柴油機(jī)風(fēng)扇軸強(qiáng)度及疲勞的分析與改進(jìn)

劉波，陳俊

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

1 前言

21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，公路、鐵路、航空等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都得到了前所未有的發(fā)展，工程機(jī)械、公交車(chē)、長(zhǎng)途用客車(chē)、載重貨車(chē)等的應(yīng)用也隨之“爆發(fā)式”增長(zhǎng)。作為工程機(jī)械、載重車(chē)等的動(dòng)力核心—柴油機(jī)的應(yīng)用和匹配也越來(lái)越成為各個(gè)柴油機(jī)主機(jī)廠的關(guān)注點(diǎn)和業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)點(diǎn)。

D114柴油機(jī)匹配某挖掘機(jī)，由于布置尺寸的要求，需要將風(fēng)扇軸的長(zhǎng)度由原來(lái)的128mm增長(zhǎng)至163mm。根據(jù)匹配變化要求，且風(fēng)扇軸為一懸臂梁結(jié)構(gòu)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題（由售后服務(wù)得知，原長(zhǎng)128mm的風(fēng)扇軸經(jīng)常在運(yùn)行幾個(gè)月甚至一年以上發(fā)生斷裂），需要對(duì)風(fēng)扇軸的強(qiáng)度及疲勞進(jìn)行校核計(jì)算。本文的有限元強(qiáng)度計(jì)算，前后處理及求解皆使用Abaqus軟件，疲勞計(jì)算采用Fem fat軟件。

2 模型和分析說(shuō)明

模型主要采用螺栓、過(guò)盈、壓裝等連接方式，將軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，如圖1所示?？紤]到模型組件較多，將物理模型簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)模型以進(jìn)行有限元分析。根據(jù)組件間的連接方式及位置關(guān)系，并考慮本次分析主要是計(jì)算風(fēng)扇軸的疲勞強(qiáng)度，因此將螺栓連接屬性定義為綁定。根據(jù)公差給定分析所采用的最大過(guò)盈量，壓裝處連接屬性定義為接觸。根據(jù)構(gòu)件與風(fēng)扇軸的位置，將其余連接屬性定義為綁定或接觸缸蓋施加3個(gè)方向的約束，加速度施加在除缸蓋外的所有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上。

整個(gè)模型采用二階四面體網(wǎng)格來(lái)劃分?？紤]到獲取柴油機(jī)在挖掘機(jī)上的實(shí)際工況的困難，因此采用柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)所累積的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定計(jì)算中需要的振動(dòng)加速度，皮帶力采用余弦函數(shù)方式加載。

考慮到強(qiáng)度與疲勞的分析出發(fā)點(diǎn)及計(jì)算原理不同，因此本次分析采用針對(duì)強(qiáng)度和疲勞計(jì)算所采用的加速度是不同的。

3 分析結(jié)果

風(fēng)扇軸強(qiáng)度分析了6個(gè)工況，即最大螺栓預(yù)緊力+皮帶力+6個(gè)方向加速度，計(jì)算結(jié)果如圖2～圖7所示。其強(qiáng)度結(jié)果變形比例為放大100倍，不考慮螺栓接觸部分的應(yīng)力。

根據(jù)圖2～7的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果[1]，從強(qiáng)度的角度考慮，風(fēng)扇軸滿足設(shè)計(jì)要求。該類(lèi)風(fēng)扇軸的失效多數(shù)為運(yùn)行幾個(gè)月甚至一年以上才發(fā)生斷裂，結(jié)合工程應(yīng)用工程師的經(jīng)驗(yàn)和該型柴油機(jī)配套主機(jī)廠的實(shí)際應(yīng)用情況，可以判斷出疲勞為風(fēng)扇軸的主要失效形式。

以Abaqus計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果為輸入，結(jié)合材料屬性、疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)、材料統(tǒng)計(jì)規(guī)律、零件表面粗糙度、熱處理等數(shù)據(jù)，采用Fem fat疲勞計(jì)算軟件[2]計(jì)算得風(fēng)扇軸在設(shè)定工況下的最小安全系數(shù)，如圖8所示。

根據(jù)圖2～7的計(jì)算結(jié)果，最大抗拉應(yīng)力低于材料的強(qiáng)度極限，改長(zhǎng)的風(fēng)扇軸仍滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求；危險(xiǎn)位置采用R3mm圓角半徑的風(fēng)扇軸疲勞計(jì)算結(jié)果表明，最小安全系數(shù)為0.87，按照Femfat經(jīng)驗(yàn)，不能滿足應(yīng)用要求。根據(jù)Fem fat提供的工程經(jīng)驗(yàn)[2]，發(fā)動(dòng)機(jī)組件的疲勞安全系數(shù)通常要達(dá)到在1.1以上（主要考慮計(jì)算精度及網(wǎng)格精度對(duì)結(jié)果的影響），據(jù)此經(jīng)驗(yàn)知圖8結(jié)果不滿足經(jīng)驗(yàn)要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。

因此將風(fēng)扇軸段危險(xiǎn)位置的圓角半徑由R3 mm改為R5mm，改進(jìn)方案的危險(xiǎn)位置的安全系數(shù)提高到1.43，滿足了應(yīng)用要求。

由圖8計(jì)算結(jié)果，該風(fēng)扇軸的常規(guī)危險(xiǎn)位置在軸端過(guò)渡圓角處。原方案中，危險(xiǎn)位置的圓角半徑為R3mm，改進(jìn)方案的圓角半徑為R5mm，見(jiàn)圖9。

4 結(jié)論

本文針對(duì)柴油機(jī)匹配工程機(jī)械的實(shí)際應(yīng)用，采用Abaqus軟件進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析的前、后處理及求解，由Femfat計(jì)算疲勞安全系數(shù)。

需要說(shuō)明的是，本文采用的工況是以經(jīng)驗(yàn)累積為基礎(chǔ)、CAE分析工程師結(jié)合經(jīng)驗(yàn)假設(shè)的邊界條件及載荷工況，并根據(jù)實(shí)際物理模型的簡(jiǎn)化及CAE建模的要求做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，因此計(jì)算結(jié)果只做定性的參考。實(shí)際應(yīng)用中，建議采用試驗(yàn)測(cè)試得到的工況（通常為三個(gè)平動(dòng)方向都存在加速度的情況）為邊界載荷，這樣的結(jié)果更接近于真實(shí)情況，可在工程實(shí)際中采納。

1石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

2麥格納公司.THEORIE_BASIC46_FEMFAT. Canada，2006.