牟恕宽,孙永才,孙喜运,梁圣童

(1中国北车集团 大连机车车辆有限公司 企业技术中心,辽宁大连116022;2中国北车股份有限公司,北京100078)

一般来说锻钢具有较高的力学性能,据国外有关技术文献记载和我们所获悉的一些技术资料得知,国外除了俄罗斯制造的 Д49系列大功率机车柴油机等少数几个厂家采用铸铁曲轴外,绝大多数制造厂家所生产的高强化中高速大功率4冲程柴油机都无一例外地采用锻钢曲轴。而国内除了一些厂家制造的汽车和拖拉机等中小功率发动机上采用球铁曲轴外,国产的16V 280ZJ等型内燃机车用中高速大功率4冲程柴油机也都是采用锻钢曲轴。由于曲轴形状复杂,制造锻钢曲轴不仅需要消耗大量的优质合金钢材及加工工时多,生产周期长,而且还需要大量投资6 000 t以上大型锻压设备,这往往又是一般机械生产工厂很难具备的。

球墨铸铁(球铁)也具有优良的力学性能,如吸振性能好、跑合性好、扭转疲劳强度高、刻痕敏感性小、受力变形小、应力集中不敏感,有良好的自润滑能力、抗氧化性好和耐磨性好等,这些性能对于制造曲轴来说无疑都是非常宝贵的,并且用球铁制造曲轴可以充分利用铸造工艺的优越性,制作复杂的曲柄和内部油腔等,能获得理想的结构形状,使应力分布更加合理,材料利用更加充分,同时加工余量小,加工方便,生产周期短,便于大批量生产,而且造价低廉,不需要特大型锻压设备。因此采用球铁曲轴是一种多快好省的环保节能产品,这也是近年来球铁曲轴获得进一步发展的重要原因。

1 16V240ZJE型柴油机球铁曲轴的设计结构及技术参数

为了加速我国铁路牵引动力现代化的进程,早在1969年设计研制中速大功率16V 240ZJ型柴油机时就大胆采用了球铁曲轴。随着我国国民经济的快速发展,为了满足铁路运输任务日益繁重的需要,中国北车集团大连机车车辆有限公司从1984年起,与英国里卡多工程师咨询公司继评价 2 430 kW(3 300马力)16V 240ZJB型柴油机,进行技术合作开发2 940 kW(4 000马力)16V 240ZJD型柴油机之后,于1989年又第3次进行技术合作,开发研制出3 680 kW(5 000马力)16V 240ZJE型柴油机(字母E为16V 240ZJ型柴油机重大设计改进后的型号排序)。

16V 240ZJE型柴油机的主要技术参数如下:

(20)柴油机干重 25 200 kg。

16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴就是在16V 240ZJB型柴油机原来使用的球铁曲轴基础之上发展而来的。

1.1 16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的设计结构

16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的设计结构如图1所示。曲轴全长为3 819mm,总重为2.004 t。主要由曲轴体和平衡铁两大部分组成。

图1 16V240ZJE型柴油机球铁曲轴

曲轴体用稀土镁钼铜合金球墨铸铁铸造而成,简称球铁曲轴。共有8个曲柄销、9个主轴颈和16个曲柄臂,组成8个形状相同的单位曲拐。曲柄销直径为195 mm,主轴颈直径为 220 mm,其轴颈重叠度为70mm,曲柄臂铸造成380 mm×440 mm椭圆形,厚度为69 mm。平衡铁的结合面距曲轴中心线为145mm,从而使曲轴的止推法兰形成一个整圆。

曲轴的曲柄以90°夹角分成 1和8、2和7、3和6、4和5,共计4对,形成镜面对称结构。根据16V 240ZJE型柴油机的综合动力性能要求,采用如图2所示的间断发火顺序(气缸号从自由端数,右列为1～8,左列为9～16),同一轴颈上左右两个气缸的发火间隔角为410°。

