某大型柴油機(jī)連桿大頭軸瓦微動(dòng)磨損分析

祖帥 車銀輝 劉艷莊

摘要：通過(guò)使用AVL Excite PU軟件和Abaqus軟件的聯(lián)合仿真，在大型V18柴油發(fā)電機(jī)上進(jìn)行連桿大頭軸瓦微動(dòng)磨損分析，通過(guò)計(jì)算微動(dòng)磨損指示參數(shù)（FIP）研究不同裝配條件下軸瓦是否會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)磨損現(xiàn)象。結(jié)果表明：按照當(dāng)前的裝配條件，有可能會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)磨損，對(duì)于該大型發(fā)電機(jī)來(lái)講小量級(jí)的軸瓦過(guò)盈量差別對(duì)于微動(dòng)磨損的影響很小，并且如果螺栓預(yù)緊力施加小于設(shè)計(jì)所要求的力，產(chǎn)生微動(dòng)磨損的可能性將增大。除此以外，本文對(duì)于連桿瓦座余高、連桿瓦座尺寸的上下偏差進(jìn)行了不同的案例研究。

Abstract： This paper study micro sliding fretting on some V18 diesel engine conrod big end shell through co-simulation with AVL Excite PU and Abaqus. Based on FIP（Fretting Identified Parameter） calculation， whether if there would be micro sliding fretting generated on different assembling conditions was study. The results show that it would generate micro sliding fretting under current conditions. Small level shell oversize difference makes small impact on micro sliding fretting， while if bolt preload would be lower than design requirement， the possibility of micro sliding fretting generation would be increased. Conrod shell over-height， conrod shell cover size were also analyzed in this paper.

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);微動(dòng)磨損;裝配

Key words： diesel engine;micro sliding fretting;assembling

中圖分類號(hào)：TK422 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0074-04

0 ?引言

連桿軸承是內(nèi)燃機(jī)主要摩擦副之一，連接曲軸和連桿，傳遞動(dòng)力。連桿軸承受到氣缸內(nèi)氣體壓力和旋轉(zhuǎn)慣性力的周期性沖擊，工作環(huán)境比較惡劣，軸瓦工作過(guò)程中將受到復(fù)雜交變外載激勵(lì)以及安裝載荷激勵(lì)的影響，因此容易出現(xiàn)失效，其常見的失效形式包括：滑動(dòng)表面咬粘（燒熔）、表面過(guò)熱、軸瓦疲勞、表面磨損、微動(dòng)磨損等[1]。

微動(dòng)磨損是一種由于兩表面之間很小的相對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，由于缸內(nèi)壓力作用，導(dǎo)致軸瓦內(nèi)表面接觸壓力的周期性變化，致使軸瓦與軸承座產(chǎn)生變形，繼而軸瓦瓦背產(chǎn)生一定的切向力，當(dāng)軸承螺栓預(yù)緊力與過(guò)盈力無(wú)法抵消該切向力時(shí)，由于軸瓦與軸承座自身材料的不同會(huì)導(dǎo)致變形量出現(xiàn)一定的差異，使軸瓦瓦背表面產(chǎn)生的持續(xù)的相對(duì)滑移，繼而導(dǎo)致瓦背與軸承座表面的微動(dòng)磨損[2，3]。微動(dòng)磨損不僅會(huì)導(dǎo)致軸瓦瓦背的微動(dòng)疲勞，同時(shí)也會(huì)影響軸瓦內(nèi)表面接觸狀態(tài)，影響整機(jī)的摩擦功耗[4，5]。與此同時(shí)，如果軸瓦相對(duì)滑移量較大，可能會(huì)導(dǎo)致軸承座供油孔堵塞，致使軸承潤(rùn)滑失效，使軸瓦與曲軸產(chǎn)生不可逆的破壞。因此，研究軸瓦微動(dòng)磨損對(duì)于改善軸瓦自身疲勞耐久性、整機(jī)潤(rùn)滑以及摩擦磨損都有重要的意義。

