基于線性累積損傷模型的硅油減振器壽命預(yù)測分析

摘要： 以某重型柴油機(jī)硅油減振器為研究對象，將硅油劣化作為損傷參量，建立了硅油減振器線性累積損傷模型。基于發(fā)動機(jī)臺架混合循環(huán)和負(fù)荷循環(huán)耐久試驗(yàn)結(jié)果，對減振器壽命模型進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)合實(shí)測道路載荷譜，實(shí)現(xiàn)了減振器在實(shí)際使用場景下的使用壽命預(yù)測。結(jié)果表明，在牽引車工況下，基于混合循環(huán)和負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)預(yù)測的M60減振器壽命分別為1.425×106 km和2.896×106 km，均滿足發(fā)動機(jī)壽命里程要求。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 硅油減振器 線性累積損傷 壽命預(yù)測 可靠性

中圖分類號：U464.133+3 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240378

Life Prediction Analysis of Silicone-Oil Damper Based on Linear Cumulative Damage Model

Zhai Liming， Wang Xin， Xu Weiguo， Liang Fuxiang， Rao Cong， Liu Shaopeng

（FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd. Powertrain Business Division， Wuxi 214026）

Abstract： In this study， the silicone-oil damper of a heavy-duty diesel engine is taken as the research object， and a linear cumulative damage model of the silicone-oil damper is developed by taking silicone-oil deterioration as a damage parameter. Based on the results of mixed cycle and load cycle durability engine bench tests， the life model of the damper is calibrated. Combined with the measured road load spectrum， the service life of the silicone-oil damper in actual usage scenarios has been predicted. The results show that under the working condition of the tractor， the predicted life of the M60 damper based on mixed cycle and load cycle tests is 1.425 million km and 2.896 million km， respectively， both of which meet the requirements for engine life mileage.

Key words： Diesel engine， Silicone-oil damper， Linear cumulative damage， Life prediction， Reliability

1 前言

隨著重型車輛和工程機(jī)械車輛的需求提升，各發(fā)動機(jī)制造商均在進(jìn)行高爆壓重型車用柴油機(jī)的研發(fā)，柴油機(jī)承載的負(fù)荷大幅增加，軸系的扭轉(zhuǎn)振動問題也隨之凸顯[1]。消減扭轉(zhuǎn)振動最有效的措施為在曲軸上加裝扭轉(zhuǎn)減振器[2]。

硅油減振器（Torsional Vibration Damper，TVD）結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高，在實(shí)際應(yīng)用中相對于其他結(jié)構(gòu)的柴油機(jī)軸系扭振減振器更具優(yōu)勢[3]，目前廣泛用于柴油機(jī)傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組等[4]。然而，硅油在長時間高溫高剪切力作用下會產(chǎn)生劣化，使減振器的剛度和阻尼特性下降，導(dǎo)致曲軸扭振幅值和應(yīng)力急劇上升，最終引起曲軸斷裂，嚴(yán)重威脅柴油機(jī)的整機(jī)可靠性。因此，在柴油機(jī)開發(fā)過程中，需要對臺架循環(huán)耐久試驗(yàn)后的減振器進(jìn)行硅油劣化率檢測，以考核減振器硅油的耐久性能。

目前，對硅油減振器的研究主要集中在減振數(shù)學(xué)模型與機(jī)理、硅油減振器設(shè)計與應(yīng)用、動態(tài)匹配以及臺架試驗(yàn)等方面。Syrakos 等[5]通過對硅油減振器的結(jié)構(gòu)特征與減振機(jī)理進(jìn)行研究與分析，基于有限元體積法模擬了柴油機(jī)在不同激勵頻率下硅油阻尼器的減振特性以及硅油的流動特性。上官文斌等[6]為設(shè)計硅油減振器阻尼測試試驗(yàn)機(jī)，采用的減振器阻尼測試方法進(jìn)行了闡述，同時根據(jù)減振器的減振機(jī)理，設(shè)計了試驗(yàn)臺驅(qū)動裝置。

針對耐久試驗(yàn)后出現(xiàn)的減振器硅油劣化嚴(yán)重現(xiàn)象，由于缺乏硅油劣化率對實(shí)際道路工況減振器壽命的影響關(guān)系，無法準(zhǔn)確地預(yù)測減振器的實(shí)際耐久性能?；谂_架耐久工況，以硅油劣化作為損傷參量，建立硅油減振器線性累積損傷模型，并根據(jù)實(shí)測路譜預(yù)測道路工況下減振器的實(shí)際壽命，為臺架耐久后減振器的可靠性評估提供參考。

