曲轴是船用柴油机重要零件之一。在气缸压力、往复惯性力周期性冲击和扭转载荷的联合作用下,曲轴容易因弯曲和扭转疲劳而产生裂纹,从而出现重大的安全隐患。若能够对曲轴裂纹进行有效地监测,及时发现裂纹的存在,就能适时对曲轴进行维修或者更换,从而避免人员伤亡,降低经济损失。本文以锡柴4120SG型柴油机为研究对象,对正常曲轴和裂纹曲轴进行模态计算分析,研究裂纹出现前后曲轴自由模态频率及相应振型的变化规律,探索裂纹对曲轴固有特性的影响。在此基础上建立柴油机曲轴轴系多体动力学计算模型,以柴油机一个循环中信号的峰值和出现峰值的曲柄转角度数为特征参数,研究裂纹对柴油机曲轴轴系特征参数的影响规律,并分析干扰曲轴裂纹识别的影响因素,最后在4120SG型柴油机台架上进行试验验证。本文主要工作和结论为:1、模态计算及相应的模态试验表明:裂纹对模态振型影响较小,仅当裂纹较深、数量较多时振幅才会发生变化。裂纹对模态频率影响较大,曲轴中间位置的裂纹对模态频率的影响较曲轴两端处的裂纹大。裂纹越深、数量越多,模态频率变化量越大。裂纹改变了曲轴结构原有的刚度和阻尼,裂纹越深、数量越多,曲轴的刚度减小的就越多。因此,若能监测轴系扭转共振频率的变化,可实现曲轴裂纹的早期识别。2、4120SG型船用柴油机多体动力学计算表明:曲轴瞬时转速对裂纹不敏感,纵向振动对裂纹较敏感。裂纹导致曲轴的纵振峰值在裂纹所在位置处于发火时刻和发火时刻后130deg曲柄转角附近变大,非裂纹位置处基本不变。整体上表现为裂纹越深、数量越多,曲轴纵振峰值变化量就越大。因此可以通过实时监测柴油机曲轴纵向振动达到早期识别曲轴裂纹的目的。3、干扰曲轴裂纹识别的影响因素分析表明:虽然变转速、变负荷也会引起曲轴纵振峰值的突变,但与裂纹对纵向振动的规律不同。转速变化时,纵振信号是整体有较大的变化,变化趋势很明显,随着转速的增加,纵振峰值变化增大,出现峰值的时刻逐渐后移;负荷变化时,纵振峰值在一个周期内做无规律变化,整个周期上趋近动态平衡;当曲轴出现裂纹时,纵振峰值是在发火点和发火点后130deg曲柄转角附近发生局部的变化。因此柴油机转速和负荷的变化不会干扰曲轴裂纹的识别。4、以实验室长轴系的6L16/24型柴油机台架为对象,研究曲轴柔性对轴系纵振的影响,通过多体动力学仿真模型计算分析表明:曲轴结构越长,刚度越小,纵向振动对裂纹越敏感。5、在4120SG型柴油机上进行了试验验证,结果表明:计算模型可以较好反映柴油机轴系的振动特性,通过计算得到的结论是可信的。若纵振峰值在柴油机发火点附近出现局部明显变化,则说明该曲轴出现了裂纹,如果纵振峰值变化剧烈,在发火点和发火点后130deg曲柄转角附近较正常工况下的纵振峰值超过0.01mm,就说明该曲轴裂纹较深或者裂纹数量较多,应当引起足够的重视。裂纹的出现,曲轴纵振峰值变化数量级在10^-3-10^-2mm,因此对曲轴纵振微小变化的准确监测是柴油机曲轴裂纹早期识别的难点。曲轴裂纹对柴油机的可靠性影响非常大,虽然受试验条件的限制,未能进行裂纹模拟试验,但论文主要通过仿真模型的计算分析,既发现了曲轴裂纹早期识别的可行性,又指出了裂纹识别的难点,可为柴油机曲轴裂纹早期识别的工程应用提供参考。