古莹奎 唐淑云 汪峰
江西理工大学机电工程学院
摘要 通过对发动机空气压缩机曲轴累积故障数据的分析，从宏观和微观两个层面对发动机空压机曲轴的失效规律、失效原因和失效机理进行研究。宏观层面，从统计学的角度对空压机曲轴外反馈可靠性信息进行统计分析，结合Weibull分析方法寻找其失效规律；微观层面，通过对具体失效样本的组织结构、材料属性、工艺特征、热处理工艺及其他可靠性信息的分析，找到其失效的更深层次的原因和失效机理。从而为曲轴失效的排除、结构的优化与改进提供科学依据。
关键词 空气压缩机 曲轴 Weibull分析 失效模式
0 引言
空气压缩机是发动机的附件，是提供一定气压的压缩空气来驱动车辆气制动系统和辅助用气系统的装置。从对空气压缩机的失效历史数据的分析来看，曲轴的失效概率非常高，而且其失效模式与失效原因具有多态性，其本身结构的复杂性、制造工艺、热处理工艺、工况的恶劣程度、使用频率以及设备维护、维修等因素均可能造成失效。为了提高其可靠性，笔者通过对同批次实际失效样本的分析，从统计的角度对空压机曲轴外反馈可靠性信息进行统计分析，寻找其失效规律，通过对具体失效样本的分析，找到空压机曲轴失效的更深层次原因。从而为空压机曲轴的可靠性分析与评定提供客观依据。
1 Weibull分布的数学模型
Weibull分布模型用于描述某零部件在单一失效模式下的失效发生规律。发动机零部件的疲劳强度、疲劳寿命、磨损寿命、腐蚀寿命及由许多单元组成的系统寿命等多服从Weibull分布。
若随机变量T服从Weibull分布，其失效密度函数和失效分布函数分布为：
数，又称为特征寿命；β为形状参数。
β取不同值时，威布尔曲线有不同的形状。当β＜1时，失效率随着寿命的增长而下降，可以描述为早期失效，失效主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、起动不当等人为因素所造成。当β=1时，失效率近似为常数，失效主要是非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。当β＞1时，失效率随着寿命的增长而明显上升，失效主要是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓耗损的原因所引起的。
发动机零件的失效多具有多态性，同一零部件具有不同的失效模式，而同一失效模式又可能具有不同的失效现象和失效原因。在进行失效数据分析时，对失效数最高的失效模式按照从低到高的顺序进行排序，从而得到失效频率最高的前n（n由用户指定）个失效模式，应用Weibull数据分析方法对该失效模式进行分析，当通过失效数据分析得到零部件失效分布的Weibull分布参数后，可以从宏观上分析其失效的原因，计算其相关的可靠性指标，并进一步通过其他各种分析方法和手段，如可靠性试验、理化分析等，对零部件的深层次失效原因和失效机理进行探究。
2 发动机空气压缩机曲轴失效数据的Weibull分析
以某大型柴油机生产企业同批次的发动机空气压缩机曲轴的失效数据进行统计分析为例，从失效数据库中调取2006.12～2007.12期间的失效数据，发动机总台数1527台。经失效统计，总失效台次为361次，失效模式有断裂、干磨、磨损、铸造缺陷、间隙不当、松动、异常磨损、弯曲变形、裂纹、拉伤、脆裂、尺寸不合、塑性变形、安装不当、失灵、改型换件、干涉、加工不当、力矩不够、平面不平、松脱等。其中失效率排在前10的失效模式如表1所示。
从数据分析结果来看，空气压缩机曲轴的失效里程跨度小，平均里程、最大、最小里程相差都不大，从Weibull寿命分布模型看，形状参数β为0.5757，小于1，威布尔可靠度置信区间小，初步可以认为属早期失效，失效原因应考虑是设计问题或是控制问题。
3 发动机空气压缩机曲轴失效的原因及机理分析
针对该批次的空气压缩机曲轴，对某一失效样本进行分析，寻找失效原因。空气压缩机曲轴的宏观形貌及失效源区如图2所示。分析失效现象表现为曲轴断裂，空气压缩机缸体、缸盖脱出，活塞销飞出掉落在地上，活塞与活塞销连接部位拉断，曲轴箱体被连杆碰出凹痕，泵体与曲轴箱连接部位的四个螺钉全部断裂故障。
观察曲轴连杆颈的断裂部位发现，断裂处位于连杆颈与平衡块的R角过渡末端，而该处存在明显的加工尖角（即尖角过渡）。由于连杆颈两侧是相对应的，尖角过渡的形貌可从另一侧连杆颈与平衡块的R角过渡处看出来。
现从断口的源区处径向剖开，观察裂纹起源处的组织形貌，如图4所示，测得源区离淬硬层末端的距离仅为0.5mm，可见源区落在感应淬火的热影响区中，源区附近的显微硬度为288HV0.2。
为进一步了解危险截面处的尖角过渡形貌，再从另一侧连杆颈与平衡块的R角过渡处取样检验。图5是该处的径向剖面形貌（侵蚀后），尖角过渡处见图中箭头标明处，检查发现该尖角过渡处已经开裂，测得裂纹深度为1.5mm，尖角过渡处离淬硬层末端的距离为1.8mm。
由上述检验结果可以得出结论，空气压缩机曲轴连杆颈与平衡块的R角过渡末端存在尖角过渡，存在严重的应力集中；此外，尖角过渡处又落在感应淬火的热影响区中，而热影响区的强度较差，故裂纹优先在该处起源。因而空气压缩机曲轴连杆颈与平衡块的R角过渡末端呈尖角过渡，存在严重的应力集中，是导致断裂的一个因素。
4 结论
⑴ 运用统计学和Weibull分析方法对发动机空气压缩机曲轴累积故障数据的统计分析，可以得到同一批次的曲轴失效分布规律，从而为分析者寻找失效原因和失效机理提供方向，有助于提高设备故障诊断效率，降低设备维修成本。
⑵ 通过对具体失效样本的本身组织结构、材料属性及其他可靠性信息的分析，可以找到失效的更深层次的原因和失效机理，有助于失效的排除和曲轴结果的优化与改进。
