Zawartość: wał korbowy
- Co to jest wał korbowy?
- Materiał i produkcja wałów korbowych
- Schemat wału korbowego
- Procedura projektowania wału korbowego
- Ugięcie wału korbowego
- Wykreślanie krzywej ugięcia wału korbowego
- Studium przypadku awarii morskiego wału korbowego
- Analiza awarii wału korbowego silnika Boxer Diesel: studium przypadku
- Analiza zniszczenia zmęczeniowego wału korbowego: przegląd
- Awaria wału korbowego silnika Diesla: studium przypadku
Co to jest wał korbowy?
Wał korbowy można opisać jako element używany do przekształcania ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka w ruch wału w ruch obrotowy lub odwrotnie. Krótko mówiąc, jest to wałek z mocowaniem korbowym.
Typowy wał korbowy składa się z trzech sekcji:
- Sekcja wału, która obraca się wewnątrz głównych łożysk.
- Korby
- Ramiona korby lub żebra.
Jest to podzielone na dwa typy według położenia korby:
- Boczny wał korbowy
- Centralny wał korbowy
Wał korbowy można dalej sklasyfikować w Wały korbowe jednoskokowe i wały korbowe wielotorowe w zależności od nr. korb w wale. Wał korbowy, który posiada tylko korbę centralną lub korbę jednostronną, jest uprawniony jako wał korbowy jednostronny. Wał korbowy z 2 lub wieloma korbami środkowymi lub „2” bocznymi korbami, „1” na każdym końcu, jest uznawany za „wielowypustowy wał korbowy”. Konfiguracja bocznej korby charakteryzuje się prostotą geometryczną, jest stosunkowo prosta w produkcji i montażu. Mogą być używane z prostymi łożyskami ślizgowymi i są stosunkowo tańsze niż centralny wał korbowy.
Centralna konfiguracja korby zapewnia lepszą stabilność i zrównoważenie sił przy mniejszych indukowanych naprężeniach. Ich koszt produkcji jest wysoki, a do montażu wymagane jest dzielone łożysko korbowodu. W zastosowaniach, które wymagają wielu tłoków pracujących w fazie, wał korbowy wielowypustowy można opracować, umieszczając kilka centrów korb obok siebie, w określonej kolejności, wzdłuż wspólnej osi obrotu. Rzuty są indeksowane rotacyjnie, aby zapewnić pożądane fazowanie.
Wielocylindrowe silniki spalinowe, takie jak silniki rzędowe i silniki serii V, wykorzystują wał korbowy wieloobrotowy. Wszystko typy wałów korbowych Poczuj siły dynamiczne generowane przez obracający się mimośrodowy środek masy na każdym czopie korbowym. Często konieczne jest zastosowanie przeciwwag i wyważania dynamicznego, aby zminimalizować siły drgań, siłę pociągową i pary kołysające generowane przez siły bezwładności.
Materiał i wykonanie wałów korbowych:
Wał korbowy często doświadcza wstrząsów i zmęczenia podczas obciążenia. W związku z tym materiał wału korbowego musi mieć większą wytrzymałość i lepszą odporność na zmęczenie. Zazwyczaj są to wyroby ze stali węglowej, niektórych materiałów stalowych lub żeliwnych. W przypadku silników stosowanych w przemyśle wały korbowe są generalnie wytwarzane ze stali węglowej, takiej jak 40-C-8, 55-C-8 i 60-C-4.
W silniku transportowym do przygotowania wałów korbowych powszechnie stosuje się stal manganową, tj. 20-Mn-2, 27-Mn-2 i 37-Mn-2. W silnikach lotniczych do produkcji wału korbowego na ogół wykorzystuje się stal niklowo-chromową, taką jak 35-Ni-1-Cr-60 i 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28.
Wały korbowe są zwykle wykańczane metodą kucia matrycowego lub odlewania. Utwardzanie powierzchni czopu korbowego jest zakończone w procesie nawęglania, azotowania lub hartowania indukcyjnego. Wybrane materiały wału korbowego muszą spełniać zarówno wymagania dotyczące wytrzymałości konstrukcyjnej, jak i wymagania dotyczące zużycia w miejscu łożyskowania.