图2 16V240ZJE型柴油机的发火顺序

曲轴所有轴颈内铸有直径为80 mm的空芯做为输送润滑油的油腔,主轴颈上的润滑油孔直径为20mm,曲柄销上的油孔直径为14 mm,油孔外边缘5 mm倒圆并抛光。曲轴配合用钢背20高锡铝合金薄壁轴瓦。为连通主轴颈和曲柄销的油腔,在每个曲柄臂上钻有直径为23 mm的通油孔,油腔铸孔的两端采用铝堵带过盈量装配封死,其外侧装有防松脱弹性挡圈。曲轴的第9位主轴颈设计有止推法兰,其与主轴颈连接处采用R7 mm外圆弧,其余所有主轴颈和曲柄销与曲柄臂的连接处氮化时均采用R10mm加R6mm复合内圆孤。

曲轴自由端采用直径为192 mm的1∶50锥面与曲轴齿轮相连接,利用液压套装,该齿轮的压装行程为8 mm。最外端直径为170mm的1∶50锥面与减振器相连接,其压装行程为10 mm。驱动3大泵的泵主动齿轮由8个M 16的螺栓紧固在减振器的轮毂上。曲轴的输出端通过8个直径为M 32mm螺栓将其输出法兰与弹性联轴器的花键轴或刚性联轴器的法兰相连接。

为了改善柴油机的综合动力性能,在每个曲柄臂的下方设有用M 33×2螺栓把紧的平衡铁。平衡铁呈弓形,厚度为76 mm,质量为33.2 kg,最大回转半径为315 mm,为避开机体R40 mm拉筋的干涉,其外侧面采用20 mm×45°大倒角。紧固平衡铁的螺钉采用240/275系列柴油机连杆螺钉的成熟技术,但做了适当简化,其材质改为42CrM o合金钢,进行调质处理,加工成形后整体镀铜固化处理,涂以M oS2润滑脂时的螺钉紧固力矩为120 N◦m。此外,为防止此螺钉产生附加剪切应力,并使平衡铁定位,在曲柄臂与平衡铁结合面之间还加有直径为30mm销子和10mm弹性销各1个。曲轴全部零件组装完成后,整体进行动平衡试验,其不平衡量允差为17N◦cm,以钻孔或铣削方式在平衡铁的外圆柱面上去重。组装完成后,整个曲轴的内油腔进行1.0 MPa、10 min油压密封试验。

1.2 16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的主要技术参数

(1)16V240ZJE型柴油机球铁曲轴的化学成分(表1)

表1 球铁曲轴的化学成分 %

(2)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴体和平衡铁紧固螺钉的力学性能(表2)

表2 球铁曲轴体和曲轴螺钉的力学性能

(3)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的金相组织要求(表3)

表3 球铁曲轴的金相组织要求

(4)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的氮化技术要求(表4)

表4 球铁曲轴的氮化技术要求

(5)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴表面粗糙度参数Ra上限值要求(表5)

表5 球铁曲轴表面粗糙度参数Ra/μm

(6)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的尺寸偏差和形位公差(表6)

表6 球铁曲轴的尺寸偏差和形位公差

1.3 16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴体的加工工艺流程和主要特点

1.3.1 16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴体的主要加工工艺流程

低压铸造→粗加工→喷雾淬火热处理→喷丸→半精加工→超声波探伤→时效处理→喷丸→精加工→粗精磨轴颈→氮化→圆角滚压→抛光→磁粉探伤和着色探伤→安装油堵和平衡铁→动平衡→油压试验→综合检查。

由于该曲轴性能参数要求高,难度大,关键技术多,工艺复杂,通过不断地探索、攻关和改进,从而形成了具有中国特色的设计结构和独特冷热加工工艺。

1.3.2 16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的主要特点

(1)在设计结构上大胆采用球铁曲轴体上镶装平衡铁、椭圆形曲柄、复合内圆孤,自由端采用锥面连接,其设计方案新颖合理。其中铸铁曲轴镶装平衡块,明显地改善了柴油机的综合动力性能,大大方便了曲轴体机械加工。

