柴油机曲轴的疲劳强度评定

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1、柴油机曲轴的疲劳强度评定王民摘要：柴油机曲轴强度对保障船舶的安全性有着重要意义，本文首先介绍了柴油机曲轴疲劳强度评定方法，并给出柴油机动力计算中交变弯矩、交变压应力的计算方法。本文探讨了IACSM53计算方法的合理性，指出强度评定中的常见错误并给出改进建议。本文中部分意见已被船级社规范采纳，并用于实际曲轴强度校核。关键词：曲轴强度评定、疲劳强度、IACSM531．前言曲轴是影响船舶柴油机可靠性最关键的零部件，柴油机的可靠性在很大程度上依靠曲轴的可靠性。由于曲轴无法采用冗余设计，不得不提高自身的可靠性，因此国际船级社协会(IACS)制订了曲轴强度校核的统一要求(IACSU

2、RM53)。曲轴在工作时承受缸内的气体力、往复和旋转质量惯性力、扭转力等的作用。施加在连杆轴颈上的径向力使曲轴承受弯曲作用，切向力使曲轴承受扭矩，同时轴系带来的扭转振动、纵向振动、曲轴形状弯曲等都影响曲轴强度。曲轴承受的切向力和径向力都是随时间周期变化的量，曲轴各处的应力也具有周期变化的性质。对曲轴断裂事故进行实际分析证明，大多数断轴事故是疲劳破坏，因此URM53采用了疲劳强度评价准则，主要评价曲轴圆根及油孔处的疲劳强度。本文介绍根据M53及中国船级社规范进行柴油机曲轴强度分析的实用方法，研究实际计算中常见的问题。通过对比几种曲轴疲劳强度计算方法，对船舶规范和M53提出

3、修改建议。由于大型低速机计算相对简单，所以本文以V型中速机为例。2．IACS曲轴疲劳强度评定方法国际船级社协会IACSURM53船舶柴油机曲轴疲劳强度校核准则，来源于国际内燃机学会（CIMAC）的通用计算方法，并被各船级社所采纳，广泛应用于船舶柴油机曲轴设计。通过曲轴疲劳强度计算，可以计算出曲轴在主轴颈、曲柄销颈、油孔处的名义交变弯曲应力、名义压应力、名义交变扭转应力，然后乘以应力集中系数，并根据最大应变能强度理论，合成为一当量交变应力，然后同材料的疲劳强度值进行比较，M53要求该比值（即合格系数）不小于1.15，以评判曲轴强度是否满足要求。进行曲轴疲劳强度评价包括三个

4、方面，即循环工作应力、对称循环疲劳强度、评价准则。2.1循环工作应力计算模型和柴油机动力计算方法循环工作应力的计算有很多种方法，如简支梁法、连续梁法、三维有限元法等。M53中采用了简支梁法。即，名义交变弯曲应力的计算基于静定系统，把单位曲柄当作一简支梁考虑，梁的长度为主轴承中心线距离，所受集中力为连杆推力作用在曲柄销，力和弯矩的计算见图1。图1V型机曲拐简支梁模型M53没有给出明确的柴油机动力计算方法，设计者可以采用通用的设计手册或动力计算软件进行计算。通过动力计算，可根据一个工作循环内不同曲轴角下的气缸气体力曲线或表格，计算出惯性力、活塞合成力、连杆推力。我们可根据柴

5、油机设计手册编制Excel计算表格，见表1。表格1柴油机连杆推力计算数据曲轴角气缸气体力运动件惯性力活塞合成力连杆推力活塞侧向力连杆力切向力连杆力径向力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动力计算的第二步，是以动力计算得出的连杆力为基础，计算出曲柄臂交变径向压力和交变弯矩。

6、M53简支梁模型中力和弯矩的定义，按照图1，某V型柴油机计算见表格2和3，分别计算出了曲柄臂交变压力和弯矩值以及曲柄销油孔交变弯矩值。表格2曲柄臂交变压力和弯矩计算曲轴角连杆1径向力连杆1支反力连杆2径向力连杆2支反力总支反力QR曲柄臂弯矩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名义交变值231.29926.160表格3曲柄销油孔处弯矩曲

7、轴转角法向支反力1法向支反力2总法向支反力法向力弯矩切向支反力1切向支反力2总切向支反力切向力弯矩合成弯矩度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名义交变弯矩40.082.2曲柄销主轴颈圆角及油孔处交变合成应力的计算合成应力的计算根据VONM