Krukas: 9 belangrijke feiten die u moet weten

Inhoud: krukas

• Wat is een krukas?
• Materiaal en fabricage van krukassen
• Krukas diagram
• Krukasontwerpprocedure
• Krukas doorbuiging
• Krukas doorbuigingscurve plotten
• Casestudy over defecte krukas voor schepen
• Storingsanalyse van Boxer Diesel-krukas: casestudy
• Krukasvermoeidheidsanalyse: een overzicht
• Falen van de krukas van de dieselmotor: een casestudy

Wat is een krukas?

“Een krukas is een as die wordt aangedreven door een krukmechanisme, bestaande uit een reeks krukken en krukpennen waaraan de drijfstangen van een motor zijn bevestigd. Het is een mechanisch onderdeel dat een conversie kan uitvoeren tussen heen en weer gaande beweging en roterende beweging. Een heen en weer gaande motor zet de heen en weer gaande beweging van een zuiger om in de roterende vorm, hoewel deze in een heen en weer bewegende compressor de tegengestelde wegmiddelen roteert in heen en weer bewegende vormen. Tijdens deze verandering tussen twee bewegingen, hebben de krukassen "krukassen" of "krukpennen" extra lageroppervlak waarvan de as verschoven is ten opzichte van de kruk, waaraan het "grote uiteinde" van de drijfstang van elke cilinder is bevestigd. "

Een krukas kan worden beschreven als een onderdeel dat wordt gebruikt om de heen en weer gaande beweging van de zuiger naar de as om te zetten in een roterende beweging of vice versa. In eenvoudige bewoordingen is het een as met een krukbevestiging.

Een typische krukas bestaat uit drie delen:

1. Het asgedeelte dat binnen de hoofdlagers draait.
2. De krukpennen
3. De krukarmen of webben.

Dit is onderverdeeld in twee typen volgens de positie van de crank:

1. Side krukas
2. Centrale krukas

De krukas kan verder worden onderverdeeld in krukassen met enkele worp en krukassen met meerdere worpen, afhankelijk van het nr. van krukken in de schacht. Een krukas die alleen een centrale kruk of eenzijdige kruk heeft, is gerechtigd als eenmalige krukas. Een krukas met 2 of meerdere centrale krukassen of '2' zijkrukken, '1' aan elk uiteinde, wordt herkend als "multi-throw krukassen". De configuratie van de zijhendel omvat geometrische eenvoud en is relatief eenvoudig te vervaardigen en te monteren. Ze kunnen worden gebruikt met eenvoudige opschuiflagers en zijn relatief goedkoper dan centrale krukas.

De centrale krukasconfiguratie zorgt voor een betere stabiliteit en uitbalancering van krachten met lagere geïnduceerde lagere spanningen. Hun fabricagekosten zijn hoog en voor de montage is een gedeeld drijfstanglager nodig. Bij toepassingen waarbij meerdere zuigers in fase werken, kan een krukas met meerdere worpen worden ontwikkeld door verschillende middelpunten van krukassen naast elkaar te plaatsen, in een bepaalde volgorde, langs een gemeenschappelijke hartlijn. De worpen worden roterend geïndexeerd om de gewenste fasering te bieden.

Meercilindermotoren met interne verbranding, zoals de Inline- en V-serie. De motor maakt gebruik van Multi-throw-krukas. Alle soorten krukassen Ervaar de dynamische krachten die worden gegenereerd door het roterende excentrische massacentrum bij elke krukpen. Het is vaak nodig om contragewichten en dynamisch balanceren te gebruiken om de schudkrachten, trekkracht en zwaaiende paren die door deze traagheidskrachten worden gegenereerd, te minimaliseren.

Materiaal en fabricage van krukassen:

De krukas ervaart vaak schokken en vermoeidheid tijdens het laden. Het materiaal van de krukas moet dus meer taaiheid en een betere weerstand tegen vermoeidheid hebben. Ze zijn meestal een product van koolstofstaal, bepaald staal of gietijzeren materialen. Voor motoren die in de industrie worden gebruikt, zijn de krukassen over het algemeen gemaakt van koolstofstaal zoals 40-C-8, 55-C-8 en 60-C-4.

