空气压缩机组合曲轴断裂失效研究.doc

西安电子科技大学硕士学位论文空气压缩机组合曲轴断裂失效研究姓名：高合瑞申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：王芳林20090101 形式 的 不同 ， 分别 针 对 轴 颈 部 分， 选 取了 最 大拉压应力工 况 进 行了 弯 曲 情 况 下 的静强 度 分析 和疲 劳安 全 系 数 校核 分析 ， 对 花键 轴 部 分， 利 用接 触分析 计 算 了 扭 转下 的 剪 应力， 进 而 分析 了 静强 度 和疲 劳， 结 果 显示 组 合曲 轴 强 度 基 本满足 工 作 要求； 考 虑 到共振容 易 引发 组 合 曲 轴 过早的 疲 劳破 坏 ， 还 通 过模 态 分析 研 究 了 组 合曲 轴 的 动 态 特性。疲 劳接 触模 态 瓹 学位 论 文 独创性 虼 葱滦 声明本 人 签名：本 学位 论 文 属 于保密 ， 在一 年解 密 后适用本 授 权书。本 人 签名：坌坌垄日期幽： 第 一章绪 论某型 高挑 空 气 压 缩 机 是为军 队装 备提 供 的 一种高压 供 气 装 置， 广 泛 配 备于 坦克 、 装 甲 车 等 军 械 ， 用 于 发 动机 的 启 动同 时也满足其 他 特 殊 用 途 用 气 。暖 型 号 空压 机 性 能 可靠， 充气 效率 高。世 在 近 一段 时问 使用 中 ， 频 繁 出现空 压 机 偏 心轮 组合 曲 轴突 然断 裂 或 末达 到 额 定寿命 时的 断 裂 事 故 。作 为空 压 机 的 重要 部件 ， 偏 心轮 的 断 裂 除 直 接导致 对 相应 设备 的 供 气 中 断 外， 有 可能 损 坏 其 它 零 部 件 甚至整 台空 压 机 还 将 导致 相应 设备 的 可靠性 、 安 全性 严 重削 弱 ， 从而 造 成 严 重损 失 。偶尔 和 某一段 时问 内 的 组 合 曲 轴断 裂 失 效， 是对 其 自 身力 学性 能 ， 材质， 安 装 精 度要 求 等 多 方 面情 况 认 识不明 确的 外在 表现， 只 有 更 全面 的 对 各 种影 响 因素进 行 分析 和 捧 查 才能 有 效的 把握组 合 曲 轴的 断 裂 规 律。因此 ， 育 必 要 对 导致 偏 心轮 组 台曲 轴 断 裂 失 效 的 可能 凼 素进 行 深入 分 析 ， 探究 可能 导致 断 裂 的 困 素， 以 期更 好 的预防 和 预测 断 裂 事 故 的 发 生 。下 的 拉 伸型 疲 劳断 口一致 ， 这 说 明组 合 曲 轴有 可能 是囚 过早疲 劳而 导致 了 断 裂 。为了 验证 初步 的 判 断 和 分 析 发生 断 裂 的 真 正 原 因， 那 么 ， 详 细的 研 究和 计 算 组 合曲 轴主要 部 位 的 疲 劳、 静 强 度 等 方 面 就显 的 非 常重要 。下 围 、 图 是空 压 机组 合 曲 轴偏 心轮 断 裂 的 照片。参爷圃 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 失 效 研 究 国内 外 曲 轴 失 效 研 究现 状与 发 展 趋势 由 于 材 料 自身 存在 缺 陷 引 起 的 断 裂 失 效 ； 曲 轴 一 般应 用 号 钢或 号 钢锻 制 ， 空 气 压缩 机 组 合曲 轴 断 裂 失效 研 究由于 曲 轴 的 承 受 气 体力、 惯性 力、 摩 擦 力等 多 种力复 合作 用 ，因此 作 用 力边界 条 件的 确 定比较困 难 ，而 主 轴 颈 外 表 面 与 主 轴 瓦内表 面 呈 接触 状 态 ，工 况边 界条 件应 该 用 接触 ，但 接触 分 析 涉 及到非线 性 问题，这 又给 求 解 带 来 很 大 的 困 难 ，所以 大 多 数 文献 对 力和约 束边 界 条 件都进行 了 简 化 处 理 。 如 付泽 民 ，李延 平 【 】 将 施加 在 轴 颈 上的 边 界 条 件简 化 为 ，沿曲 轴 颈 和主 轴 颈 轴 线 方 向按 二 次抛物 线 规 律 分 曲 轴 强 度 、 疲 劳 、 模 态 分 析 方 面 吭 蚴 欠直 鹪 贏 和 软件中对 柴 油机 曲轴分 别 进行了 静强度 和 疲劳 的 模 拟 计 算。 