2 M60硅油減振器線性損傷壽命模型

圖1所示為硅油減振器的實(shí)物圖及剖面圖，其由殼體、慣性環(huán)、軸承和硅油組成，通常還會在前后端兩側(cè)布置一圈散熱片，有助于內(nèi)部硅油的冷卻。硅油是一種有機(jī)硅粘液，為理想的液體彈簧。然而，當(dāng)減振器耗散功過高或其散熱能力不足時，硅油溫度會大幅升高，最終引起硅油老化，減振器失效。

根據(jù)臺架耐久試驗(yàn)結(jié)果，提出一種硅油減振器實(shí)際道路工況下壽命里程的預(yù)測方法，其分析流程如圖2所示。

受激勵力影響，硅油減振器在不同工況點(diǎn)所受的損傷不同。而柴油機(jī)的運(yùn)行工況可以用轉(zhuǎn)速和功率來描述，因此，假設(shè)減振器的損傷密度是轉(zhuǎn)速和功率的函數(shù)：

[ρ = fn，P] （1）

式中：[ρ]為減振器硅油的損傷密度，[n]為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，[P]為功率。

[ρ]越大，意味著損傷越大，壽命越短。實(shí)際上，減振器的扭振幅值并不是簡單地隨著轉(zhuǎn)速升高而增加，通常在額定點(diǎn)附近達(dá)到最大值。圖3所示為外特性工況下M60減振器各諧次扭振幅值實(shí)測曲線。隨著轉(zhuǎn)速升高，6諧次幅值在扭矩點(diǎn)1 000 r/min時達(dá)到最小，隨后逐漸升高，在額定點(diǎn)1 800 r/min時達(dá)到最大，然后逐漸降低。扭振幅值越大，意味著硅油的損傷越嚴(yán)重、壽命越低。因此，定義減振器壽命和扭振幅值的關(guān)系如下：

[N1N2 = A2A1] （2）

式中：[A1]、[A2]分別為相同負(fù)荷率下2個不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)的減振器扭振幅值，[N1]、[N2]分別為2個轉(zhuǎn)速點(diǎn)對應(yīng)的壽命。

假設(shè)相同轉(zhuǎn)速下，扭振幅值隨負(fù)荷率的增加而線性增加，則減振器壽命和負(fù)荷率的關(guān)系可表達(dá)如下：

[N1N2 = η2η1] （3）

式中：[η1]、[η2]分別為相同轉(zhuǎn)速下2個不同工況點(diǎn)的負(fù)荷率，[N1]、[N2]為2個工況點(diǎn)對應(yīng)的壽命。

由于柴油機(jī)臺架各工況點(diǎn)的負(fù)荷率是確定的，且減振器外特性扭振幅值可以實(shí)測得到，因此，根據(jù)式（2）和式（3）可將所有工況點(diǎn)下的壽命用某一工況點(diǎn)來表達(dá)。假設(shè)外特性額定點(diǎn)的減振器壽命為[Nr]，則任意工況點(diǎn)的減振器壽命表達(dá)如下：

[Ni，j=ArAi，100%×Nrηj] （4）

式中：[Ni，j]為任意工況點(diǎn)j在轉(zhuǎn)速i條件下的減振器壽命，[Nr]為外特性額定點(diǎn)壽命，[i]為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；[ηj]為工況點(diǎn)j的負(fù)荷率，[Ar]為外特性額定點(diǎn)扭振幅值，[Ai，100%]為外特性上其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)扭振幅值。

根據(jù)線性累積損傷模型，任意工況點(diǎn)的減振器損傷可以表達(dá)為：

[Di，j=ni，jNi，j] （5）

式中：[Di，j]為任意工況點(diǎn)j轉(zhuǎn)速i條件下的損傷值，[ni，j]為該工況點(diǎn)的實(shí)際循環(huán)次數(shù)。

因此，基于線性累積損傷模型，柴油機(jī)多工況運(yùn)行下，減振器的累積總損傷可表達(dá)為：

[Di，j=i=RminRmaxj=ηminηmaxni，jNi，j=i=RminRmaxj=ηminηmaxj?Ai，100%?ni，jAr?Nr×1Nr] （6）

式中：[Rmax]、[Rmin]分別為最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速，[ηmax]、[ηmin]分別為最大負(fù)荷率和最小負(fù)荷率。

當(dāng)發(fā)動機(jī)各點(diǎn)的運(yùn)行工況和外特性扭振幅值已確定時，式（6）等號右側(cè)只有1個未知變量[Nr]，因此，如果已知左側(cè)的總損傷值[Di，j]，即可求得[Nr]，進(jìn)而根據(jù)式（4）得到所有工況點(diǎn)的減振器壽命。

