内燃机械加工制造时曲轴强度的控制方法分析.doc

内燃机械加工制造时曲轴强度的控制方法分析作为内燃机械重要的零配件，曲轴强度体现在抗疲劳和抗断裂两个方面，如果曲轴强度水平不足，可能会引起内燃机其他零配件的损坏。本文将通过对当前内燃机械曲轴强度现状的分析，深入研讨内燃机械加工制造时的曲轴强度控制方法。1.内燃机械曲轴强度现状分析1.1.结构复杂内燃机械的曲轴结构复杂，在加工时，一方面要求具有较为可观的承受荷载能力，而且要兼顾机械的功率需求，因此在加工制造时，要求保证曲轴强度达到既定的水平。曲轴在内燃机械中的作用是承受气缸内砌体作用力，并以旋转、往复等运动方式，为内燃机械运行提供惯性力。但由于内燃机械运行时产生的荷载在周期内不断变化，以致曲轴持续承受弯曲应力和扭转应力，尤其是过渡圆角位置，应力过于集中，最终导致曲轴的疲劳失效。1.2.永久性性能变化在内燃机械实际应用时，随着使用时间的加长，曲轴局部某点可能会出现永久性的性能变化，反复循环载荷作用下，逐渐形成裂纹，甚至扩展至断裂破裂，即我们常说的疲劳断裂。疲劳断裂具有低应力性、突然性、时间性、敏感性等特征，国内内燃机械的加工制造，大约有80%以上内燃机械结构强度破坏，就是因为曲轴的疲劳破坏引起，大约占其他强度破坏故障率的95%左右。2.内燃机械加工制造时曲轴强度控制方法2.1.建立曲轴系统动力学模型鉴于内燃机械的结构复杂，在加工制造曲轴时，应该建立曲轴系统的动力学模型，并借助各类动力学仿真软件和专业模块，以形成包括模板、子系统、装配等在内的模型结构。模型的建立，一方面更改了模板的子系统，使得模型参数化，另一方面是按照一定的几何体约束比例，设定模板的参数，然后集合多个子系统，为子系统的信息传递和求解提供渠道。在建立曲轴系统动力学模型的基础上，建立初始拓扑结构，其中所涉及的数据涵盖了内燃机械的汽缸数、冲程数、缸心距、连杆尺寸和轴承布置等，而子系统的建立，要求对曲轴部件的尺寸、密度和转动惯量等进行调整。2.2.分析曲轴系统动力学仿真结果曲轴系统动力学仿真结果的分析，是通过对曲轴系统动力学模型的应用，全方位调整曲轴强度设计的差异性。首先是减振器的参数调试，系统测量布置是在曲轴上方设置发动机，其左右侧分别为位移传感器、信号齿轮和飞轮，其中位移传感器由采集卡和PC机组成，在进行减振器参数调整之后，通过扭振响应曲线，可以看出振幅轴向基本一致，其数据误差对曲轴强度设计精度影响不大。其次是活塞加速度比较分析，通过对曲轴转角、连杆摆角、曲柄半径、曲柄连杆比、连杆中心距等参数的确定，借助倍角余弦函数，表示活塞的位移，这样所计算出来的内燃机械曲轴加速度，在实际曲轴强度设计中就能够避免相对误差的影响。再次是活塞侧击力比较分析，即曲轴在爆发压力作用下的精度误差，鉴于所有曲柄销载荷曲线的一致性，可利用现代算法取值曲柄销径向和切向的峰值，以此检验连杆的质量等效。2.3.曲轴应力计算曲轴强度的控制，需要准确分析曲轴的应力分布，因此需要通过曲轴应力计算，以改善有效应力集中系数的精度。在此笔者建议应用有限元分析法，对曲轴应力展开计算，并得出曲轴的疲劳安全系数。在计算之前，还需要评估曲轴高应力位置的疲劳安全，期间假定曲柄销圆角和主轴颈圆角为高应力区域，然后将曲拐相互独立的主轴颈，简化成截断简支梁模型，这样就能够判断出弯曲应力对曲轴的破坏程度。至于曲轴改进后常规强度，一方面是根据计算的结果，判断曲轴强度是否合格，进而确定安全系数，并进行扭振修正、屈服极限分析、表面处理、尺寸影响消除等，另一方面是利用截断简支梁模型，分析工作弯矩和计算截面模量，进而确定曲轴应力幅值和平均应力。2.4.曲轴弯曲疲劳试验曲轴弯曲疲劳试验，常见的试验方法有成组试验法、配对升降法、疲劳极限统计分析法三种，其中成组试验法适用于曲轴过载时的疲劳强度，可相对合理估算出曲轴安全寿命；配对升降法是按照国家标准试验规范，选取随机出现的成对数据，但只适用于分散性较小的试件；疲劳极限统计分析法，主要通过应力寿命双对数坐标，找出循环断裂点，根据数值选取真实的断裂强度。在此笔者推荐使用疲劳极限统计分析法，这种分析方法要求控制好试验台应变片的电阻值，以及栅长、栅宽、灵敏系数、精度等级等，并标定载荷，即在静标动测原理范围内，分析试件某个部位的静态应变和动态应变，然后得出静标曲线的应变值和确定在该应变值下的激振转速大小。至于系统误差的分析，则要归结为人为或者系统的误差，前者只需要提高试验人员的技术水平，并规范技术操作规范即可，后者则需要考量应变片在系统中的动载荷测量情况，调节各点应变量的真实值，使得更加接近测量目标点。文章通过研究，基本明确了内燃机械曲轴强度现状及发展情况，其中所涉及到的