再制造機(jī)械零部件的壽命評(píng)估及研究

趙蓉

摘要：機(jī)械零部件的再制造是使用現(xiàn)代化的技術(shù)，對(duì)退役的零部件再次修復(fù)和利用。再制造工程中最重要的部分就是對(duì)再制造材料壽命的評(píng)估，其直接決定再制造的可行性。本文研究了一種基于有限元分析的再制造機(jī)械零件剩余壽命預(yù)測(cè)算法 ，并結(jié)合再制造實(shí)例對(duì)壽命預(yù)測(cè)進(jìn)驗(yàn)證。

Abstract： The remanufacturing of mechanical parts is to use modern technology to repair and utilize the retired parts again. The most important part of remanufacturing engineering is the evaluation of remanufacturing material life， which directly determines the feasibility of remanufacturing. This paper studies a remanufacturing machine parts residual life prediction algorithm based on finite element analysis， and combined with remanufacturing examples to verify the life prediction.

關(guān)鍵詞：零部件;壽命;材料

Key words： parts;life;material

中圖分類(lèi)號(hào)：V435+.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0113-02

0? 引言

隨著大量到達(dá)使用年限的機(jī)械產(chǎn)品的退役，退役零部件的再次利用就是目前急于解決的問(wèn)題。一些退役的機(jī)械零部件還沒(méi)達(dá)到其材料的使用壽命，零部件的報(bào)廢處理，會(huì)造成很大的資源浪費(fèi)。再制造工程可將退役的零部件材料重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行修復(fù)、改制或者降級(jí)使用。但首先要解決的問(wèn)題就是對(duì)再制造材料剩余壽命的評(píng)估，研究其疲勞壽命是否達(dá)到極限值，再制造壽命的評(píng)價(jià)就成了關(guān)鍵難點(diǎn)。對(duì)再制造機(jī)械零部件急需解決的壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題的研究，很有重要實(shí)際意義。

1? 再制造壽命評(píng)估的研究現(xiàn)狀

雖然有大量科技工作者的研究投入和研究成果的應(yīng)用，再制造零部件壽命的評(píng)估研究仍屬于較新的工程領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)給的研究仍有很多課題需要完善。張書(shū)珍借助ANSYS三維設(shè)計(jì)軟件，采用裂紋效應(yīng)理論，3D擴(kuò)展算法對(duì)某工程機(jī)械進(jìn)行剩余壽命評(píng)估[1]。張國(guó)慶利用單軸損傷模型，對(duì)曲軸進(jìn)行有限元分析，建立了一種壽命預(yù)測(cè)模型[2]。郭孝敏以數(shù)值仿真的結(jié)果為基礎(chǔ)，以BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為理論支撐，建立可再制造評(píng)價(jià)體系，驗(yàn)證其方法在剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)中的可行性[3]。陳旭峰引入主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)思想，采用等價(jià)壽命方法進(jìn)行再制造的優(yōu)化[4]。目前的研究手段，大部分都是以ANSYS設(shè)計(jì)軟件作為研究平臺(tái)，以有限元的分析結(jié)果，作為源頭數(shù)據(jù)或者參考對(duì)比值。這種研究方式，非常直觀(guān)準(zhǔn)確，再結(jié)合一些輔助手段，評(píng)估結(jié)果較為可靠。

目前再制造壽命的研究都是采用某種科學(xué)理論的方法，對(duì)再制造材料進(jìn)行剩余壽命的計(jì)算，以及目前綜合狀態(tài)的判斷。再結(jié)合數(shù)值模擬仿真，進(jìn)行結(jié)果的優(yōu)化，得出最優(yōu)的再制造方案，最終總結(jié)出一套再制造壽命評(píng)估模型。但同時(shí)，在采用理論基礎(chǔ)時(shí)，往往沒(méi)有考慮再制造零部件實(shí)際的使用環(huán)境因素，造成預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)存在偏差。其次，對(duì)再制造零部件僅處于評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)的階段，沒(méi)有對(duì)特性、參數(shù)進(jìn)行全面的再設(shè)計(jì)。再則，目前零部件原材料的物理性能質(zhì)量有高有低，研究時(shí)應(yīng)在對(duì)原材料的檢測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，比如，先對(duì)原材料進(jìn)行物理性能分析，以及無(wú)損檢測(cè)，將檢測(cè)和分析數(shù)據(jù)作為一個(gè)影響因素進(jìn)行評(píng)估。

