、化学过程（即机制）；
②研究痕迹对机械结构及其功能的影响；
③研究不同材料表面性能与痕迹的关系及其在机械失效分析中的应用；
④痕迹的理化检验方法；
在一般情况下，痕迹分析程序是；
①寻找、发现和显现痕迹；
②痕迹的提取、固定、显现、清洗、记录和保存；
③鉴定痕迹（这是痕迹分析的重点工作）一般原则是由表及里，由简而繁，先宏观后微观，先定性后定量。
遵循形貌一成分￣组织结构、性能的分析顺序；
④痕迹的模拟再现试验：
⑤综合性分析：
⑥做分析结论并写出有建设性意见的报告。
3．断口和裂纹分析技术
断口和裂纹分析一般包括宏观分析与微观分析两个方面。
前者指用肉眼或40倍以下的放大镜、实休显微镜对断口或裂纹进行观察分析，可有效地确定断裂起源和扩展方向：
后者指用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜等对断口或裂纹进行观察、鉴别与分析，可以有效地确定断裂类型与机理。
宏观分析和微观分析是不可分割的整体，二者不可互相取代，只能互相补充、互相促进。
过分依赖微观分析而不重视宏观分析，只根据几个微观视场的特征就作出判断，往往会导致全局性的判断失误；
反之，忽视微观分析只进行宏观分析，则可能得出肤浅乃至错误的结论。
断口和裂纹分析技术一般包括：
分析对象的确定与显示技术、观察与照相记录技术、识别与诊断技术、定性与定量分析技术及仪器与设备的使用技术等。
4．化学成分分析技术
在失效分析中，常常需要对失效零件的材料成分（包括定牌号、全成分或部分成分）、外来物（如擦痕或溅射附着物）、表面沉积物、腐蚀生成物及氧化物等进行定性或定量的分析，以便为最终的失效分析结论提供依据。
ａ．常规分析技术
该技术主要用于分析失效零件名义或宏观区域的材料成分，其主要方法有：
①湿法化学分析：
可准确分析含量较大的金属，阴离子的有无及其浓度；
②半定量发射光谱和原子吸收光谱：
用于分析合金成分；
③燃烧法：
用于测定金属中的碳、硫、氢、氮、氧的含量；
④点滴法：
可简单地定性分析金属中的合金元素、沉淀物、腐蚀产物、土壤等；
⑤红外、紫外光谱：
用于检测有机物质。
ｂ．表面及微区分析技术
在失效分析中，相对于名义或宏观区域的成分分析，失效零件的材料的表面成分及失效源区的微区成分分析更为重要，尤其是对表面损伤或者由于诸如夹杂、成分偏析等造成的失效。
目前主要的分析仪器有：
俄歇电子谱仪、离子探针、电子探针、ｘ射线能谱仪、ｘ射线波长谱仪等。
在扫描电镜上可装置俄歇电子谱仪、ｘ射线能谱仪、ｘ射线波长谱仪等，以满足微区成分分析的需要。
5．性能测试技术
对于一些重大的、复杂的断裂或变形失效，往往必须作力学性能方面的试验分析工作，优先考虑的试验有硬度试验、冲击试验等，若上述试验不足以说明结论意见时，可进一步取样作其它性能试验，如拉伸试验、ＫＩＣ，ｄａ／ｄＮ、耐磨性及腐蚀敏感性试验等。
6．无损检验技术
无损检验就是应用一些物理现象，在不改变材料或零件形状和性能（包括机械性能和化学性质）条件下，迅速可靠地确定其表面或内部裂缝和其他缺陷的大小、数量和位置的方法。
在失效分析中应用无损检测技术的目的在于：
①检查失效件的同批服役件、库存件，防止同类事故的发生，若能查出第二件、第三件，则更有利于失效性质及失效原因的分析判断；
②某些容器、管道、壳体，甚至一些复杂形状的系统装置出现裂纹或泄露时，常需要借助于无损检测技术来确定其确切部位，以便取样分析或采取相应的补救措施；
③在脆性破坏中，利用无损检验技术来检测监视临界裂纹长度，防止发生脆断。
无损检验是一门系统而复杂的新兴学科，其检验方法己有十多类，有的正在不断完善，并向着自动化，提高性能及灵敏度，使用电视装置等方面发展（如ｘ射线探伤、磁力探伤、超声波探伤等），有的还在发展中。
根据无损探伤的原理，其检验方法大致可分为五类：
放射性探伤、电磁探伤、声试验法探伤、渗透法探伤和热试验法探伤。
7．宏观残余应力测试
金属零件经各种冷热加工（如切削、磨削加工、装配、冷拔、热处理等）之后，其内部或多或少都存在残余应力。
残余应力的存在对材料的疲劳、耐腐蚀、尺寸稳定性都有影响，甚至在服役过程中引起相变。
据最近的调查分析，由于残余应力影响或导致的机械零件失效达80％以上。
因此在失效分析中，常需对机械零部件的残余应力进行测定。