根據(jù)道路實(shí)測載荷譜，可以得到道路工況下的“負(fù)荷率-轉(zhuǎn)速”工況矩陣，以及每個工況點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)，再基于上述臺架耐久試驗(yàn)導(dǎo)出的各工況點(diǎn)下壽命，即可求出路譜采集期間減振器的累積損傷值，即：

[D*i，j=i=RminRmaxj=ηminηmaxn*i，jNi，j] （7）

式中：[n*i，j]為某實(shí)際道路工況點(diǎn)下的循環(huán)次數(shù)。

最后，根據(jù)路譜采集期間車輛行駛里程，預(yù)測在該路譜行駛特點(diǎn)下的硅油減振器壽命里程，表達(dá)如下：

[L=l×1D*i，j] （8）

式中：L為減振器壽命里程，[l]為路譜采集期間車輛行駛里程。

3 M60減振器在牽引車工況下的壽命預(yù)測

以M60硅油減振器為研究對象，根據(jù)3 000 h混合循環(huán)和2 000 h負(fù)荷循環(huán)臺架耐久試驗(yàn)結(jié)果，將硅油劣化作為損傷參量，結(jié)合道路實(shí)測路譜，預(yù)測該減振器在牽引車場景下的使用壽命。

3.1 減振器外特性扭振幅值測試

為獲取外特性扭振幅值，進(jìn)行了減振器扭振測試，測試系統(tǒng)布置如圖4所示。

試驗(yàn)步驟如下：

a.在發(fā)動機(jī)曲軸前端皮帶輪上安裝扭振測試設(shè)備，采用ROTEC數(shù)據(jù)采集設(shè)備+K50Q14光電編碼器，減振器圓周表面噴涂黑色油漆，采用Optris紅外測溫槍。

b.起動發(fā)動機(jī)，逐步增加負(fù)荷熱機(jī)，直至額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min。熱機(jī)后，發(fā)動機(jī)出水溫度達(dá)到80 ℃以上，機(jī)油溫度達(dá)到85 ℃以上。

c.進(jìn)行測溫，要求在額定工況下運(yùn)行30 min以上，同時使用紅外線測溫槍監(jiān)控減振器表面溫度，待減振器硅油溫度及扭振性能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后開始扭振試驗(yàn)。

d.進(jìn)行扭振測試，在180 s時間內(nèi)，發(fā)動機(jī)從2 000 r/min平穩(wěn)運(yùn)行至低轉(zhuǎn)速點(diǎn)800 r/min，用扭振測試系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)扭振特性進(jìn)行跟蹤測量。測得扭振分諧次曲線，見圖3。

3.2 基于3 000 h混合循環(huán)試驗(yàn)的減振器壽命計算

3 000 h臺架混合循環(huán)耐久試驗(yàn)的目的是通過轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化來模擬整車駕駛工況，考核柴油機(jī)的一般耐久性。由于含有變負(fù)荷工況，可以更好地計及熱沖擊的影響。試驗(yàn)臺架如圖5所示，運(yùn)行工況如表1所示。

為簡化計算，對轉(zhuǎn)速按100 r/min、負(fù)荷率按10%的間隔進(jìn)行離散分區(qū)，然后根據(jù)式（4）和實(shí)測外特性扭振幅值，得到基于3 000 h耐久臺架的M60減振器壽命系數(shù)矩陣，如表2所示。矩陣中的系數(shù)代表該工況點(diǎn)壽命和額定點(diǎn)壽命的倍數(shù)關(guān)系?？梢钥闯觯ぞ攸c(diǎn)至額定工況點(diǎn)的高負(fù)荷區(qū)間損傷最大，1 000 r/min以下?lián)p傷較小。

結(jié)合表2，將表1中各工況點(diǎn)總循環(huán)次數(shù)代入式（6），得到損傷系數(shù)矩陣，如表3所示，矩陣中的系數(shù)與額定點(diǎn)壽命的比值即為該點(diǎn)的損傷值。

以硅油劣化率作為損傷參量，對減振器壽命進(jìn)行預(yù)測。在完成3 000 h臺架耐久試驗(yàn)后進(jìn)行減振器拆檢，拆檢結(jié)果表明，硅油劣化值為29.1%。根據(jù)硅油劣化限值為40%，得出M60減振器經(jīng)過該耐久試驗(yàn)后，性能劣化72.8%，代入式（6），可得減振器在額定工況點(diǎn)的壽命約為[9.35×106] s，如表4所示。

