柴油機(jī)曲軸的疲勞強(qiáng)度評(píng)定

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1、柴油機(jī)曲軸的疲勞強(qiáng)度評(píng)定王民摘要：柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度對(duì)保障船舶的安全性有著重要意義，本文首先介紹了柴油機(jī)曲軸疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法，并給出柴油機(jī)動(dòng)力計(jì)算中交變彎矩、交變壓應(yīng)力的計(jì)算方法。本文探討了IACSM53計(jì)算方法的合理性，指出強(qiáng)度評(píng)定中的常見錯(cuò)誤并給出改進(jìn)建議。本文中部分意見已被船級(jí)社規(guī)范采納，并用于實(shí)際曲軸強(qiáng)度校核。關(guān)鍵詞：曲軸強(qiáng)度評(píng)定、疲勞強(qiáng)度、IACSM531．前言曲軸是影響船舶柴油機(jī)可靠性最關(guān)鍵的零部件，柴油機(jī)的可靠性在很大程度上依靠曲軸的可靠性。由于曲軸無法采用冗余設(shè)計(jì)，不得不提高自身的可靠性，因此國際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)制訂了曲軸強(qiáng)度校核的統(tǒng)一要求(IACSU

2、RM53)。曲軸在工作時(shí)承受缸內(nèi)的氣體力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力、扭轉(zhuǎn)力等的作用。施加在連桿軸頸上的徑向力使曲軸承受彎曲作用，切向力使曲軸承受扭矩，同時(shí)軸系帶來的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng)、曲軸形狀彎曲等都影響曲軸強(qiáng)度。曲軸承受的切向力和徑向力都是隨時(shí)間周期變化的量，曲軸各處的應(yīng)力也具有周期變化的性質(zhì)。對(duì)曲軸斷裂事故進(jìn)行實(shí)際分析證明，大多數(shù)斷軸事故是疲勞破壞，因此URM53采用了疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，主要評(píng)價(jià)曲軸圓根及油孔處的疲勞強(qiáng)度。本文介紹根據(jù)M53及中國船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度分析的實(shí)用方法，研究實(shí)際計(jì)算中常見的問題。通過對(duì)比幾種曲軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法，對(duì)船舶規(guī)范和M53提出

3、修改建議。由于大型低速機(jī)計(jì)算相對(duì)簡單，所以本文以V型中速機(jī)為例。2．IACS曲軸疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法國際船級(jí)社協(xié)會(huì)IACSURM53船舶柴油機(jī)曲軸疲勞強(qiáng)度校核準(zhǔn)則，來源于國際內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)（CIMAC）的通用計(jì)算方法，并被各船級(jí)社所采納，廣泛應(yīng)用于船舶柴油機(jī)曲軸設(shè)計(jì)。通過曲軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，可以計(jì)算出曲軸在主軸頸、曲柄銷頸、油孔處的名義交變彎曲應(yīng)力、名義壓應(yīng)力、名義交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，然后乘以應(yīng)力集中系數(shù)，并根據(jù)最大應(yīng)變能強(qiáng)度理論，合成為一當(dāng)量交變應(yīng)力，然后同材料的疲勞強(qiáng)度值進(jìn)行比較，M53要求該比值（即合格系數(shù)）不小于1.15，以評(píng)判曲軸強(qiáng)度是否滿足要求。進(jìn)行曲軸疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)包括三個(gè)

4、方面，即循環(huán)工作應(yīng)力、對(duì)稱循環(huán)疲勞強(qiáng)度、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。2.1循環(huán)工作應(yīng)力計(jì)算模型和柴油機(jī)動(dòng)力計(jì)算方法循環(huán)工作應(yīng)力的計(jì)算有很多種方法，如簡支梁法、連續(xù)梁法、三維有限元法等。M53中采用了簡支梁法。即，名義交變彎曲應(yīng)力的計(jì)算基于靜定系統(tǒng)，把單位曲柄當(dāng)作一簡支梁考慮，梁的長度為主軸承中心線距離，所受集中力為連桿推力作用在曲柄銷，力和彎矩的計(jì)算見圖1。圖1V型機(jī)曲拐簡支梁模型M53沒有給出明確的柴油機(jī)動(dòng)力計(jì)算方法，設(shè)計(jì)者可以采用通用的設(shè)計(jì)手冊或動(dòng)力計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。通過動(dòng)力計(jì)算，可根據(jù)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)不同曲軸角下的氣缸氣體力曲線或表格，計(jì)算出慣性力、活塞合成力、連桿推力。我們可根據(jù)柴

5、油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編制Excel計(jì)算表格，見表1。表格1柴油機(jī)連桿推力計(jì)算數(shù)據(jù)曲軸角氣缸氣體力運(yùn)動(dòng)件慣性力活塞合成力連桿推力活塞側(cè)向力連桿力切向力連桿力徑向力Degkgf/cm^2kNkNkNkNkNkN0140.360-141.290640.664640.6640.0000.000640.6645147.280-140.431680.352680.51414.84274.082676.469…720140.360-141.290640.664640.6640.0000.000640.664動(dòng)力計(jì)算的第二步，是以動(dòng)力計(jì)算得出的連桿力為基礎(chǔ)，計(jì)算出曲柄臂交變徑向壓力和交變彎矩。

6、M53簡支梁模型中力和彎矩的定義，按照?qǐng)D1，某V型柴油機(jī)計(jì)算見表格2和3，分別計(jì)算出了曲柄臂交變壓力和彎矩值以及曲柄銷油孔交變彎矩值。表格2曲柄臂交變壓力和彎矩計(jì)算曲軸角連桿1徑向力連桿1支反力連桿2徑向力連桿2支反力總支反力QR曲柄臂彎矩MBR度kNkNkNkNkNkN-m0640.664360.13-38.6979-14.41345.7239.105676.469380.25-51.8492-19.31360.9540.82…720640.664360.13-38.6979-14.41345.7239.10名義交變值231.29926.160表格3曲柄銷油孔處彎矩曲

7、軸轉(zhuǎn)角法向支反力1法向支反力2總法向支反力法向力彎矩切向支反力1切向支反力2總切向支反力切向力彎矩合成彎矩度kNkNkNkN-mkNkNkNkN-mkN-m0385.40-15.42369.9859.910.0022.1822.183.5959.915406.94-20.66386.2862.5544.5723.9868.5511.1062.55…720385.40-15.42369.9859.910.0022.1822.173.5959.91名義交變彎矩40.082.2曲柄銷主軸頸圓角及油孔處交變合成應(yīng)力的計(jì)算合成應(yīng)力的計(jì)算根據(jù)VONM