宏观残余应力测定方法很多，如电阻应变片法、光弹性复膜法、脆性涂料法、ｘ射线法及声学法等。
面对如此繁多的失效分析实验检测技术，在进行某项具体的失效分析时该选用哪些检测技术，应根据失效现象的复杂程度，同时考虑失效分析的深度、时间性和经济性；
即要依据失效分析的实际需要，检测技术的适用性和经济性选用实验检测技术。
２．３系统分析方法
随着科技的不断进步，设备日益复杂庞大，其失效因素除物的因素外，还包括人的许多因素（如管理不善、判断失误、操作过失、责任心不强等）和软件方面的因素（如计算机程序错误）。
庞大复杂的设备可能的失效原因常常不止一个或几个，而是ＩＬ十个、甚至更多；
若仅用物理失效方法难于解决复杂系统的失效分析任务。
而且目前一般的失效分析都是“手工”操作，分析耗时长，对核电站泄漏之类需在较短时间作出判断和处理的情况很难胜任。
因此，对复杂而紧迫的设备失效分析，必须应用系统工程的思想和方法。
失效分析的系统工程方法有许多种，其中最常见的有：
故障树分析法（FTA）、特征一因素图分析法、失效模式与后果分析法（FMEA）、事件时序树分析法（ETA）等。
此外，日本石川发明的特征一因素图分析法是将己表现出来的失效或异常现象（即表现出的结果称作特征）和引起这些现象的那些因素，用“鱼骨”结构联系起来，通过分析找出这些现象的直接原因。
事件时序树分析法从认为是失效原因的初始事件出发，按时间顺序追踪，到设备或系统失效的最终事件为止（相当FTA的顶端事件），按零件的功能和应用的顺序，把在阻止事件发生上是成功的或失败的事件展开成树形图。
ETA是从原因到结果，正好与FTA相反。
２.４本章小结
本章主要介绍了失效分析的基本概念、失效的主要来源及模式、常用的失效分析方法及技术和失效的系统分析方法。
失效分析技术中主要介绍了感官检查诊断技术、痕迹发现技术、断口和裂纹分析技术、化学成分分析技术、性能测试技术、无损检验技术、宏观残余应力测试。
失效的系统分析方法则主要介绍了FTA及FMEA两种方法。
第三章MWM-V6型柴油机曲轴断裂原因分析
本章分析了MWM-V6型柴油机曲轴断裂原因，结果表明锻件过热过烧是导致断裂的直接原因；
曲轴热处理工艺不规范、不完善，曲轴工作润滑条件不良加速了曲轴断裂。
本章还对加强生产过程中的质量管理和失效分析工作提出了意见．
该MWM-V6型柴油机曲轴，作为某渔船主机，于1997年11月装船作业，至1998年1月发生曲轴断裂事故。
断裂发生于B1缸连杆轴颈，属典型的早期断裂。
该曲轴采用42CrMo电渣重熔钢制造，其主要工艺流程为：
下料-模锻-调质-冷加工-中频感应淬火-回火-精磨。
大约同期出厂的一批柴油机发生多起类似的断轴事故。
其模锻件由模锻件厂供货，其他工序在柴油机生产厂完成。
中频淬火只对轴颈平直段进行，轴颈与曲柄连接的过渡圆角部位，因后续磨削工艺装备尚未完善而不进行中频淬火处理。
按技术条件规定轴颈经表面淬火后，其硬度达586HRC。
MWM机型是我国近年来引进的柴油机系列产品，目前正处于技术消化和应用推广阶段，其生产过程中，因某些工艺环节尚存在不尽完善或不太合理的地方而影响产品质量，导致个别零件早期失效，是在所难免的，属于发展中的问题，需在实践中不断改进，日臻完善，完成国产化进程。
但该MWM-V6机因曲轴断裂，使整机寿命只有几十个小时，当属严重的质量事故。
对此类事故，若不查明原因，采取改进措施，防止类似事故重复发生，该产品将丧失其机械产品信誉和竞争能力。
3.1实验结果与分析
3.1.1断裂宏观检查
该连杆轴颈靠近断口一端严重磨损，表面粗糙，呈焦油色，该区域内的断口表面也呈焦油色。
整个断口表面较粗糙，部分呈粗糙的贝纹花样，贝纹间隔为3-5mm,属疲劳断裂区；
部分为静段区，呈暗灰色，其中两处有石状断口特征。
疲劳区约占断口总面积62%。
3.1.2轴颈表面残余应力测定
轴颈表面残余应力测定利用ｘ射线方法测（211）衍射谱线半高宽ß
确定轴颈表面残余应力，测试结果表明，在过渡圆角未淬火部位出现残余拉应力约35MPa，己淬火表面均为残余压应力，轴颈中段残余压应力平均为800MPa，如图3
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