2? 再制造壽命的評(píng)估理論

影響零部件再制造壽命的因素很多，對(duì)疲勞壽命評(píng)估也很復(fù)雜。再制造零件的初始材料和使用環(huán)境，以及使用過(guò)程中的受力情況等等，都會(huì)影響再制造零部件的壽命。其壽命是由最薄弱處的材質(zhì)壽命決定的，其中，零部件材料的裂紋情況，對(duì)再制造壽命影響極大。也因此基于裂紋效應(yīng)，建立了一種壽命預(yù)測(cè)方法，也是目前研究和采用最廣泛的一種方法。對(duì)再制造零部件壽命評(píng)估技術(shù)路線(xiàn)，大致可以歸納為兩種，一種是基于再制造材料疲勞壽命的研究，另一種是基于再制造材料裂紋效應(yīng)的研究。當(dāng)然，這兩種評(píng)估方法都是借助于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者使用環(huán)境的參數(shù)設(shè)計(jì)，再結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行有限元的計(jì)算。大部分壽命預(yù)測(cè)都是采用疲勞壽命的評(píng)估方法，但這種方法往往太過(guò)于理論，與實(shí)際情況不太符合。而裂紋效應(yīng)的評(píng)估線(xiàn)路，更能體現(xiàn)使用時(shí)的現(xiàn)狀。

2.1 再制造壽命評(píng)估的影響因素

再制造零部件壽命評(píng)估是個(gè)綜合性的學(xué)科，其需要結(jié)合多種學(xué)科知識(shí)，涉及工科和理科的交叉融合。影響零部件再制造壽命評(píng)估的因素復(fù)雜，大致歸納起來(lái)有原材料本身的物理性能、材料基本現(xiàn)狀、零部件的使用環(huán)境和目前零部件疲勞強(qiáng)度的剩余值。首先原材料的物理性能里材料的化學(xué)成分和內(nèi)部缺陷是壽命評(píng)估的基礎(chǔ)，影響也最大，不同的材質(zhì)使用壽命相差甚遠(yuǎn)，材料的金相組織和缺陷情況，決定了這個(gè)材質(zhì)的質(zhì)量高低。即使其他相同，材質(zhì)的纖維方向也會(huì)影響壽命的評(píng)估。其次，材料的基本現(xiàn)狀包括零件部基本尺寸、熱處理情況和光潔度等。零部件基本尺寸影響材料的疲勞壽命，尺寸大小和疲勞強(qiáng)度成反比。材料的表面光潔度值越低、材料表面越平整，加工紋路越小，應(yīng)力不容易集中，這樣就提高了材料的疲勞壽命。所以，一般使用要求越高的零件，光潔度要求越高。調(diào)質(zhì)熱處理可以明細(xì)提高材料的強(qiáng)度，退火可以有效去除內(nèi)部應(yīng)力，熱處理狀態(tài)也是影響因素。再次，零部件使用環(huán)境中的溫度和濕度，會(huì)加快材料的腐蝕，腐蝕降低材料的機(jī)械疲勞性能，降低材料的橫截面承受負(fù)荷的能力。承受載荷的變化的程度，影響材料疲勞強(qiáng)度的變化特性。材料承受的載荷變化頻率和幅度較大時(shí)，其疲勞強(qiáng)度就會(huì)降低。在零部件長(zhǎng)期使用中，其疲勞壽命根據(jù)使用情況會(huì)不同程度地降低，所以準(zhǔn)確客觀(guān)地評(píng)價(jià)出其剩余疲勞壽命也是很重要的因素之一。再制造零部件選取時(shí)一般要選取材質(zhì)內(nèi)部質(zhì)量無(wú)改變、無(wú)裂紋、無(wú)較大變形、無(wú)殘余應(yīng)力的零部件，這樣可以保證其再制造質(zhì)量和壽命。

