船舶柴油机曲轴裂纹的动态监测研究与磁记忆参数分析.pdf

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1、廖建彬，等：船舶柴油机曲轴裂纹的动态监测研究与磁记忆参数分析廖建彬，蔡振雄(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)提要曲轴是柴油机最主要的部件之一。疲劳断裂是曲轴的主要故障。研究基于金属磁记忆检测技术的柴油机曲轴动态监测，并对检测的磁记忆参数进行分析，得出相应的结论。关键词柴油机曲轴金属磁记忆动态监测中图分类号U664文献标识码A1引言曲轴是柴油机最主要的运动部件之一，其状态好坏直接影响到柴油机的正常运行和船舶的安全营运。曲轴疲劳断裂是曲轴的主要故障之一，目前对于曲轴损伤的检测通常是在事后的检修或通过对滑油的检测来进行判断，具有明显的滞后性。本文研究了采用金属磁记忆检测

2、技术对柴油机曲轴进行在线监测，可在曲轴发生破坏之前给予预警，防止破坏发生。值(K=dH，(3，)／dx)，便可以准确地推断出工件的应力集中区[5

3、。图1磁记忆检测原理图在役设备的构件，由于其结构遗传性和运行中负载的关系[6]，金属的磁记忆以累积方式表现出来。运行中构件载荷作用力的大小和方向会引起金属磁化在量值和方向上的变化。被检测构件△Z段上的漏磁场H。的变化与机械应力厶各向异性的关系为’HH。一L血(1)2金属磁记忆检测技术简介式中金属磁记忆检测技术(MMMT)是无损检测领域的一门新学科‘1]．[2’，该技术是20世纪90年代后期出现的一种新型金属无损检测技术[3]，该技术

4、借助于天然的地磁场作用，金属内部各种微观缺陷和局部应力集中对磁作用的特殊反应机制，能够对铁磁性金属构件进行早期诊断和寿命的评估工作[4]。磁记忆检测原理可以表述为，处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场H。的变化。即磁场的切向分量H。(z)具有最大值，而法向分量H。(了)改变符号且具有零值点(如图1所示)，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后仍继续保留。通过漏磁场法向分量H，(y)的测定及K基金项目：福建省科学基金项目资助：船舶动力装置轴系裂纹故障的磁记忆动态诊断技术研究(

5、A0410022)04--05。作者简介：廖建彬(1976一)，男，讲师。∥oAH——压磁系数，血——外力的变化，肋——真空磁导率。根据式(1)可通过对检测的漏磁场情况来确定△Z段上的应力△盯水平【7]。金属磁记忆诊断技术就是利用缺陷或缺陷形成之前的微区变化在地球磁场作用下主动发出磁场变化信息的这样一种特性，间接地判断铁磁性部件是否存在缺陷或应力集中区[8]。3柴油机曲轴的疲劳破坏分析曲轴是柴油机最重要的机件之一，一般用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。凸轴在柴油机中所占重量约为整个柴油机的10％，成本约为整机的20％[9]。船舶柴油机曲轴形状复杂，工作条件恶劣，受力复杂，容易产生

6、疲劳断裂。曲轴在回转过程中受到各缸交变的气体力、往复惯性力和离心力以及由其所引起的弯矩、扭矩的作用，这些力不仅随曲柄转角变化，也随负荷变化。造船技术2010年第4期(总第296期)因此，曲轴在这些力的作用下发生弯曲和扭转变形，产生复杂的交变应力和引起曲轴的弯曲振动、扭转振动，从而又产生很大的附加应力。由于曲轴的形状复杂，截面变化较多，刚性很差，如果存在严重的应力集中，就容易产生疲劳破坏[10

7、。3．1曲轴的弯曲疲劳破坏曲轴的弯曲疲劳裂纹一般发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接的过渡圆角处，或逐渐扩展成横断曲柄臂的裂纹，或形成垂直轴线的裂纹。3．2曲轴的扭转疲劳破坏曲轴在扭转力矩

8、作用下产生交变的扭转应力，存在扭振时还会产生附加交变扭转应力，严重时会引起曲轴的扭转疲劳破坏。扭转疲劳裂纹一般发生在曲轴应力集中严重的油孔或过渡圆角处，并在轴颈上沿着与轴线成45。角的两个方向扩展，如图2所示。这是因为轴颈的抗扭截面模数较曲柄臂的小，所以扭转疲劳裂纹多自过渡圆角向轴颈扩展，而很少向曲柄臂发展。卜一弯曲疲劳裂纹；卜一扭转疲劳裂纹图2曲轴的疲劳断裂3．3曲轴的弯曲——扭转疲劳破坏曲轴的疲劳破坏还可能是由于弯曲和与扭转共同作用造成。常常由于主轴承不均匀磨损造成曲轴上弯曲疲劳破坏，继而在弯曲与扭转的共同作用下使裂纹扩展、断裂，最后断面于轴线成45。角。4曲轴的断裂力学

9、分析机件在交变载荷作用下经长时间工作而发生断裂的现象叫做金属的疲劳。疲劳断裂时没有明显的塑性变形，断裂是突然发生的，常造成严重的事故。柴油机曲轴的断裂也是属于疲劳断裂。由线弹性断裂力学可知，应力强度因子K，与裂纹体应力口、裂纹长度a和裂纹几何因子，(y)有关系式D1]Kf—f(y)aq石(2)根据Paris公式[121，疲劳裂纹扩展速率d口／dN—C(AK)“，a为计算裂纹长度，N为循环数，AK为应力强度因子幅值，它与应力幅值西成正比，C和”为Paris参数，主要与材料性质有关Ds]。根据断裂力学理论，