(2)采用稀土镁钼铜合金球铁铸造成型,以铁代钢,以铸代锻,充分利用我国丰富的稀土资源,选取了低硫磷,中碳硅材质,确定了以镁为主,加入微量稀土元素进行球化处理方法,获得理想的铸造基体组织,机械加工量小,完全符合中国国情和工厂厂情。

(3)在铸造工艺上成功地开发了低压铸造和铸型串水冷却及冒口加压新技术,把曲轴铸造用的模子倾斜放置,铁水通过低压气体由铸模底部压入,然后再把铸模竖直冷却。这种铸造工艺保证了铁水迅速充满铸模,含热量高,增加了铁水的补偿能力,使铸件的缩松和氧化夹渣等缺陷大为减少,提高了球铁曲轴铸件表面质量和内部组织的致密性以及力学性能,明显提高了球铁曲轴产品合格率,使其由原来的30%达到84%以上,为世界领先水平。

(4)创造性地采用喷雾等温淬火热处理技术,明显提高了球铁曲轴体的力学性能,使其拉抗强度达到785 M Pa,延伸率达到1%,冲击值达到14.7 J/cm2。

(5)国内外首创短时整体气体氮化热处理工艺,采取了氮化前多进行一次消除组织应力退火热处理,氮化时采用温度均匀性好的专用井式炉和拉压均分的杠杆式吊具等设备和工艺措施,圆满地解决了球铁曲轴氮化变形难题,节省了大量工时和电能,大大提高了热处理工作效率。经单位曲拐对称循环疲劳强度试验验证,其疲劳强度达到250MPa,可与锻钢曲轴媲美。

(6)为了适应16V 240ZJE型柴油机大功率的需要,球铁曲轴除设计上加大加厚平衡铁、增加主轴径向连杆的供油孔径外,还采用曲轴整体氮化加上轴径单圆弧圆角滚压复合强化工艺,从而使球铁曲轴的单拐疲劳强度进一步提升到320M Pa,达到世界先进水平。

2 16V240ZJE型柴油机球铁曲轴的计算分析

根据图3所示的柴油机综合动力性能关系要求,16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴进行了如下计算分析:

(1)16V 240ZJE型柴油机的动力计算,其中包括曲轴干扰力的简谐分析;

(2)16V 240ZJE型柴油机各种方案的扭转振动计算,其中包括曲轴轴系自振频率和扭转振形的自由振动计算。使用转速范围内的共振计算和强迫振动计算,从而计算出曲轴各轴段的扭振综合振幅值和扭振附加应力,其中还包括弹性联轴器和扭转减振器等大部件的性能计算分析,计算中还考虑到曲轴质量阻尼和曲轴轴段阻尼对轴系扭振的影响;

图3 柴油机的综合动力性能关系图

(3)16V 240ZJE型柴油机内外力矩等平衡计算,分析了柴油机输出扭矩的不均匀性;

(4)16V 240ZJE型柴油机曲轴轴心轨迹计算,其中包括不同柴油机转速和载荷,不同发火顺序,不同曲轴平衡铁大小,不同轴承直径、宽度和间隙,不同润滑油温度、压力和流量以及轴颈和轴承表面粗糙度及油槽因素等对轴承最小油膜厚度和最大油膜压力等的影响,并从中进行优化,选取最佳油孔位置和轴承间隙及油槽位置等,避免轴瓦发生穴蚀现象,为轴承设计和计算打下基础;

(5)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴弯曲和扭转应力计算;

(6)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴强度安全系数计算,找出球铁曲轴危险轴段,选取合理的轴颈圆角和油孔处应力集中系数,综合其弯曲应力、扭转应力和扭振附加应力等,根据第三强度理论或第四强度理论计算出球铁曲轴的安全系数,进行曲轴强度评价分析;

(7)应用断裂力学分析方法对球铁曲轴的耐久可靠性进行评估和使用寿命预测;