W typowym zastosowaniu wału korbowego miękkie, ciągliwe tuleje są mocowane do korbowodu lub ramy, więc materiał wału korbowego musi mieć zdolność do tworzenia twardej powierzchni w miejscach łożysk. Wiele materiałów może spełniać wymagania dotyczące wytrzymałości strukturalnej, ale zapewnienie odporności na zużycie w miejscach łożyskowania zawęża listę dopuszczalnych kandydatów.
Ze względu na asymetryczną geometrię wiele wałów korbowych zostało wyprodukowanych przez odlewanie lub kucie „półfabrykatu”, który ma być poddany obróbce wykańczającej później. W niektórych zastosowaniach używa się złożonych konstrukcji spawanych. Tradycyjnie do wałów korbowych używano żeliwa, staliwa i stali kutej. Codzienne stosowanie selektywnie nawęglanych i hartowanych powierzchni łożysk.
Procedura projektowania wału korbowego
Podczas projektowania należy postępować zgodnie z następującą procedurą.
- Oblicz wielkość różnych obciążeń działających na wał korbowy.
- Zgodnie z obciążeniami oblicz odległość między konstrukcjami wsporczymi i położeniami.
- Aby projekt był uproszczony i bezpieczny, wał musi być podparty w środku łożyska i wszystkie siły i reakcje muszą działać w tych punktach. Odległość między podporami zależy od długości łożyska, która zwykle zależy od średnicy wału jako tolerowanych nacisków łożyska.
- Oczekuje się, że grubość środników będzie wynosić od 0.4 d do 0.6 d, gdziekolwiek „ds” oznacza średnicę wału. Zwykle przyjmuje się od 0.22 * D do 0.32 * D, gdzie D jest średnicą otworu cylindra w mm.
- Tutaj i teraz oszacuj odległość między konstrukcjami wsporczymi.
- Przyjmując dopuszczalne naprężenia zginające i ścinające dla materiału wału korbowego, znajdź wymiar wału korbowego.
Ugięcie wału korbowego
Wał korbowy składa się z segmentów wału głównego, indywidualnie wzmocnionych przez łożysko główne, a następnie z kilku wałów żebrowych, na których będzie się obracać określony korbowód tłoka. Wyrzutnia, czyli sworznie korby i ramiona łączące muszą być prostopadłe bez ugięcia. Jeśli tak nie jest, powoduje to nietypowe zużycie głównych łożysk. Czujnik zegarowy wykrywa niewspółosiowość wału korbowego między ramionami korby. Jest to nierównomierne zużycie, które występuje pomiędzy kilkoma segmentami centralnej osi wału korbowego.
Wykreślanie krzywej ugięcia wałów korbowych
- Z linii środkowej wału korbowego narysowana jest równoległa do niego linia prosta, a następnie prostopadłe linie z każdej jednostki są rysowane w kierunku tej równoległej linii.
- Po uwzględnieniu ugięcia wału korbowego dla każdego zespołu, uzyskane wartości są odnotowywane nad każdym zespołem ramienia korby na powyższym wykresie.
- Wykreślić odległość -5.0 mm, która jest pierwszym odczytem odchylenia, w dół (dla wartości ujemnej i w górę dla wartości dodatniej) od linii odniesienia na środkowej linii urządzenia i uzyskać linię „ab”, która jest pod kątem proporcjonalnym do ugięcie w „a”.
- Linia ta jest przedłużana, aby przecinała linię środkową następnej jednostki. Kolejnym krokiem jest obliczenie odchylenia od tego punktu połączenia i połączenie punktu z poprzedniego punktu, który przesunie się do linii „bc”. Kroki należy powtórzyć aż do zakończenia.
