沈阳理工大学学士学位论文
产生裂纹，随着裂纹的扩展和容器受载面积的减小，当容器的承载能力降低到无法承受静载荷时，压力容器最终发生破裂的现象。因为容器一般在承载状态下工作，所以一旦容器发生事故，很可能引起中毒、爆炸和火灾等灾害，危害到人们的生产和生命安全。历史上就发生过多次伤亡惨重的容器爆炸事故，如：1984 年，北美墨西哥一个气罐因为泄漏而引发了大规模的火灾和爆炸，导致 500 多人死亡，7000 多人受伤，大量的生产和生活设施被毁；1998 年，我国西安一个液化石油气站的一球罐底部因为泄漏液化石油气而引起火灾，其火焰的高温使周边的两个 400 m3的球罐产生蒸汽爆炸，损伤惨重。海洋平台作为进行海上石油钻井与开采的一种重要的海洋工程结构，长期服役在恶劣的海洋环境中，载荷极其复杂，很容易受到海浪等交变载荷作用，而发生疲劳破坏，发生整体坍塌。因此，对疲劳破坏的问题越来越引起了人们的重视。
疲劳破坏的主要形式有：磨损、腐蚀和断裂。对于车辆的零部件来说，由于磨损和腐蚀进程很慢，一般可以通过定期更换或修理的办法来解决，而断裂常常突然发生，常常导致灾难性的车辆事故，所以断裂破坏更为汽车研究人员所重视。造成断裂事故的原因是多样的，如过载、低温脆性、应力腐蚀和疲劳等。
曲柄连杆机构作为发动机的主要承载零件，其力学性能的优劣直接影响着发动机的可靠性和寿命。随着发动机转速的不断提高和零部件材料的轻量化，曲柄连杆机构的工作条件更加复杂。在实际工况中曲柄连杆机构承受活塞传递的多种周期性爆发压力的交变载荷和曲轴飞轮组传递的阻力矩的共同作用。要求曲柄连杆机构具有高度的可靠性和安全性。
1.2 课题研究的背景和意义
曲轴是空压机最主要的运动部件之一，空压机的可靠性很大程度上取决于曲轴的强度。曲轴的疲劳强度直接决定了空压机的使用寿命，据统计，一般空压机曲轴的破坏率在 3~5％，一些高负荷的曲轴则高达 13％ 。根据国外的统计，机械零件的破坏 50%-90%为疲劳破坏。曲轴承受交变的弯曲应力和扭转应力是典型的疲劳破坏零件，同时轴颈的圆角过渡处又是容易发生疲劳破坏的应力集中部位。疲劳破坏是动力机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷。当工程材料或结构受到多次重复变化的载荷作用下，应力值虽然没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就有可能发生破坏，材料或构件疲劳性能的好坏是用疲劳强
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度来衡量的。空压机工作时，曲轴承受着汽缸内气体压力的冲击载荷，以及由活塞连杆机构旋转和往复作用产生的惯性力和振动引起的附加应力。同时，曲轴的轴心线不在同一个平面上和曲拐各组成部分之间的刚度急剧改变，并且与其截面尺寸相比长度又小，在曲轴承载时就会产生显著的应力分布总体不均匀性。连杆轴颈和曲柄臂的圆角以及开在连杆轴颈和主轴颈上的润滑油孔是使空压机曲轴产生高度应力集中的根源并常常是造成疲劳破坏的重要原因。曲轴形状的复杂性、载荷的多样性和边界条件的变动性，局部又存在着高度的应力集中，直接决定了曲轴易产生疲劳破坏。
从大量使用的空压机主要零部件的疲劳破损分析得知曲轴连杆机构的失效主要有两种形式，一种是连杆所受压缩疲劳破坏；另外一种是发生在曲轴主轴颈与曲柄及连杆轴颈与曲柄过渡圆角处的拉伸疲劳断裂。通过曲轴疲劳强度的计算分析求出曲轴危险部位的应力幅和平均应力，并在此基础上进行疲劳强度校核，即按材料的疲劳极限，考虑材料强化处理、应力循环和尺寸影响，求出曲轴上危险部位的最小强度储备，提高空压机性能和可靠性，对曲轴进行整体受力分析，找出过渡圆角处的应力集中部位，从而优化曲轴结构设计具有重要意义。
1.3 国内外曲轴研究现状及发展趋势
各种机械零件及构件都具有一定的功能，如承受某种载荷、传递能量、完成某种规定动作等，当机械零件丧失它应有的功能时，则称该零件失效。各种零件失效的形式，归纳起来可分为过量变形、断裂和表面损伤等几种类型。
失效分析是一门新兴的学科，它具有两个显著的特点：第一是综合性，即它涉及广泛的学科领域和技术门类；第二是实用性，即它有很强的生产应用背景，与经济建设有极其密切的联系。
目前国内外在失效分析方法研究方面做了不少的工作，已取得 了一定的成就，创造了诸如“失效事故的形式及影响分析”、“故障树分析”、“现象树分析”和“特性要因图”等方法。
曲轴的失效分析主要采用故障树法，曲轴是空压机的主要零件之一，其强度和刚度对空压机的工作性能和寿命有决定性的影响。曲轴由于其几何形状、边界条件和作用载荷都极其复杂，要想得到比较精确的计算结果，计算模型的建立以及边界条件的施加是非常重要的。