(8)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴有限元计算,以摸清楚球铁曲轴的应力分布规律。

按里卡多公司的计算方法,得知16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴如果只是进行调质热处理和氮化处理时,在1 000 r/min、3 860 kW(5 000马力)运用工况下,其安全系数为1.997,小于球铁曲轴的许用值2.0。为此对16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴氮化后又进行圆角滚压处理,最终使其安全系数达到了2.21。正是由于采取不同层次的强化措施,从而满足了同系列16V 240ZJE型总共8 000余台不同功率等级柴油机对曲轴的使用要求。

3 16V240ZJE型柴油机球铁曲轴实物试验、台架试验和运用情况

3.1 16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴实物试验情况

(1)采用稀土镁钼铜合金的球铁曲轴在材料的合金化、化学成分配比、球化率、铁水铸造温度,充风压力、充风时间和调质、正火及喷雾等温淬火几种不同热处理工艺方法等方面进行了大量的对比和一系列参数试验;

(2)球铁曲轴实物还做了材料的泊松比、拉压弹性模量等力学性能参数试验;

(3)球铁曲轴实物测试单曲拐弯曲刚度和整根曲轴扭转刚度试验;

(4)球铁曲轴的光弹性试验;

(5)采用调质、氮化、滚压、激光和喷丸等不同物理方法和化学方法强化工艺及复合强化工艺,以及具有各种不同铸造缺欠的球铁曲轴单拐实物弯曲对称疲劳试验;

(6)球铁曲轴进行了实机运转时的动应力测试试验,试验时应用银制集流环将应力信号传递出来;

(7)对球铁曲轴进行了多种方案实机运转时的扭转振动测试试验,其中包括各种不同联轴器和减振器方案试验。

通过上述大量的试验,全面摸清了16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的各种工艺参数、理化性能和静应力、动应力性能及实际可行的各种强化方法及较佳配套方案等,并从中找出带规律性的东西。

3.2 16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴台架试验

16V 240ZJE型柴油机样机在试验台架上先后完成了性能试验和耐久可靠性试验,这些考核包括UIC100 h试验(其中3 680 kW连续运转80 h)、ORE360 h试验、30 h惰转试验、10×5 h循环试验、6 000次热冲击试验和50 h超负荷4 040 kW(5 500马力)试验。试验采用了欧洲标准对柴油机新产品最严格的考核手段。50 h超负荷4 040 kW可靠性试验时最大气缸爆发压力达到16.7 MPa。台架试验累计运转了1 500多小时,其中耐久试验长达1 000多小时。试验完成后,对样机进行了全面解体、检查和测量。拆检表明,16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴状态几乎与新装时一样,所有轴颈无任何损伤,因为有的因测量上的微小误差为负值,所以9个主轴颈平均磨损量为0。曲柄销磨损也小得无法精确测量,所记录的最大磨损量是0.006 mm。探伤检查未发现任何裂纹。球铁曲轴经受了16V 240ZJE型柴油机高负荷1 500 h考验后,状态如此之好,说明该球铁曲轴的设计和工艺水平都达到了相当高的水平。

3.3 16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的实际运用

已有23台16V 240ZJE型柴油机安装在内燃机车和挖泥船上进行了运用考核,有的已运用了10多年,并顺利地进行过几次大修。这其中有北京铁路局“神州”号内燃动车组10台,兰州铁路局“金轮”号内燃动车组9台,这些动车组柴油机的装车运用功率为3 310 kW。还有中交天航挖泥船4台,柴油机按等扭矩特性运用功率为3 240 kW。长期实际运用考核表明,该球铁曲轴表现出十分优良的耐磨性及工作耐久性和可靠性。根据用户反馈信息,在正常运用和维护保养前提下,至今没有一根球铁曲轴由于自身的质量问题而发生过故障。

4 与国内外柴油机曲轴技术水平的对比

4.1 与国内外柴油机曲轴技术水平的对比

通过16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴与国内外同类柴油机曲轴技术水平对比可以明显看出:

(1)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的抗拉强度大于785 MPa,在力学性能上远超过俄罗斯的5Д49型柴油机的抗拉强度500 MPa。

(2)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴通过采取一系列强化措施,曲轴的单拐实物对称循环疲劳强度高达320 MPa,比俄罗斯 5Д49型柴油机球铁曲轴的210 MPa高出52%。

(3)该球铁曲轴的正常使用寿命达到300万走行公里以上,折合柴油机运用时间约为75 000 h,达到或超过国外同类柴油机锻钢曲轴水平。

(4)16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的售价每根约为20万元,为整个柴油机造价的10%以下。而国外同类柴油机锻钢曲轴每根约为 100万元以上,至少为16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的5倍,国内同类柴油机锻钢曲轴每根价格至少也在50万元以上,是16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴的2.5倍。

4.2 与俄罗斯球铁曲轴国家标准的比较

经过多年的实践,为16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴制定了一套严格的可以实地操作的《内燃机车用柴油机球铁曲轴技术条件》,将本企业标准与俄罗斯的国家标准ГОСТ10167—73《柴油机和煤气机铸铁曲轴技术条件》进行仔细对照,可以看出其主要技术要求内容是完全相同的。例如技术要求等效采用了11条,参照采用3条,验收规则大部分等效采用,试验方法等效采用了7条,标志、包装、运输和贮存等项要求基本等效采用。此外还根据我国国情和我厂厂情,适当增加了金相组织、外观缺陷和过渡圆角样板检查及锥面连接和紧固平衡铁等项技术要求,以及计量轴颈表面粗糙度时,“氮化脱落的凹坑不计在内”等有关内容。该标准在力学性能等方面高于或严于俄罗斯的国家标准,例如抗拉强度,俄罗斯标准要求为500 MPa,而本企业标准要求为785 MPa;氮化层硬度俄罗斯标准为HV 390,而本标准为HV 436;相邻主轴颈跳动量俄罗斯标准为0.05mm,而本标准为 0.03 mm;硫磷含量俄罗斯标准分别为0.025%和0.10%,而本标准为 0.02%和 0.08%等。不难看出,16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴选材、定型、加工、制造、检查和验收所依据的标准在这些重要特性的制订上是处于世界领先的。

就曲轴体本身的质量要求来说,俄罗斯国家标准中未被采用的条款就是其轴颈表面粗糙度Ra,俄罗斯标准相当于0.4,而本企业标准规定氮化前为0.8。因为该曲轴氮化后轴颈经过抛光就可以装机使用。抛光的目的是提高其表面粗糙度,去掉轴颈表面氮化时生成的氮过饱和层ε相,以免脱落发生“拉瓦烧轴”恶性事故。但氮化球铁曲轴轴颈表面粗糙度用一般抛光的方法很难再得到提高,通常也只有1.6～3.2,而达不到0.8的要求。通过试验分析研究发现,这是由于球铁曲轴铸造时形成的微小夹渣、缩松缺陷和氮化时其表面的石墨烧损在抛光时脱落而形成的凹坑造成的。而这些小凹坑在曲轴的实际运用中很好地起到了储存机油的作用,这对减少轴颈与轴承间的磨损,并带走其间所产生的热量大有好处,明显延长了这一对摩擦副的使用寿命,按理说这是氮化球铁曲轴本身所固有的独特优点,弃之非常可惜。因此在计量检测氮化抛光球铁曲轴轴颈表面粗糙度时,不计这些小凹坑是合情合理的。