- Narysuj gładką krzywą między tymi punktami i porównaj położenie tej krzywej w odniesieniu do linii bazowej XY. Na powyższym wykresie krzywa narysowana na podstawie odczytów jednostek 1 i 2 jest zbyt daleko od linii bazowej w porównaniu z resztą krzywej i dlatego wymaga uwagi.
Studium przypadku awarii morskiego wału korbowego
Przeprowadzone studium przypadku dotyczy tragicznej awarii morskiego wału korbowego ramienia. Wał korbowy jest poddawany dużemu zginaniu i skręcaniu, a także analizowany jest ich łączny wpływ na uszkodzenie wału korbowego. Obserwacje mikroskopowe sugerują, że inicjacja pęknięcia rozpoczęła się na filecie czopa korbowego w wyniku zginania obrotowego, a propagacja była połączeniem cyklicznego zginania i stałego skręcania. Liczbę cykli od zapoczątkowania pęknięcia do ostatecznej awarii wału korbowego ustalono na podstawie odczytów pracy silnika głównego na pokładzie. Uwzględniono wzorce pozostawione na powierzchni pęknięcia zmęczeniowego.
Wykorzystując mechanikę liniowego pękania sprężystego, obliczone cykle wykazały, że propagacja była szybka. Pokazuje również, że poziom naprężeń zginających był dość wysoki w porównaniu z całkowitą liczbą cykli pracy silnika głównego. Nie zaobserwowano wad ani wtrąceń mikrostruktury; zatem wskazuje, że awaria była spowodowana przyczyną zewnętrzną, a nie wewnętrzną wadą wewnętrzną.
Materiał wału korbowego miał konfigurację (42CrMo4 + Ni + V) (skład chemiczny,%: C = 0.39; Si = 0.27; Mn = 0.79; P = 0.015; S = 014; Cr = 1.14; Mo = 0.21; Ni = 0.45; V = 0.10). Uszkodzony wał korbowy głównego silnika. Ramię korby nr. 4 jest uszkodzony. Analizowano materiał w pobliżu obszaru inicjacji pęknięcia, który wykazał mikrostrukturę bainityczną. Materiał miał twardość Vickers285.
Zmęczenie wygląda jak na dwóch różnych powierzchniach, jednej pionowej względem wału korbowego, a drugiej w płaszczyźnie poziomej z wałem korbowym ze strefami przełączania pomiędzy dwoma płaszczyznami. Tak więc tragiczna awaria powyższego morskiego wału korbowego była wynikiem zmęczenia i połączona z obrotowym zginaniem ze stałym skręcaniem. Prowadzone są badania, obserwacje i rozwój nowych wałów korbowych w celu uniknięcia tego typu awarii.
Numer referencyjny:
Fonte MA, Freitas MM. Analiza uszkodzeń wału korbowego głównego silnika okrętowego: studium przypadku, Engineering Failure Analysis 16 (2009) 1940–1947
Analiza awarii wału korbowego silnika Boxer Diesel: studium przypadku
Raport dotyczy analizy stanu awaryjnego wału korbowego silnika wysokoprężnego typu boxer. Wał korbowy to element, który podlega bardziej złożonemu obciążeniu dynamicznemu z powodu zginania obrotowego, uzupełnionego skręcaniem i zginaniem czopa korbowego. Wały korbowe poddawane są obciążeniom wieloosiowym. Naprężenia zginające i ścinające spowodowane skręcaniem i obciążeniami skrętnymi z powodu przenoszenia mocy. Wały korbowe są wytwarzane ze stali kutej, żeliwa sferoidalnego i żeliwa sferoidalnego odpuszczanego aus.
Powinny mieć odpowiednią wytrzymałość, ciągliwość, twardość i dużą wytrzymałość zmęczeniową. Muszą być łatwe w obróbce mechanicznej, obróbce cieplnej i kształtowaniu. Obróbka cieplna zwiększa odporność na zużycie; tak więc wszystkie wały korbowe do silników wysokoprężnych są poddawane obróbce cieplnej. Są utwardzane powierzchniowo w celu zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej. Wysokie naprężenia obserwuje się w strefach krytycznych, takich jak zaokrąglenia wstęgi i skutki siły odśrodkowej spowodowane przenoszeniem mocy i wibracjami. Pęknięcie zmęczeniowe w pobliżu obszaru zaokrąglenia środnika jest główną przyczyną uszkodzenia wału korbowego, ponieważ generowanie pęknięć i propagacja zachodzą w tej strefie.