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 失 效 研 究 根 据 活 塞式 微 型 高 压空 气压缩 机的 工 作 原理，以曲 柄 连杆 机构 为 力学 模型 ，给出 了 组 合 曲 轴 的 运 动学 和动 力学 计算 公 式 ，进 行了 实 际 工 况 下的 动力计算 ； 利用 三维造型 软 件 对 组 合 曲 轴 的 实 体 建模，得到 了 简 化 实 体 模型 ，利用 第 二章 微 型高压 空 气压 缩 机 动力 计 算空 压 机 是 一 种 压 缩 气体 、提高气体 压 力 或 输 送 气体 的 机 械 。 按照 获 得 ， 这是 分析的 前 提。 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 火 效 研 究 ， 活 塞 瞬时 加速度口 ：口 ： ： 浚 豪 口 薄 鳎 琺 琺 ，卵 以解出 上 列 各 式 中的 折 算质 量 ，有 ，为 ： 玓 ， 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 失 效 研 究鎏如 果 将 连 杆质 量折 算 为 两个 集中 质 量时 ， 会 产 生附加 力 矩， 但此力 矩值在 计衡质 量会 产 生离 心 咝 力 ，式 中 ， 一 活 塞 、 活 塞 销 和 环 质 量； 一 连 杆质 量； 一 往复 运 动总 质 量。 第 二章 微 型高压 空 气压 缩 机 动力 计 算 空 压 机 曲轴 连 杆 机 构 中的 旋转 运 动不 平 衡 质 量包含 ：曲轴 不 平 衡 部 分 的 质 量竹和 连 杆 部 分 质 量 ， 旋转 部 分 的 质 量计 算式 表示 为 ： 鸭 力 厂 ， 构 成 淖 酆 匣 钊 【 】 ： 式 中， 慌 蛘 凸 淘 趂点 行 程 时 的 气体 活 塞力 ； 空 气压 缩 机 组 合曲轴 断裂 火 效研 究 气缸内气体 压 缩 过程 计 算公式 ： 一 实际 吸气压 力 ；式 中， 一 空 压 机 的 指 示 功 率 ， 心 巍 耄 砸磺 嶙 K伲瑂 一 活 塞行 程 ： 、根 据 图 所 示 关 系， 可得 到径 向力 公式 ：只只。谝淮足 。、 母 ：。 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 失 效 研 究 第 三章 组 合曲轴 的 模 型 建立压缩 机 的 曲轴 通 常都 设 计成 整 体 式 。 在 个别 情 形下， 例 如在 制 造 和 安装 方 面有要求， 也 可 以 把 曲轴 分 成 若干部 分 分 别 制 造 ， 然后 用 热 压配 合、 法 兰 、 键 销，等 永 久或可 拆的 连 接 方 式 组 装 成 一体 ， 构成 组 合式 曲轴 。 本 文 的 研究 对 象 就 是 由两个偏 心 轮通 过圆柱销装 配 形成 的 ， 属于 双 列 单 曲拐角 度式 压缩 机 组 合曲轴 ， 见图 、 图 。组 合曲轴 模 型 包括 几何 实体 模 型 和 有限元 模 型 ， 考 虑 到 偏 心 轮组 合曲轴 结构形状 较 为 复杂 ， 一般 的 有限元 软 件所 提 供 的 几何 建模 功 能有限， 也不 具 有参 数 化实体 建模 功 能， 模 型 修 改和 简 化 效率 较 低 ， 因 此 本 文 首 先在 三维 砑 如， 薪 堤迥 停 缓 笸 邢 拊H 砑 峁 慕 涌 诘 既 階 中经 过网格 划分 ， 再 建立 有限元 模 型 。 公 司 开 发 的 ， 是 当品 宣 传。 等 先进 设 计方 法 ； 空 气压缩 机组 台曲 轴 断 裂 失 效 研 究 提 供 了界面 良好 的二 次开 发工具 鹭 掷模 型 的 简 化主 要 关 注 两个 因 素 用前处 理 器 进 行 各 种必 要 调 整 ； 组 合曲轴 的 有 限 元模 型 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 失 效 研 究单 元 常使 用 四 面 体 和六面 体 单 元 ， 四 面 体 单 元 一 般是 协 调 单 元 ， 单 元 内 应 力应 变 假 定 为常数 而 六面 体 单 元 大 部 分可 先 为非 协 调 单 元 ， 应 力 应 变 在 单 元 内 为非常数 多 为高 次 曲 线 ， 很 多 实 践表 明 非 协 调 元 数 值 性 能 要 好， 某 些 非 协 调 元 还 具有超 高 的 精 度 。 