[表4 基于3 000 h臺架耐久結(jié)果的減振器壽命計算 0 h硅油劣化率/% 3 000 h硅油劣化率/% 劣化率限值/% 損傷率/% 額定點(diǎn)壽命/s 0 29.1 40 72.8 9 354 708 ]

如圖6所示，路譜采集車型選用J6P牽引車，行駛路線為鄭州-深圳，路譜采集里程7×103 km。采集時該車?yán)鄯e行駛里程已達(dá)8.2×105 km。

表5所示為路譜采集期間減振器的損傷系數(shù)矩陣，最大損傷點(diǎn)在1 000～1 300 r/min大扭矩區(qū)間。根據(jù)3 000 h臺架耐久計算的額定點(diǎn)壽命，由式（7）得出路譜采集期間減振器的累積損傷值為0.491%。最后，根據(jù)路譜采集期間的累積行駛里程7×103 km，代入式（8）預(yù)測出該M60減振器在牽引車工況下的使用壽命為1.425×106 km，如表6所示，滿足標(biāo)載牽引車發(fā)動機(jī)1.5×106 km的耐久壽命要求。

3.3 基于2 000 h負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)的減振器壽命計算

2 000 h臺架負(fù)荷循環(huán)耐久試驗(yàn)的目的是通過轉(zhuǎn)速模擬整車駕駛工況，以考核柴油機(jī)的一般耐久性。由于其全部運(yùn)行在外特性滿負(fù)荷工況點(diǎn)，試驗(yàn)考核強(qiáng)度更加嚴(yán)苛，考核時間相對3 000 h混合循環(huán)更短。試驗(yàn)工況如表7所示。

根據(jù)式（4）和2 000 h耐久臺架實(shí)測外特性減振器扭振幅值，得到基于柴油機(jī)2 000 h耐久臺架的M60減振器壽命系數(shù)矩陣，如表8所示。由圖10可以看出，扭矩點(diǎn)至超速區(qū)間損傷均較大，1 000 r/min以下?lián)p傷較小。

將表7中各工況點(diǎn)總循環(huán)次數(shù)代入式（6），得到損傷系數(shù)矩陣，如表9所示，矩陣中的系數(shù)與額定點(diǎn)壽命的比值即為該點(diǎn)的損傷值。

以硅油劣化作為損傷參量，對減振器壽命進(jìn)行預(yù)測。2 000 h臺架耐久試驗(yàn)拆檢結(jié)果顯示，硅油劣化率達(dá)到7.6%。根據(jù)硅油劣化限值為40%，得出M60減振器經(jīng)過該耐久試驗(yàn)后，性能劣化達(dá)到19%，代入式（6），可得額定工況點(diǎn)減振器的壽命約為[1.97×107] s，如表10所示。

路譜仍然采用J6P牽引車。如表11所示為路譜采集期間減振器的損傷系數(shù)矩陣，最大損傷點(diǎn)在1 000～1 300 r/min大扭矩區(qū)間。根據(jù)上述2 000 h臺架耐久計算的額定點(diǎn)壽命，由式（7）得出路譜采集期間減振器的累積損傷值為0.241%。最后，根據(jù)路譜采集期間的行駛里程7×103 km，代入式（8）預(yù)測出該減振器在牽引車工況下的使用壽命為2.896×106 km，如表12所示，完全滿足標(biāo)載牽引車發(fā)動機(jī)1.5×106 km的耐久壽命要求。

如表13所示，根據(jù)3 000 h混合循環(huán)和2 000 h負(fù)荷循環(huán)的耐久試驗(yàn)考核結(jié)果，預(yù)測出M60硅油減振器在牽引車工況下的使用壽命里程分別為1.425×106 km和2.896×106 km，基本滿足牽引車1.50×106 km的耐久壽命要求。

4 結(jié)束語

本文通過硅油減振器壽命影響因素分析，構(gòu)建了減振器的線性累積損傷模型，基于臺架耐久工況實(shí)測數(shù)據(jù)，獲取了不同耐久工況下的減振器損傷壽命矩陣，提出了依據(jù)實(shí)測路譜進(jìn)行使用場景下減振器實(shí)際壽命預(yù)測的方法。結(jié)論如下。

a.通過扭振測試獲取硅油減振器的外特性扭振幅值，分析減振器壽命與扭振幅值、負(fù)荷率、損傷值之間的關(guān)系，能夠建立以硅油劣化率為損傷參量的減振器線性累積損傷模型；

b.基于減振器線性累積損傷模型，結(jié)合發(fā)動機(jī)臺架循環(huán)耐久試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)測道路載荷譜，能夠?qū)崿F(xiàn)使用場景下的減振器壽命預(yù)測，指導(dǎo)臺架耐久后的減振器可靠性評估。

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