本文以某大型柴油機(jī)（參數(shù)見表1）為研究對(duì)象，在AVL Excite Power Unit（下簡(jiǎn)稱Excite PU）軟件中搭建缸套連桿模型，包括精確的連桿大頭軸承彈性液動(dòng)模型，通過(guò)與Abaqus有限元軟件的聯(lián)合仿真，進(jìn)行精確的軸承液動(dòng)潤(rùn)滑彈性計(jì)算，得到軸瓦表面的液動(dòng)接觸壓力、粗糙磨損壓力行程的總壓，并最終得到微動(dòng)磨損分析FIP指標(biāo)。

1 ?模型搭建

1.1 彈性液動(dòng)潤(rùn)滑理論

Excite PU軟件中使用彈性液動(dòng)潤(rùn)滑理，該理論基于軸承副的實(shí)際工作過(guò)程中不同的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行不同的計(jì)算處理。根據(jù)軸承副潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑模型分為純液動(dòng)潤(rùn)滑模型、粗糙潤(rùn)滑模型、混合潤(rùn)滑模型、邊界潤(rùn)滑模型以及干接觸模型。發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中，連桿大頭軸承最主要的潤(rùn)滑狀態(tài)為純液動(dòng)潤(rùn)滑模型和粗糙潤(rùn)滑模型，所對(duì)應(yīng)的求解控制方程為擴(kuò)展雷諾方程[6，7]：

式中：η為機(jī)油動(dòng)力粘度;h 名義油膜厚度;p 為油膜壓力;θ為機(jī)油填充率;？滋1、？滋2為軸頸、軸瓦的周向運(yùn)動(dòng)速度。

上述擴(kuò)展雷諾方程表征了油膜厚度與油膜壓力、摩擦副表面相對(duì)速度以及軸承間隙變化率之間的關(guān)系。通常而言，載荷越大，油膜壓力越高，油膜厚度越小。

1.2 多體動(dòng)力學(xué)模型

在Excite PU軟件中搭建發(fā)動(dòng)機(jī)其中兩缸連桿模型如圖1所示。

該軟件是通過(guò)線性FEM 彈性體模型和非線性的連接副組成高度非線性多體動(dòng)力學(xué)分析模型。結(jié)合模態(tài)子結(jié)構(gòu)縮減分析理論，將原始有限元實(shí)體龐大的質(zhì)量-剛度矩陣縮減為規(guī)模小但完全等效的質(zhì)量-剛度鉅陣。即縮減后的矩陣在節(jié)點(diǎn)上保留了與原始矩陣相同的特性，從而大大減少多體動(dòng)力學(xué)時(shí)域計(jì)算時(shí)間。

1.3 仿真參數(shù)

除了常規(guī)的連桿參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)外，本次仿真研究中最重要的參數(shù)是連桿大頭螺栓預(yù)緊力、軸瓦過(guò)盈量和軸瓦型線。

1.3.1 螺栓預(yù)緊力與軸瓦過(guò)盈量

連桿大頭軸瓦螺栓預(yù)緊力由設(shè)計(jì)要求規(guī)定大小為170，000N。

基于連桿大頭軸瓦余高和連桿瓦座尺寸（包含上下偏差），使用AVL Excite Designer可以計(jì)算出軸瓦過(guò)盈量和軸瓦間隙。最終計(jì)算出該發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭軸瓦實(shí)際過(guò)盈量為0.15mm。軸瓦間隙不在下文的分析范圍內(nèi)討論。

1.3.2 軸瓦型線

AVL給出的軸瓦微動(dòng)磨損分析流程如圖2。由于在微動(dòng)磨損分析中，軸承的壓力直接影響軸瓦瓦背接觸狀態(tài)，而軸承內(nèi)表面型線會(huì)直接影響軸承液動(dòng)潤(rùn)滑，因此軸瓦型線的準(zhǔn)確性也將直接影響軸承工作過(guò)程的受載壓力分布。影響軸瓦型線的主要因素有兩個(gè)：一是軸承內(nèi)表面加工型線，二是軸瓦安裝預(yù)緊變形。

在Excite PU軟件中對(duì)軸瓦位置的定義如圖3，軸瓦的加工型線一般呈檸檬形，90°與270°位置由于上下軸瓦邊接觸面緣倒角，呈現(xiàn)向外凸起形式，如圖4所示。