Specyfikacje wału korbowego silnika skrzynkowego to: przemieszczenie = 2000 cu. cm, średnica cylindra = 100 mm, maksymalna moc = 150 KM, maksymalny moment obrotowy = 350 Nm. Zaobserwowano, że po przejechaniu 95,000 2000 km w eksploatacji dochodzi do awarii wału korbowego. W prawie XNUMX wyprodukowanych silników wystąpiła awaria zmęczeniowa. Po przeprowadzeniu analiz stwierdzono, że główną przyczyną awarii wału korbowego były osłabienie dwóch centralnych stalowych powłok i uplastycznienie mostów płytowych na skutek pęknięcia.
Amplituda zginania wału korbowego wzrasta z powodu słabości popękanych stalowych skorup i mostków płyty fundamentowej, które znajdują się pod nimi. Z pewnością nie było dowodów na wady materiałowe lub niewspółosiowość głównych łożysk ślizgowych. Niszczycielska awaria wału korbowego była spowodowana wadliwą konstrukcją stalowych panewek nośnych i mostów płytowych. Ulepszony projekt producenta rozwiąże ten problem.
Numer referencyjny:
M. Fonte i in., Crankshaft failure analysis of a boxer diesel motor, Engineering Failure Analysis 56 (2015) 109–115.
Analiza zniszczenia zmęczeniowego wału korbowego: przegląd
W artykule analizowana jest pierwotna przyczyna pęknięcia wału korbowego sprężarki powietrza przy użyciu różnych metod i parametrów, takich jak skład chemiczny, właściwości mechaniczne, charakterystyka makroskopowa i mikroskopowa oraz obliczenia teoretyczne. Niniejsza praca ma również na celu poprawę konstrukcji, wytrzymałości zmęczeniowej i niezawodności pracy wału korbowego. Wał korbowy użyty w tym badaniu to stal 42CrMo, która jest kuta, obrabiana cieplnie i azotowana w celu zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej wału korbowego. Procedura analizy przyczyny pęknięcia wału korbowego składa się z trzech części:
- Analiza eksperymentalna wału korbowego
- Cechy makroskopowe i analiza mikrostruktury
- Obliczenia teoretyczne
Przeprowadzana jest analiza pierwiastków chemicznych w celu dokładnego określenia składu chemicznego materiału wału korbowego i sprawdzenia, czy są poniżej standardowych wartości dopuszczalnych. Odbywa się to za pomocą spektrometru. Pęknięte powierzchnie są podzielone na trzy obszary: (1) obszar inicjacji pęknięcia zmęczeniowego, (2) obszar rozszerzalności zmęczeniowej i (3) obszar statycznego pęknięcia.
Podczas analizy stwierdzono, że szybkość wzrostu pęknięć zmęczeniowych jest wysoka ze względu na duże zginanie. Niewspółosiowość głównych czopów i małych zaokrągleń względem otworu smarowego są głównymi przyczynami dużego zginania. Pęknięcie zmęczeniowe zostało zapoczątkowane na krawędzi otworu smarowego i w ten sposób doprowadziło do pęknięcia. Ślady na plaży powstałe w wyniku niewielkich przeciążeń podczas uruchamiania i zatrzymywania sprężarki nie były widoczne. W określonym cyklu obrotowym po okresie standardowej pracy powstają mikropęknięcia na skutek wysokiej obezwładniający stres na filecie otworu smarnego pojawiła się koncentracja. Jednakże wał korbowy może nadal znajdować się w stanie zbliżonym do normalnego stanu roboczego.