2.2 再制造壽命評(píng)估方法

由于零部件的參數(shù)有時(shí)不能精確的檢測(cè)，其評(píng)估方法也是個(gè)繁重的工作，結(jié)果也要相互驗(yàn)證?；诓煌睦碚?，再制造零部件壽命的評(píng)估方法有不同的幾種，其中應(yīng)用較多的是名義應(yīng)力法，該方法實(shí)際上是以構(gòu)件應(yīng)力和應(yīng)力集中因子KT為參數(shù)的傳統(tǒng)疲勞壽命估算方法，是基于無(wú)缺陷材料的累積疲勞損傷理論。材料受到的載荷超過(guò)材料的極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生損傷。積累到一定程度，材料就會(huì)產(chǎn)生破壞而報(bào)廢。該評(píng)估方法，未考慮零部件表面狀態(tài)的情況，比如表面裂紋或者內(nèi)部缺陷等。這樣就導(dǎo)致評(píng)估的結(jié)果過(guò)于理想化，對(duì)于重復(fù)使用的零部件，其壽命評(píng)估準(zhǔn)確性也就有了一定的折扣。另外還有一種是局部應(yīng)變法，這種方法是基于材料的應(yīng)力與變形，考慮多方向的變化載荷，累積計(jì)算疲勞總壽命。適用于低頻疲勞的單一零件預(yù)測(cè)，缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮表面狀態(tài)和尺寸。還有一種是裂紋擴(kuò)展壽命方法，種方法假設(shè)零件中的裂紋已經(jīng)存在，并使用裂紋動(dòng)力學(xué)理論分析或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證等方法來(lái)確定裂紋是否擴(kuò)展到臨界尺寸。該方法主要考慮了裂紋缺陷的影響因素，壽命預(yù)測(cè)也更接近于實(shí)際情況。以上方法在不同的領(lǐng)域都得到不同程度的應(yīng)用，較為簡(jiǎn)便是名義應(yīng)力法，但相對(duì)結(jié)果不太準(zhǔn)確。裂紋擴(kuò)展法雖然考慮了裂紋缺陷等，但不適用于變載荷的場(chǎng)景。因此，有限元方法的引入，與基礎(chǔ)理論的結(jié)合，可以一定程度改善評(píng)估的準(zhǔn)確性。

3? 疲勞壽命的有限元算法

疲勞壽命評(píng)估一般使用基于有限元的方法。有限元疲勞算法（FEA）基于比傳統(tǒng)疲勞壽命計(jì)算方法更少的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，并且可以通過(guò)軟件方便、快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行分析。有限元法首先根據(jù)工作載荷、零件的幾何參數(shù)和受約束的連接計(jì)算動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，然后使用另一個(gè)疲勞損傷模型通過(guò)壽命計(jì)算來(lái)計(jì)算疲勞壽命。

壽命計(jì)算步驟及公式：

首先，選擇疲勞損傷模型。根據(jù)施加到零件上的載荷性質(zhì)選擇合適的疲勞損傷模型。對(duì)于彈性構(gòu)件和高主疲勞，選擇“應(yīng)力壽命模型”。對(duì)于塑料零件，低周疲勞采用應(yīng)變壽命模型，多軸疲勞損傷模型適用于能承受多軸載荷但不能被單軸載荷減少的零件。 然后，選擇合適的模型后，根據(jù)載荷特性選擇計(jì)算載荷彈性應(yīng)力的方法，采用有限元法計(jì)算參數(shù)。

壽命計(jì)算公式：

4? 壽命計(jì)算實(shí)例

以某工程機(jī)械再制造的絲杠，進(jìn)行再制造壽命的評(píng)估和驗(yàn)證。

4.1 有限元壽命分析

該絲杠材質(zhì)為45，調(diào)質(zhì)處理。螺紋牙型為T(mén)形，螺紋為右旋，公稱(chēng)直徑為150mm，螺距為8mm。用UG軟件建模后，再ANSYS Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)輸入、邊界條件設(shè)定后，在 Solution 中進(jìn)行求解。得到該絲杠的再制造疲勞壽命最小處為1195.5。

4.2 再制造壽命計(jì)算

將有限元分析的結(jié)果，代入壽命計(jì)算公式，得到結(jié)果如表1。

結(jié)合工廠(chǎng)數(shù)據(jù)，換成時(shí)間標(biāo)定，以該絲杠每月的使用次數(shù)為30次，則換算成使用時(shí)間為：1195/（12×30）=3.3年。

5? 結(jié)語(yǔ)

在本文中首先研究了再制造零件的壽命評(píng)估的研究現(xiàn)狀，探討了理論基礎(chǔ)，并對(duì)比了各理論的優(yōu)缺點(diǎn)和使用場(chǎng)合，結(jié)合ANSYS有限元仿真分析，計(jì)算了某工程零件的再制造疲勞壽命。通過(guò)此思路對(duì)壽命評(píng)估的研究，很有實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

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