In transportmotoren wordt gewoonlijk mangaanstaal, dwz 20-Mn-2, 27-Mn-2 en 37-Mn-2, gebruikt om de krukassen voor te bereiden. In vliegtuigmotoren worden meestal nikkel-chroomstaal zoals 35-Ni-1-Cr-60 en 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28 gebruikt voor het vervaardigen van de krukas. 

De krukassen worden gewoonlijk afgewerkt door middel van smeden of gieten. De oppervlakteverharding van de krukpen wordt voltooid door het carburatieproces van de behuizing, nitreren of inductieharden. De geselecteerde krukasmaterialen moeten voldoen aan zowel de structurele sterkte-eisen als de slijtage-eisen op de lagerlocatie.

In de typische krukastoepassing worden zachte, ductiele hulzen aan de drijfstang of het frame bevestigd, dus het krukasmateriaal moet het vermogen hebben om een ​​hard oppervlak te bieden op de lagerplaatsen. Veel materialen voldoen aan structurele sterkte-eisen, maar het verschaffen van slijtvastheid op de lagerplaatsen beperkt de lijst van aanvaardbare kandidaten.

Vanwege de asymmetrische geometrie zijn veel krukassen vervaardigd door een "blank" te gieten of te smeden, die later kan worden afgewerkt. In sommige toepassingen worden opgebouwde lassen gebruikt. Traditioneel werden gietijzer, gietstaal en smeedstaal gebruikt voor krukassen. Het gebruik van selectief gecarboneerde en geharde lageroppervlakken is ook dagelijks. 

Krukasontwerpprocedure

Voor het ontwerp moet de volgende procedure worden gevolgd.

1. Bereken de grootte van de verschillende belastingen die op de krukas inwerken.
2. Bereken op basis van de belastingen de afstand tussen de ondersteuningsconstructies en posities.
3. Voor een simplistisch en veilig ontwerp moet de as worden ondersteund in het midden van de lagers en moeten alle krachten en reacties op die punten worden uitgeoefend. De afstand tussen de steunen is afhankelijk van de lengte van het lager, die meestal afhankelijk is van de asdiameter en van de toelaatbare lagerdrukken.
4. De dikte van de lijven is naar verwachting van 0.4 ds tot 0.6 ds, waarbij "ds" de diameter van de schacht is. Het wordt meestal beschouwd als 0.22 * D tot 0.32 * D, waarbij D de boringdiameter van de cilinder in mm is.
5. Schat hier en nu de afstand tussen de draagconstructies in.
6. Ga uit van de aanvaardbare buig- en schuifspanningen voor het materiaal van de krukas en zoek de afmeting van de krukas.

Krukas doorbuiging

De krukas bestaat uit de hoofdassegmenten, afzonderlijk versterkt door het hoofdlager, en vervolgens verschillende lijfassen waarop de specifieke zuiger-drijfstang zal draaien. De werpkruk die de krukpennen en de verbindingsarmen zijn, moeten vierkant zijn zonder afbuiging. Als dit niet het geval is, veroorzaakt dit ongebruikelijke slijtage aan de hoofdlagers. Een meetklok detecteert de verkeerde uitlijning van de krukas tussen de krukarmen. Het is de ongelijke slijtage die optreedt tussen de verschillende segmenten van de centrale as van de krukas.

