連桿早期裂紋在線監(jiān)測測點優(yōu)選

劉亞峰 汪宏偉 黃映云

（海軍工程大學(xué)）

0 前言

目前，國內(nèi)外對發(fā)動機(jī)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷已經(jīng)非常普遍，并取得了許多成果，也開發(fā)了相關(guān)的監(jiān)測儀器設(shè)備，監(jiān)測手段包括振動、噪聲、油樣、溫度、壓力等，但對發(fā)動機(jī)機(jī)的動力組件裂紋故障的在線監(jiān)測則受到其在交變載荷下高速運動的特性限制，在工程上較難實現(xiàn)〔1～3〕。為了防止發(fā)動機(jī)連桿產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致疲勞斷裂對人員造成損害和造成整機(jī)報廢的嚴(yán)重后果，對連桿的受力狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測尤為必要，而目前能夠?qū)崿F(xiàn)的辦法只有在連桿上布置應(yīng)變片來監(jiān)測連桿的受力情況。理論上講，應(yīng)該將測點布置在連桿所承受的最大交變應(yīng)力處，因為這個地方最容易發(fā)生疲勞斷裂，但由于監(jiān)測手段的局限性，對連桿內(nèi)部所受的應(yīng)力大小目前尚無法直接測量，因此，通過監(jiān)測連桿表面點受力情況的變化來判斷連桿早期裂紋的產(chǎn)生是一種可行的方法。本文要研究的是如何選擇最佳的測點。

1 連桿的有限元力學(xué)分析

作用于連桿的外載荷是通過活塞銷和連桿軸頸作用于連桿的小頭的?；钊N與銷孔的接觸載荷分布則與小頭襯套的剛度、間隙及油膜壓力分布有關(guān)，為簡單起見，本文在對連桿受力分析時認(rèn)為作用于連桿兩頭的載荷呈180度均勻分布〔4～6〕。對連桿作力學(xué)分析時，以氣缸中的爆炸壓力曲線作用于活塞后，換算成連桿兩頭的時間作用載荷，其中，連桿小頭Ps（t）＝（t），連桿大頭Pι（t）＝（t）。由于β較小，可認(rèn)為cosβ≈1。雖然，連桿實際上的受力必須考慮活塞慣性力、連桿本身慣性力以及曲柄慣性力的影響，但作為應(yīng)力監(jiān)測而非設(shè)計而言，忽略這些作用力對測點的選擇是沒有太大的影響的。連桿在實際的工作過程中，主要以傳遞活塞銷和曲柄銷的壓力為主，僅在進(jìn)氣沖程受到拉力作用（增壓柴油機(jī)可能僅承受壓力），為了全面反映連桿的受力狀態(tài)，計算分為以下四種情況：a．連桿小頭固定，大頭受壓力作用；b．連桿小頭固定，大頭受拉力作用；c．連桿大頭固定，小頭受壓力作用；d．連桿大頭固定，小頭受拉力作用。

本文以TBD234型柴油機(jī)的連桿為研究對象，利用solid 45單元建立連桿的有限元模型如圖1所示，共用單元73977個，節(jié)點15854個，模型中材料參數(shù)的取值為：E＝2．05×105N／mm2，μ＝0．3，ρ＝7．8×10－6kg／mm3。氣缸爆壓的時間曲線如圖2所示。

圖1 連桿的有限元模型

圖2 氣缸爆炸壓力曲線

對圖1所示的連桿有限元模型施加圖2所示的氣缸爆炸壓力曲線經(jīng)上述公式轉(zhuǎn)換后得到的載荷，計算得到連桿在上述四個工況下連桿受最大應(yīng)力時刻的應(yīng)力分布云圖如圖3至圖6所示。圖3和圖4顯示，連桿大頭受到壓力或拉力時，最大應(yīng)力發(fā)生在節(jié)點2785處；其應(yīng)力最大值分別為700MPa和697MPa．圖5和圖6顯示，連桿小頭受到壓力或拉力時，雖然最大應(yīng)力發(fā)生在節(jié)點連桿小頭的油道處；但在連桿大端的斷面與連桿桿身過渡處均有較大的應(yīng)力集中。

2 動力傳動組件的剛?cè)峄旌夏Ｐ陀嬎?/h2>

從連桿的有限元力學(xué)分析中可以看出：連桿小頭與桿身兩側(cè)的過渡處及連桿大頭與桿身過渡的上下邊緣在連桿的工作過程中可能會產(chǎn)生較大的應(yīng)力值，若要實時監(jiān)測連桿的工作狀態(tài)，這些點可以考慮作為傳感器的布置點，但由于空間位置的限制，必須從這些點中優(yōu)選出一個最能反映連桿工作狀態(tài)發(fā)生變化的布點。為此，本文通過建立 “完好連桿”和 “帶裂紋連桿”的柴油機(jī)動力傳動組件的剛?cè)峄旌夏Ｐ?，計算獲得額定工況，80%負(fù)荷工況，50%負(fù)荷工況三種工況下連桿上這些可能測點的應(yīng)力最大值，通過比較在同一工況下連桿產(chǎn)生裂紋前后，各測點應(yīng)力最大值的變化程度來判斷其對裂紋產(chǎn)生的敏感度?！巴旰眠B桿”與 “帶裂紋連桿”的剛?cè)峄旌夏Ｐ屯ㄟ^由ANSYS軟件計算得到的模態(tài)中性文件導(dǎo)入到由PRO／E軟件及ADAMS軟件聯(lián)合建立的多剛體動力學(xué)模型中得到。

