柴油机曲轴的疲劳强度评定.

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IACS M53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、IACS M53

1．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(IACS UR M53)。

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UR M53 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IACS UR M53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。

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。

我们可根据柴油机设计手册编制Excel计算表格，见表1。

图1 V型机曲拐简支梁模型

表格 1柴油机连杆推力计算数据

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

表格 3 曲柄销油孔处弯矩

2.2曲柄销主轴颈圆角及油孔处交变合成应力υσ的计算

合成应力υσ

的计算根据VON MISES 准则，假设弯曲应力和扭转应力峰值出现在轴颈圆角和油孔的同一位置同一时刻计算。

轴颈圆角

()2

23τσσσυ++±=add B

油孔出口

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣

⎡⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛++±=2

4912131BO TO

BO σσσσυ 2.3 曲柄疲劳强度值DW σ

曲柄销疲劳强度值，即曲柄销圆角能持久承受的在最高应力点处的交变弯曲应力值，可对全尺度曲柄进行疲劳试验而测出，或根据公式计算得出。主轴颈也有类似计算公式。

X b b P b DW R D K 11964900785073.1264.0()3.3942.0(2

.0σσσσ+

-+⋅+⋅+⋅⋅±=- 2.4 合格系数Q

υ

σσDW

Q =

曲轴满足疲劳强度要求的衡准是Q ≥ 1.15。需要指出的是，Q 值虽然看似安全系数，但它并不是安全系数，这是因为在M53计算模型的假设中，隐含了部分安全系数，例如计算中假设最大交变弯曲应力和最大扭转应力同时发生，弯曲和扭转应力最大值也集中在同一位置发生。正是由于这些保守的假设，使合成应力计算值偏大，所以M53要求的评价准则合格系数只有1.15。 3． M53计算方法的合理性探讨

在对几种柴油机的曲轴强度评定中，遇到了评估结果不能满足船级社规范和M53的问题。特别是某国际著名柴油机公司的270系列的柴油机，计算结果表明主轴颈、曲柄销、油孔处合格系数分别只有：0.996，1.074，1.232，但该机型已有数百台的安全使用经历，并经多家IACS 权威船级社认可。

该公司认为M53过于保守，通过对曲轴进行了有限元分析和应力集中系数实测后，认为M53考虑了最恶劣的边界条件，且有限元分析和应力实测表明，应力集中系数远小于M53计算值。

循环工作应力的计算方法有很多种，如简支梁法、连续梁法、三维有限元法等。我们对比了M53和同样采用简支梁模型的著名的Ricardo 柴油机设计咨询公司计算结果，以及柴油机设计公司的有限元计算和应力实测结果，见表5。 3.1 两种简支梁法的区别

表格 4 简支梁法比较

a) 曲柄抗弯截面模数不同，对有重复度的曲拐，Ricardo 考虑最小截面为斜截面，显得更加合理。

但考虑到如果在应力集中系数测试中使用同样的抗弯截面模数作为基准，由于二者应力集中系数不同，可以认为没有实质区别。

b) M53考虑了曲轴弯曲附加应力，并要求制造厂据此制定强制修理拐档差标准。 c) 对于主轴颈，M53中考虑了名义压缩应力，但对曲柄销则没有考虑压缩应力。 上述分析表明，M53计算方法是倾向于安全，所以M53要求的合格系数也比较小。 3.2 实际曲轴应力计算和测量结果比较分析

某4种柴油机计算数据见表5，结果表明M53计算值明显大于Ricardo 和有限元分析值，更明显大于应力测量值，对钢轴最少高20%，对球铁轴高了75%，这是由于M53的应力集中系数计算公式对球铁轴不适用造成的。可见M53隐含有约30%左右的安全系数，所以要求的合格系数只有1.15。其他方法的安全系数通常要达到1.5或以上，基本上可认为是合理的。

表格 5 几种机型应力计算和实测对比