俄罗斯5Д49型柴油机球铁曲轴,为了解决轴颈表面粗糙度和氮化变形问题,采用了加长氮化时间达96 h,以加深氮化层深度,最后再采用磨削的方法找正,来解决曲轴氮化变形问题。由于氮化层很薄且由外向里有一定的硬度梯度,所以磨削加工量多的轴颈表面硬度就显著下降,并造成同一根曲轴轴颈表面硬度在同一轴颈上和轴颈与轴颈之间相差悬殊。装机经长时间运用后,造成上述部位磨耗程度的差异也很大,从而使曲轴轴颈的阶梯度增大,在使用中产生较大的弯曲应力。据有关文献报导,俄罗斯在1972～1976年制造的装用该型柴油机的2TЭ116型机车出厂运行40万 km后,曲轴因断裂等原因而报废的竟高达30%以上。最后根据其主要订货单位——俄罗斯交通部的广泛运用结果,在1983年的改进设计中,功率2 940 kW(4 000马力)以上的Д49型柴油机最终放弃了球铁曲轴,而改装价格较贵的锻钢曲轴,这就是由于强化工艺不合理而造成的,弃之非常遗憾。而16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴则是由于采取了一系列妥当措施和设备以及氮化后仅抛光不再磨削的方法,较好地解决了曲轴氮化变形和轴颈表面硬度这一对矛盾,而不是强求过高的表面粗糙度,再加上圆角滚压处理,从而使其疲劳强度达到320 M Pa,满足了16V 240ZJE型大功率柴油机的使用要求。

5 结束语

中国北车集团大连机车车辆有限公司从20世纪60年代开始试验研制10L207E型柴油机球铁曲轴成功,50多年来,经过坚持不懈地设计、计算、工艺分析、试验、研究和攻关改进及长期运用考核,证明3 680 kW 16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴采用低压铸造、铸型串水冷却和喷雾等温淬火热处理,其抗拉强度大于785 MPa,已接近锻钢水平,延伸率大于1%,冲击韧性大于14.7 J/cm2,这些性能完全胜任“小能量多次冲击”的柴油机使用条件。由于铸造曲轴的结构设计容易更趋合理,同时又采用了短时整体气体氮化加曲轴圆角滚压工艺,从而进一步提高了该球铁曲轴的弯曲疲劳强度和轴颈耐磨性。不仅满足了柴油机进一步提升运用功率到3 310 kW的需要,而且还明显地改善了柴油机的综合动力性能。曲轴镶装平衡铁,使其平衡量由16V 240ZJB型机的40%增大到95%,明显地减少了曲轴的回转惯性力,使柴油机的内力矩在水平方向上减少了近40%,大大地减小了柴油机的整体振动及机体和主轴承瓦盖等零部件的动应力,减少了上轴承负荷,加大了油膜厚度,减少了柴油机的机械摩擦损失功,从而有利于提高柴油机的整体经济性,延长主轴瓦、曲轴、机体及主轴承瓦盖的使用寿命,进一步提高了柴油机的安全可靠性和耐久性。

16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴制造成本不到10万元,而购买同样一根42CrM oA锻钢曲轴价格则要50万元,是球铁曲轴造价的5倍。如果按年产200台柴油机计算,仅此一项每年就可以节约8 000万元。球铁曲轴每根投料2.5 t,而要生产同样一根锻钢曲轴则要投料8 t,如果仍按年产200台柴油机计算,则一年就可以节约1 100 t 42CrM oA优质合金钢材。由上不难看出球铁曲轴的经济效益和社会效益是非常显著的。这种球铁曲轴能够满足16V 240ZJ型系列柴油机不同功率的需求,这么多年来连曲轴配件一共生产应用了1万多根,其节约价值已大于我们公司的现有固定资产。

综上所述,生产8 000多台柴油机累积1万多根球铁曲轴的实际运用经验,尤其是通过与国内外同类柴油机曲轴产品的对比中不难看出,中国北车集团大连机车车辆有限公司设计研制的中速大功率16V 240ZJE型柴油机球铁曲轴是几代人智慧的结晶,是多年实践丰富经验的积累,完全具有自主知识产权,是具有中国特色的豪诺技术产品,包括有好多诀窍,完全形成了自己的独特风格,并达到了国际先进水平,其中某些重要技术指标处于世界领先地位。

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