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国内外曲轴失效分析主要分为两类，第一类是针对具体的曲轴断裂事故进行宏观、微观分析，检查材料冶金质量、轴颈表面硬度、机加工、装配和使用等，从中找出断裂曲轴的缺陷，然后提出改进措施。这一类的研究在各企业都有许多好的成功经验，但是因为都是对已经过多年使用的曲轴，所有的分析都是基于曲轴疲劳强度都满足使用的情况下提出的，所以对失效的分析不是很全面。
另一类是针对曲轴进行应力和强度计算，现有的曲轴强度计算都可以归结为疲劳强度计算，其计算步骤分为以下两步：一是应力计算，求出曲轴危险部位的应力幅和平均应力；二是在此基础上进行疲劳强度计算。
应力计算的传统方法有两种：断开梁法和连续梁法。连续梁法由于假设的几何－力学模型不同，主要有以下三种：第一种是将曲轴简化为多支撑圆柱形连续直梁；第二种是将曲轴作为支撑在弹性支撑上的静不定曲梁：第三种是将曲轴作为支撑在弹性支撑上的变截面的静不定直梁。
应用二维有限元模型和三维有限元模型在确定应力集中系数时，两者计算的数值极为接近，但前者可节约计算时间，故确定应力集中系数时多数采用前者。其余的应力计算有限元法因为二维有限元模型精度远低于三维有限元模型，故目前基本都采用后者。三维有限元模型一般有三种：第一种是采用1/4或1/2曲拐模型。它主要考虑弯曲载荷作用，并认为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称；第二种是采用单个曲拐模型。用于分析曲轴上受载最严重的曲拐，优点是计算规模小，但精度不高；第三种是采用整体曲轴模型。这是进行曲轴有限元分析最合理的模型，计算精度高，但是其计算量巨大。因此在常规条件下求解，就必须采用合适的方法。例如采用子结构分析法。其基本思想是通过多级离散实现曲轴结构有限元模型化。划分有限元网格时，考虑到曲轴局部（如过渡圆角和油孔部位）产生应力集中，必须在应力集中区域将网格加密。一般采用两种方式：一种是在应力集中区域直接加密网格；另一种是先采用粗网格计算，然后在应力集中区域取出一块进行局部细化计算，后者计算量较小，但计算技巧要求较高。
1.4 论文的主要研究方法及工作内容
在研究零件的加工工艺的过程中，作者阅读大量的文献资料及相关书籍奠定的研究的理论基础，分析了其加工工艺，并对加工中的关键工序进行了深入研究。重点研究了空压机曲轴的疲劳破坏形式和发生的原因，论文还利用已经学过的
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《先进制造技术》中的有限元方法相关知识，对空压机曲轴的圆角，轴颈和油孔进行了破环分析。 本论文的主要工作包括：
(1)分析了活塞式微型高压空气压缩机曲轴的工艺内容及设备； (2)研究了曲轴疲劳的概念以及曲轴主要的破坏形式；
(3) 根据活塞式微型高压空气压缩机的工作原理，以曲柄连杆机构为力学模型，给出了组合曲轴的运动学和动力学计算公式，进行了实际工况下的动力计算；
(4)利用proe画出曲轴单缸的模型导入ansys进行应力分析，研究曲柄销长度，曲柄壁厚度以及轴颈过渡圆角半径对曲轴圆角处应力的影响；
(5)在原工艺的基础上提出改进方案。
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2 空压机曲轴的加工工艺分析
2.1 曲轴的作用
曲轴是空压机上极为重要的零件，他是将连杆传来的径向力转变成绕其本身轴线旋转的扭矩，并将此扭矩输出给汽车或其他装置。同时，曲轴还驱动配气机构以及其它各辅助装置。曲轴在工作时，受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。
2.2 曲轴的结构及其特点
图2.1 曲轴的结构图
曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数(直列式发动机)；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。
主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。
曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，通过曲柄与主轴颈相连，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。
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