Krukassen doorbuigingscurve plotten

• Vanaf de hartlijn van de krukas wordt er een rechte lijn parallel aan getrokken en vervolgens worden loodrechte lijnen van elke eenheid naar deze parallelle lijn getrokken.
• Nadat de doorbuiging van de krukas van elke eenheid is genomen, worden de afgeleide waarden boven elke eenheid van de krukas in de bovenstaande grafiek vermeld.
• Teken de afstand -5.0 mm, de eerste aflezing van de uitslag, naar beneden (voor negatieve waarde en naar boven voor positieve waarde) vanaf de referentielijn op de middellijn van de eenheid en laat de lijn “ab” staan ​​die onder een hoek staat die evenredig is met de doorbuiging bij 'a'.
• Deze lijn wordt verlengd om de middellijn van de volgende eenheid te snijden. De volgende stap is om de doorbuiging vanaf dit punt van verbinding te berekenen en samen te voegen met het punt vanaf het vorige punt, dat zal escaleren naar de lijn “bc”. De stappen moeten tot voltooiing worden herhaald.
• Teken een vloeiende curve tussen deze punten en vergelijk de positie van deze curve ten opzichte van de basislijn XY. In de bovenstaande grafiek is de curve die is getrokken uit de metingen van eenheid 1 en 2 te ver verwijderd van de basislijn in vergelijking met de rest van de curve en heeft daarom aandacht nodig.

Case study over defecte krukas voor schepen

De uitgevoerde casestudy gaat over het tragische falen van een webkrukas. De krukas is onderhevig aan sterke buiging en torsie en het gecombineerde effect op het falen van de krukas wordt geanalyseerd. De microscopische waarneming suggereerde dat het ontstaan ​​van scheurvorming op de krukpen begon als gevolg van roterende buiging, en dat de voortplanting een combinatie was van cyclisch buigen en gestage torsie. Het aantal cycli vanaf het ontstaan ​​van scheurvorming tot het uiteindelijke falen van de krukas werd vastgesteld door metingen van de werking van de hoofdmotor aan boord. Er wordt rekening gehouden met de benchmarks die zijn achtergelaten op het oppervlak van de vermoeidheidsscheur.

Door gebruik te maken van de lineaire elastische breukmechanica, lieten de berekende cycli zien dat de voortplanting snel was. Het laat ook zien dat de buigspanning vrij hoog was in vergelijking met het totale aantal cycli van de hoofdmotor in bedrijf. Microstructuurdefecten of insluitsels werden niet waargenomen; het geeft dus aan dat de storing te wijten was aan een externe oorzaak en niet aan het interne intrinsieke defect.

Het materiaal van de krukas had configuratie (42CrMo4 + Ni + V) (chemische samenstelling,%: C = 0.39; Si = 0.27; Mn = 0.79; P = 0.015; S = 014; Cr = 1.14; Mo = 0.21; Ni = 0.45; V = 0.10). De krukas van de hoofdmotor is beschadigd. De krukas nr. 4 is gebroken. Materiaal nabij het gebied van scheurinitiatie werd geanalyseerd en vertoonde een bainitische microstructuur. Het materiaal had hardheid vickers285.

De vermoeidheid lijkt op twee verschillende oppervlakken, een verticaal ten opzichte van de krukas en de andere in het horizontale vlak met de krukas met wisselzones tussen twee vlakken. Het tragische falen van de bovengenoemde scheepstrapas was dus te wijten aan vermoeidheid en een combinatie met het draaiende buigen met de gestage torsie. Het onderzoek en de observatie en ontwikkeling van nieuwe krukassen zijn aan de gang om dit soort defecten te voorkomen.

Referentie:

Fonte MA, Freitas MM. Analyse van defecten aan de krukas van de scheepsmotor: een casestudy, Engineering Failure Analysis 16 (2009) 1940–1947

Storingsanalyse van Boxer Diesel-krukas: casestudy

Het rapport gaat over de storingsanalyse van de krukas van de boxerdieselmotor. Krukas is het onderdeel dat een hogere complexe dynamische belasting ervaart vanwege roterende buiging aangevuld met torsie en buiging op krukpen. Krukassen worden multi-axiaal belast. Buigspanning en schuifspanning door verdraaiing en torsiebelasting door krachtoverbrenging. Krukassen zijn vervaardigd uit gesmeed staal, nodulair gietijzer en aus-gehard nodulair gietijzer.

