曲軸是高壓空壓機中受力最復雜的部位，它的穩(wěn)定性直接關系到整個空氣動力系統(tǒng)的穩(wěn)定。根據(jù)對曲軸的有限元分析，曲軸在正常服役過程中主要受交變扭轉—彎曲復合應力，連桿頸與主軸頸過渡圓角處為應力最大區(qū)域，是最易發(fā)生疲勞斷裂的部位。根據(jù)對曲軸的強度校核，如果材料力學性能、表面粗糙度和安裝質量符合設計要求，該曲軸仍具有足夠長的疲勞壽命，不會發(fā)生意外疲勞斷裂。
疲勞斷裂對裂紋、缺口、組織缺陷等十分敏感，因為缺口、尖角和裂紋因應力集中而大大降低了裂紋萌生所需的應力值，疲勞破壞首先選擇在這些局部缺陷處開始，而且疲勞裂紋一旦萌生，一般情況下進一步擴展已不可避免。
因此，不同的表面粗糙度對構件的疲勞強度有明顯的影響。表面越粗糙，其疲勞強度越低，這可能是造成該曲軸在未達到設計壽命之前在曲柄銷圓角處發(fā)生斷裂失效的主要原因。對失效曲軸的理化分析結果也印證了這一點：從斷口的宏觀形貌和微觀特征可以判斷曲軸的斷裂為典型的高周疲勞斷裂，并且在啟裂處及附近區(qū)域均可見明顯的機加工留下的環(huán)向刻痕，局部表面粗糙度只達到12.5μm，遠低于1.6μm的設計要求。當材料表面粗糙度從1.6μm上升到12.5μm時，原曲柄銷圓角的許用疲勞極限將下降50%，安全系數(shù)也降至1.126，低于許用安全系數(shù)，說明曲柄銷圓角在使用過程中隨時可能會發(fā)生疲勞破壞。
因此我們給出以下建議：曲軸的原始設計滿足強度要求，曲柄銷及主軸頸的過渡圓角處是應力最大區(qū)域，也是最易發(fā)生疲勞斷裂的部位，因此當曲軸材料的疲勞極限較低或存在其它不利于曲軸強度的因素時，該處可能發(fā)生斷裂。通過與實際斷裂行為對比，計算分析結果與實際情況一致。
因過渡圓角表面粗糙度不影響曲軸的裝配生產(chǎn)，故在生產(chǎn)中往往不易引起足夠的重視。分析計算表明，圓角表面粗糙度是影響曲軸疲勞性能的直接因素，甚至可以抵消某些改善疲勞性能的措施，應當引起足夠的重視，并進行嚴格控制。為避免同類曲軸斷裂事故發(fā)生，建議采取如下措施：(1)嚴格控制設備零配件的購置渠道和加工修理過程，主要零部件必須由生產(chǎn)廠家提供有效的檢測報告或合格證明，確保關鍵部件在選擇材質、加工工藝等過程中得到有效控制。（2）提高空氣壓縮機閥片等部件的加工精度，避免轉角部位出現(xiàn)機加工損傷，保證表面光潔度符合設計要求。 |