圖3 連桿大頭受壓力作用時的應(yīng)力分布云圖

圖4 連桿大頭受拉力作用時的應(yīng)力分布云圖

圖5 連桿小頭受壓力作用時的應(yīng)力分布云圖

圖6 連桿小頭受拉力作用時的應(yīng)力分布云圖

由ANSYS生成的連桿模態(tài)中性文件如圖7所示。多剛體動力學(xué)模型是利用PRO／E與多體動力學(xué)分析軟件ADAMS之間的無縫接口軟件M／PRO轉(zhuǎn)化得到的。柴油機(jī)整機(jī)有上千零部件，在建立多剛體模型時對其進(jìn)行了簡化。文章將整個機(jī)組簡化為包括曲軸、機(jī)體、活塞、連桿、平衡軸、凸輪軸、氣缸蓋、電機(jī)轉(zhuǎn)子、機(jī)座、主軸承、機(jī)腳等在內(nèi)的46個剛體 （不包括大地），然后根據(jù)柴油機(jī)的實際運行方式，對整個柴油機(jī)動力學(xué)模型添加合適的運動學(xué)約束如：圓柱副、旋轉(zhuǎn)副、球鉸副、滑移副、固定副、點線副、齒輪副等，另外根據(jù)各缸發(fā)火次序添加不同相位缸內(nèi)爆炸壓力曲線作為模型的驅(qū)動約束。具體的約束添加方式如圖8所示，其中存在大量的固定副，文章沒有列出。實現(xiàn)連桿剛?cè)崽鎿Q后的柴油機(jī)動力傳遞組件剛?cè)峄旌夏Ｐ腿鐖D9所示，為了清楚的顯示連桿等運動組件，圖中隱藏了機(jī)體、缸蓋以及其它外掛件等。

圖7 連桿的模態(tài)中性文件

圖8 柴油機(jī)動力傳遞組件間的約束關(guān)系

圖9 柴油機(jī)動力傳遞組件剛?cè)峄旌夏Ｐ?/p>

表1 額定工況各測點應(yīng)力計算結(jié)果

表2 80% 負(fù)荷工況各測點應(yīng)力計算結(jié)果

表3 50% 負(fù)荷工況各測點應(yīng)力計算結(jié)果

在ADAMS中，對上述柴油機(jī)動力傳遞組件剛?cè)峄旌夏Ｐ头謩e施加額定負(fù)荷、80%負(fù)荷、50%負(fù)荷三種缸內(nèi)壓力爆炸曲線以及扭矩，計算得到連桿上各可能測點的應(yīng)力最大值如表1、表2和表3所示。三表中S1至S6分別對應(yīng)連桿上的六個可能測點的應(yīng)力最大值，對于 “完好連桿”，其節(jié)點號分別為：12，20，640，700，2785，2810；對于 “帶裂紋連桿”，其節(jié)點號分別為：12，20，532，556，677，713。

從上三表中的計算結(jié)果來看，三種工況下測點6所對應(yīng)位置的應(yīng)力最大值對產(chǎn)生裂紋最為敏感，適合作為監(jiān)測柴油機(jī)連桿受力狀態(tài)的測點。即在柴油機(jī)的工作過程中，若發(fā)現(xiàn)測點6的應(yīng)力最大值發(fā)生的較大變化，就應(yīng)該及時停機(jī)進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否是連桿已經(jīng)產(chǎn)生了早期裂紋。

3 結(jié)論

本文在對連桿進(jìn)行有限元力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，通過建立柴油機(jī)動力傳遞組件的剛?cè)峄旌夏Ｐ?，計算了在額定工況、80%負(fù)荷工況以及50%負(fù)荷工況下連桿上各可能測點的應(yīng)力最大值在產(chǎn)生裂紋后變化的敏感度，結(jié)果表明，連桿小頭與桿身過渡的側(cè)面對連桿產(chǎn)生裂紋后的應(yīng)力變化最為敏感，適合作為衡量連桿受力狀態(tài)的傳感器布置點，本文的結(jié)論為進(jìn)一步研究柴油機(jī)動力組件的裂紋故障狀態(tài)監(jiān)測提供了支持。

〔1〕湯建華，馬善偉，劉世生，等 ．艦船柴油機(jī)智能化在線監(jiān)測及故障預(yù)報技術(shù)研究 〔J〕．艦船科學(xué)技術(shù)．2009，31 （11）：34－36．

〔2〕蘇志忠，戴鳳濤，陳 峰，等 ．遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測與診斷功能的完善 〔J〕．石油化工設(shè)備．2011，40（8）：65－68．

〔3〕張錫清 ．機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 〔J〕．山東煤炭科技．2011，3：71－72．

〔4〕陳大榮，船舶內(nèi)燃機(jī)設(shè)計 〔M〕．北京：國防工業(yè)出版社，1995．

〔5〕袁兆成，內(nèi)燃機(jī)設(shè)計 〔M〕．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

〔6〕雷 艷，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)設(shè)計技術(shù) 〔M〕．北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2011．