Ze moeten voldoende sterkte, taaiheid, hardheid en hoge vermoeidheidssterkte bezitten. Ze moeten gemakkelijk te bewerken, warmtebehandeling en vormgegeven zijn. Warmtebehandeling verhoogt de slijtvastheid; alle diesel-krukassen worden dus met warmte behandeld. Ze zijn aan het oppervlak gehard om de vermoeidheidssterkte te verbeteren. Spanningen op hoog niveau worden waargenomen op kritieke zones zoals webfilets en de effecten van middelpuntvliedende kracht als gevolg van krachtoverbrenging en trillingen. De vermoeiingsbreuk nabij het gebied van de baanrand is de belangrijkste oorzaak van falen van de krukas sinds het ontstaan ​​van scheuren, en voortplanting vindt plaats door deze zone. 

De specificaties van de krukas van een boxmotor zijn: verplaatsing = 2000 cu. cm, diameter cilinder = 100 mm, max. vermogen = 150 pk, max. koppel = 350 Nm. Er is waargenomen dat na 95,000 km in bedrijf het falen van de krukas optreedt. Bij bijna 2000 geproduceerde motoren is vermoeidheidsbreuk opgetreden. Na analyse is vastgesteld dat de zwakte van twee centrale stalen hulzen en het meegeven van grondplaatbruggen als gevolg van scheuren de belangrijkste boosdoeners waren van het falen van de krukas.

De buigamplitude van de krukas neemt toe door de zwakte van gebarsten stalen hulzen en de bruggen van de bodemplaat, die eronder zitten. Er waren zeker geen aanwijzingen voor materiaaldefecten of verkeerde uitlijning van de hoofdtaplagers. Het verwoestende falen van de krukas was te wijten aan een gebrekkig ontwerp van stalen steunschalen en grondplaatbruggen. Het verbeterde ontwerp van de fabrikant lost dit probleem op.

Referentie:

M. Fonte et al., Krukasfoutanalyse van een boxerdieselmotor, Engineering Failure Analysis 56 (2015) 109-115.

Krukasvermoeidheidsanalyse: een overzicht

In dit artikel wordt de oorzaak van breuk van de krukas van de luchtcompressor geanalyseerd met behulp van verschillende methoden en parameters, zoals chemische samenstelling, mechanische eigenschappen, macroscopische, microscopische kenmerken en theoretische berekeningen. Dit document is ook bedoeld om het ontwerp, de vermoeidheidssterkte en de betrouwbaarheid van de krukas te verbeteren. De in deze studie gebruikte krukas is 42CrMo-staal dat is gesmeed en warmtebehandeld en genitreerd om de vermoeiingssterkte van de krukas te vergroten. De analyseprocedure voor de oorzaak van krukasbreuk bestaat uit drie delen:

• Experimentele analyse van krukas
• Macroscopische kenmerken en microstructuuranalyse
• Theoretische berekeningen

De chemische elementanalyse wordt uitgevoerd om de chemische samenstelling van het krukasmateriaal nauwkeurig te bepalen en te controleren of deze onder de toegestane standaardwaarden vallen. Het wordt gedaan met behulp van een spectrometer. De gebroken oppervlakken worden geclassificeerd in drie gebieden: (1) gebied van begin van vermoeidheidsscheur, (2) gebied van uitbreiding van vermoeidheid en (3) gebied van statische breuk.

Tijdens de analyse bleek dat de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren hoog is als gevolg van de hoge buiging. De verkeerde uitlijning van de hoofdtappen en de kleine afronding ten opzichte van het smeergat zijn de belangrijkste oorzaken van hoge buiging. De vermoeiingsscheur ontstond aan de rand van het smeergat en leidde zo tot de breuk. De strandsporen veroorzaakt door kleine overbelastingen bij het starten en stoppen van de compressor waren niet zichtbaar. Bij een bepaalde rotatiecyclus kunnen na een periode van standaardwerk microscheurtjes ontstaan ​​als gevolg van hoge buigspanning concentratie verscheen op de hoek van het smeergat. De krukas kan echter nog steeds in de normale werkingstoestand komen.