軸承座實(shí)際加工過(guò)程中，通常需要在裝配螺栓后軸承蓋在預(yù)緊狀態(tài)下重新鏜削加工至規(guī)則的圓孔。圖5為軸瓦施加預(yù)緊力前后模擬示意圖，為了考慮鏜削加工因素，AVL軟件中在計(jì)算螺栓預(yù)緊力作用之后，對(duì)于軸承孔節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新調(diào)整，使軸承孔再次變?yōu)橐?guī)則的圓孔，之后再加載軸瓦過(guò)盈，以此模擬軸瓦實(shí)際加工安裝狀態(tài)。

圖6為軸承孔鏜削加工前與鏜削加工后軸瓦裝配后變形量對(duì)比。由圖可知，兩種不同加工方式下軸瓦變形趨勢(shì)差異較大，前者呈現(xiàn)沿Z軸壓扁變形的趨勢(shì)，而后者呈現(xiàn)沿Z軸拉伸的形式。且二者變形量幅值差異較大，后者幅值小5微米左右。說(shuō)明二次鏜削加工可很大幅度上減小軸瓦安裝變形。

軸承工作過(guò)程中，由于軸承液動(dòng)摩擦力以及粗糙接觸摩擦力都會(huì)導(dǎo)致軸承中潤(rùn)滑油以及軸承溫度的升高。圖7為軸承在1000rpm某一循環(huán)內(nèi)機(jī)油溫度變化情況，由圖可知軸瓦最高溫升最大值為10°（機(jī)油初始溫度為60°），軸瓦與軸頸溫度變化勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致軸承位置軸瓦的熱變形。結(jié)合圖3分析流程，為了使計(jì)算更為準(zhǔn)確，通過(guò)多次動(dòng)力學(xué)與有限元傳熱分析的迭代，使軸瓦熱載平衡。圖7為軸瓦工作過(guò)程中循環(huán)平均熱載分布情況，從圖中可知，軸瓦工作過(guò)程中前后兩端邊緣位置熱載分布較大，主要由于軸頸彎曲和傾斜變形導(dǎo)致軸瓦邊緣粗糙接觸壓力較大進(jìn)而引起熱載增加。對(duì)于主軸瓦而言，其工作過(guò)程中循環(huán)平均熱載值不能過(guò)高，過(guò)高的軸承熱載可能會(huì)導(dǎo)致軸瓦工作過(guò)程中出現(xiàn)局部過(guò)熱繼而出現(xiàn)燒瓦現(xiàn)象，根據(jù)AVL建議，一般而言，軸瓦工作過(guò)程中機(jī)油溫升不超過(guò)60°，循環(huán)平均熱載不超過(guò)1400N/mm.s。

2 ?方案確定

本文在研究時(shí)基于實(shí)際工況中出現(xiàn)的不同連桿瓦余高以及連桿瓦座上下偏差進(jìn)行仿真研究，計(jì)算出過(guò)盈量差別僅在幾十個(gè)微米，而間隙的差別也僅在0.01mm，最終仿真結(jié)果基本看不出差別，原因在于大型柴油機(jī)，微小的過(guò)盈量差別對(duì)微動(dòng)磨損結(jié)果影響比例太小。因此，本文研究采用如表2所示三種方案。

3 ?仿真結(jié)果

3.1 軸承總壓計(jì)算

通過(guò)AVL Excite PU計(jì)算出的軸瓦所受最大總壓時(shí)的壓力分布如圖8所示。

多體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算后需要通過(guò)Abaqus聯(lián)合仿真，圖9所示為Abaqus中所施加的壓力分布。

3.2 微動(dòng)磨損分析

針對(duì)軸瓦微動(dòng)磨損分析，AVL給出的微動(dòng)磨損評(píng)價(jià)指標(biāo)有：

①微動(dòng)磨損損傷參數(shù)（FDP）：評(píng)估摩擦生銹、點(diǎn)蝕以及表面損傷;

②微動(dòng)磨損指示參數(shù)（FIP）：評(píng)估初始裂紋形式以及結(jié)構(gòu)體斷裂;