Wraz z wydłużaniem się czasu pracy, fluktuacja również rosła, prowadząc do propagacji pęknięć do obszaru statycznego pęknięcia, prowadząc do całkowitej awarii. Obserwacja mikroskopowa powierzchni pęknięcia wykonana za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), która wykazała, że przyczyną pęknięcia wału korbowego było pęknięcie na krawędzi otworu smarującego. Zgodnie z obliczeniami teoretycznymi uzyskuje się krzywą bezpieczeństwa dla otworu smarnego i obszaru zaokrąglenia, która pomaga zidentyfikować najsłabsze sekcje.
Poprawiając jakość powierzchni i zmniejszając chropowatość powierzchni, można zwiększyć niezawodność wału korbowego. Prawidłowe wyrównanie głównych czopów zmniejszy indukowane naprężenia zginające i zwiększy trwałość zmęczeniową wału korbowego.
Numer referencyjny:
W.Li i in., Analysis of Crankshaft fatigue failure, Engineering Failure Analysis 55 (2015) 139–147.
Awaria wału korbowego silnika Diesla: studium przypadku
W artykule przeprowadzono analizę uszkodzeń, analizę modalną i analizę naprężeń wału korbowego silnika wysokoprężnego. Aby ocenić pęknięcie materiału wału korbowego, przeprowadzono zarówno oględziny, jak i badanie. Zastosowano silnik S-4003, a jego wał korbowy pękł w pobliżu czopa korbowego cztery po 5500 godzinach pracy. Wał korbowy uległ uszkodzeniu po około 30-700h pracy silnika. Dodatkowa analiza wykazała obecność mikropęknięć w pobliżu drugiego czopu korbowego i drugiego czopu. Badanie wykazało, że główną przyczyną awarii był wadliwy proces szlifowania.
Do dalszej analizy eksperymentalnej wycięto próbkę z uszkodzonej części. Aby zidentyfikować przyczyny nagłej awarii wału korbowego, zastosowano nieliniową analizę metodą elementów skończonych. Analizę przeprowadzono w celu określenia naprężeń wywoływanych w wale na skutek cyklicznych warunków obciążenia podczas pracy silnika z maksymalną mocą.
Analiza numeryczna służy do znalezienia związku między korbowodem a wałem korbowym poprzez zastosowanie złożonych warunków brzegowych. W celu wyznaczenia postaci i częstotliwości drgań własnych wykonano numeryczną analizę modalną wału korbowego.
Po przeprowadzeniu analizy stwierdzono, że wartość naprężenia w zaokrągleniu czopa korbowego nr 4 stanowi około 6% granicy plastyczności materiału wału korbowego. Analiza modalna dała wynik, że podczas drugiego trybu drgań swobodnych w obszarze, w którym nastąpiło powstanie pęknięcia (strefa krytyczna), stwierdzono obszar wysokiego naprężenia.
Podczas dalszych obserwacji odkryto, że uszkodzenie wału korbowego nastąpiło w wyniku drgań rezonansowych generowanych przez niezrównoważone masy na wale, które wywoływały wysokie cykliczne naprężenia, powodując zmniejszenie trwałości zmęczeniowej wału korbowego.
Numer referencyjny:
Lucjan Witek i in., Badanie awarii wału korbowego silnika wysokoprężnego, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369–376
Wiedzieć o wytrzymałości materiału kliknij tutaj
Nazywam się Hakimuddin Bawangaonwala, inżynier projektu mechanicznego ze specjalistyczną wiedzą w zakresie projektowania i rozwoju mechanicznego. Ukończyłem studia magisterskie na kierunku inżynieria projektowa i posiadam 2.5-letnie doświadczenie badawcze. Do chwili obecnej opublikowano dwa artykuły badawcze na temat toczenia na twardo i analizy elementów skończonych urządzeń do obróbki cieplnej. Mój obszar zainteresowań to projektowanie maszyn, wytrzymałość materiału, przenikanie ciepła, inżynieria cieplna itp. Biegła obsługa oprogramowania CATIA i ANSYS dla CAD i CAE. Oprócz badań.