Naarmate de bedrijfstijd langer werd, nam ook de fluctuatie toe, waardoor de scheuren zich voortplantten naar het statische breukgebied, wat leidde tot volledig falen. De microscopische waarneming van het breukoppervlak gemeten met Scanning Electron Microscopy (SEM), die aantoonde dat een scheur aan de rand van het smeergat de reden was om de krukas te breken. Volgens de theoretische berekening wordt de veiligheidscurve voor het smeergat- en hoekgebied verkregen, wat helpt bij het identificeren van de zwakste secties.

Door de oppervlaktekwaliteit te verbeteren en de oppervlakteruwheid te verminderen, kan de betrouwbaarheid van de krukas worden vergroot. Een juiste uitlijning van de hoofdtappen zal de geïnduceerde buigspanning verminderen en de levensduur van de krukas verlengen.

Referentie:

W.Li et al., Analyse van krukasvermoeidheidsfalen, Engineering Failure Analysis 55 (2015) 139-147.

Falen van de krukas van de dieselmotor: een casestudy

In dit document wordt de storingsanalyse, modale analyse en spanningsanalyse van de krukas van een dieselmotor uitgevoerd. Om de breuk van het krukasmateriaal te evalueren, werd zowel de visuele inspectie als het onderzoek uitgevoerd. De gebruikte motor was de S-4003 en de krukas was na 5500 bedrijfsuren bij de krukpen vier gescheurd. De krukas was gebroken na ongeveer 30 tot 700 uur draaien van de motor. De aanvullende analyse toonde de aanwezigheid van microscheurtjes aan bij de 2e krukpen en 2e pen. Uit het onderzoek bleek dat de belangrijkste reden voor het falen een foutief maalproces was.

Voor verdere experimentele analyse werd het monster uit het beschadigde deel gesneden. Niet-lineaire eindige-elementenanalyse werd gebruikt om de redenen voor het abrupt falen van de krukas te identificeren. De analyse werd uitgevoerd om de spanningen te bepalen die in de as worden geïnduceerd als gevolg van cyclische belastingsomstandigheden wanneer de motor op maximaal vermogen draait.

Numerieke analyse wordt gebruikt om de relatie tussen de drijfstang en de krukas te vinden door complexe randvoorwaarden toe te passen. Voor het bepalen van de modi en frequentie van vrije trillingen, werd een numerieke modale analyse van de krukas uitgevoerd.

Na de analyse werd vastgesteld dat de spanningswaarde in de hoek van de krukpen nr. 4 ongeveer 6% was van de vloeispanning van het krukasmateriaal. De modale analyse leverde het resultaat op dat tijdens de tweede modus van vrije trillingen het gebied met hoge spanning werd gevonden in het gebied waar de scheurvorming plaatsvond (kritische zone).

Bij nadere observatie werd ontdekt dat krukasstoring optrad door resonerende trillingen die werden gegenereerd als gevolg van ongebalanceerde massa's op de as, die hoge cyclische spanningen veroorzaakten, waardoor de levensduur van de krukas verkort werd.

Referentie:

Lucjan Witek et al., Storingsonderzoek van een krukas van een dieselmotor, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369-376

Om te weten over de sterkte van materiaal klik hier

Hakimuddin Bawangaonwala

Ik ben Hakimuddin Bawangaonwala, een mechanisch ontwerpingenieur met expertise in mechanisch ontwerp en ontwikkeling. Ik heb M. Tech in Design Engineering afgerond en heb 2.5 jaar onderzoekservaring. Tot nu toe twee onderzoeksartikelen gepubliceerd over hard draaien en eindige-elementenanalyse van warmtebehandelingsarmaturen. Mijn interessegebied is machineontwerp, sterkte van materiaal, warmteoverdracht, thermische engineering enz. Vaardig in CATIA- en ANSYS-software voor CAD en CAE. Behalve onderzoek.