③微動(dòng)磨損疲勞參數(shù)（FFP）：評(píng)估結(jié)構(gòu)體可靠性。

各指標(biāo)參數(shù)計(jì)算如下：

本次研究主要評(píng)估裂紋情況，采用FIP 值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

一般而言，當(dāng)FIP 小于20，軸瓦無(wú)微動(dòng)磨損風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)FIP 位于20 ～30 之間時(shí)，可能發(fā)生微動(dòng)磨損，當(dāng)FIP 處于30 ～40 表明出現(xiàn)伴隨裂紋的微動(dòng)磨損，當(dāng)FIP 大于40 時(shí)，由于微動(dòng)磨損軸承座可能發(fā)生斷裂。

通過(guò)映射軸承接觸壓力至軸瓦內(nèi)表面，計(jì)算軸瓦工作過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變情況，繼而評(píng)估軸瓦瓦背微動(dòng)磨損

情況。

不同方案下計(jì)算的FIP分布如圖10。

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出：方案2的FIP值最小，但依然可能發(fā)生微動(dòng)磨損;方案3的FIP值最大，表明已經(jīng)出現(xiàn)伴隨裂紋的微動(dòng)磨損;而方案1處于方案2和方案3之間。

其中方案2的結(jié)果與方案1接近，說(shuō)明如此大型的發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦過(guò)盈量在0.1mm級(jí)的差別，對(duì)微動(dòng)磨損的影響依然較小。而通過(guò)比較方案1和方案3的結(jié)果可以得到，螺栓預(yù)緊力如果比設(shè)計(jì)圖紙要求小10000N，將會(huì)使微動(dòng)磨損產(chǎn)生更惡劣的結(jié)果。

4 ?結(jié)論

本文通過(guò)AVL Excite Power Unit軟件，構(gòu)建詳細(xì)了軸承潤(rùn)滑分析模型，其過(guò)程中詳細(xì)考慮了軸瓦加工型線以及安裝型線對(duì)軸承液動(dòng)彈性潤(rùn)滑的影響。仿真過(guò)程中通過(guò)分析軸承實(shí)際工作過(guò)程中液動(dòng)接觸狀態(tài)，準(zhǔn)確地計(jì)算軸瓦實(shí)際工作過(guò)程中受力情況。

結(jié)合軸瓦實(shí)際工作狀況，本文分析了不同螺栓預(yù)緊力、不同軸瓦過(guò)盈量對(duì)于軸瓦瓦背微動(dòng)磨損的影響。計(jì)算出受力情況后，采用FIP值的計(jì)算分析，對(duì)于軸瓦微動(dòng)磨損結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析，計(jì)算結(jié)果表明：

①影響軸瓦瓦背微動(dòng)磨損的受螺栓預(yù)緊力和軸瓦過(guò)盈量的影響。

②過(guò)盈量差別在0.1mm級(jí)別下，過(guò)盈量對(duì)于該大型發(fā)動(dòng)機(jī)微動(dòng)磨損結(jié)果很小。

③當(dāng)螺栓預(yù)緊力小于設(shè)計(jì)要求時(shí)，產(chǎn)生微動(dòng)磨損的風(fēng)險(xiǎn)增大。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷冉升，崔毅，程祥軍，等.車用柴油機(jī)主軸承軸瓦微動(dòng)磨損研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2020（2）：29-34.

[2]David Merritt. The Prediction of Connecting Rod Fretting and Fretting Initiated Fatigue Fracture. SAE paper 2004. 1-8.

[3]Kenji Sato， Takeru Hamakawa， Takeyuki Yamasaki， et al. Fretting Analysis of an Engine Bearing Cap Using Computer Simulation. SAE paper 2016. 1847-1853.

[4]畢鳳榮，劉博，劉春朝，等.基于熱彈流模型的柴油機(jī)連桿小頭軸承潤(rùn)滑研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程機(jī)，2018，39（4）：15-22.

[5]Quinonez A Felix， Morales-Espejel G E. Surface Roughness effects in Hydrodynamic bearings. Tribology International 2016， 98 212～219.

[6]Gunter Offner. Friction Power Loss Simulation of Internal Combustion Engines Considering Mixed Lubricated Radial Slider， Axial Slider and Piston to Liner Contacts. Tribology Transactions 2013， 56（3）： 503-515.

[7]Yaqubi Sadeq， Dardel Morteza， Daniali Hamidreza Mohammadi， et al. Modeling and Control of Crank-slider Mechanism with Multiple Clearance Joints. Multibody System Dynamics 2016， 36（2）： 143-167.