中高压压缩机曲轴断裂失效分析

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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-，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。

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。

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，减衅算规模。最终形成的曲轴有限元网格见图1。

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，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。

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限制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-)，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。

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0 m149MPa。

图3 曲轴应力分布云图2.2静强度校核按第-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]-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，- - (2) 扭转应力作用下的安全系数，- - (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 131； 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 00.15，1lr 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n2.227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-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-旦萌生，-般情况下进-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-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- 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. - 技术交流 石油和化工设备 2013年第16卷漏时间，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-定改善，当出现严重污染时，必须对质谱探头进行清洗，彻底清除污染膜。