采用 六面 体 单 元 划分的 网 格 对 于规 则 的 实 体 网 格 划分通常产生 较 少的 单 元 ， 计算精 度 也更高 ， 但六面 体 单 元 对于复 杂 不 规 则 的 实 体 分网 ， 使 用 其 分网 常常产生 警 告 单 元 甚 至产生 退化 单 元 。 四 面 体 有 一 阶与二 阶之 分， 一 阶为常应变 单 元 ， 精 度 较 低 应 尽 量 避 免在 重 要 研 究部 分使 用 ， 但二 阶四 面 体 的 性 能 在 很 多场 合 不 比 六面 体 差 ， 而 且使 用 四 面 体 单 元 对 于智能 和自 由网 格 划分效 果 较 好， 更接近实 际 结 构形状 ， 通过 适 当的 网 格 数 量 和单 元 节 次 同 样 可 以 提 高 计 算 的 精 度 ，特 别是 对 于复 杂 的 三维实 体 模型， 要 划分出 好的 六面 体 单 元 工作 量 通常比 较 大 。但如 果选用 四 面 体 单 元 自 由划分就 快 捷 得 多 ， 出来的 单 元 形状 也比 较 好， 能满足曲 轴 进行 网 格 划分。 有 限元 网 格 的 划分有 限元 网 格 划分是 进行 有 限元 数 值 模拟 分析 至关重 要 的 步骤 ， 它 直接影响 到 第 三章 组 合 曲 轴 的 模型建 立计 算 结 构的 准 确 性 和计 算 进度 ， 甚 至会 因 为网 格 划分不 合 理 而 导 致 计 算 不 收 敛 。网 格 划分原 则 。 有 限元 网 格 划分的 指 导 思 想是 首 先 进行 总 体 模型规 划， 包括物 理 模型的 构造 、单 元 类型的 选择 、网 格 密度 的 确 定 等多 方 面 的 内 容 。 在 网 格 划分和初 步求解 时 ， 做到先 简 单 再 复 杂 ， 先 粗 后 精 。 为提 高 求解 的 效 率 要 充分利 用重 复 与对 称性 等 特 征 ， 由于 工程 结 构一 般具有 重 复 对 称或 轴 对 称、 镜 像 对 称性 等格 主 要 用 于应 力 分析 ， 计 算 固有 特 性 时 则 趋 于较 均匀 的 网 格 。 单 元 阶次 ， 选 用 高阶单 元 可 提 高 计 算 精 度 ， 因 为高 阶单 元 的 曲 线 或 曲 面 边 界 能 够 更好地 逼 近结 构的曲 线 和曲 面 边 界 ， 且高 次 插 值 函 数 可 更高 精 度 地 逼 近复 杂 场 函 数 ， 所 以 结 构形状不 规 则 、 应 力 分布 或 变 形很 复 杂 时 可 以 选 用 高 阶单 元 。 但高 阶单 元 节 点 数 较 多 ，网 格 数 量 相 同 的 情 况 下其 模型规 模要 大 得 多 【 ”】 。网 格 划分， 利 用 自 由度 耦 合 和约 束 方 程 ， 利 用 子 区 模型等 划分技术 。 空 气压缩 机组 合曲 轴 断 裂 失 散 研 究 偏心 轮组合曲轴 是 该 空 气压 缩机 中 最重 要的 、承载 最重 的 零 件 之 一，其 运 动状 况 对 空 压 机 的 工作性 能 和 寿 命有 决 定 性 的 影响。曲轴 承受着气 缸内的 气体 压 力以及往复 和 旋 转 质 量 惯 性 力引起 的 周 期性 变 化 的 载 荷，曲轴 还有 扭 转 振动，因此在曲轴 内产生 的 交变 弯 曲应 力和 扭 转 应 力可 能 会引起 曲轴 疲劳 失 效，而 过 早的 失效或 者 断 裂现 象 的 主要原 因之 一还可 能 是 静 强 度不 够。所以如何 比 较 准 确 地得到应 力、应 变 的 大小 与 分 布 并进 行 强 度分 析，对 曲轴 设 计 的 合理性 和 改 进 方 面 有 重要的 意 义。力，如压 力和 惯 性 力那 样 ，由 直 接的 命令 来 实现 ，这 给 使 用者 带 来 很大的 麻烦 【 】；另一方 面 ，实 际工作中 花 键的 连 接都 是 通 过 公差 配 合与 联 轴 器接触来 传 递扭 矩 ，所以如果用接触来 研 究花 键的 受力比 直 接在键面 上 施 加力更加合理，且直 接的 施加容易 产生 局 部 的 应 力集中 ，同 时 还要注 意 有 一部 分 力转 化 成 了 径 向 力，这 些 都对 会 对 正确 的 分 析产生 影响，基于此，文中 使 用了 接触分 析来 研 究花 键的 受力，即建 立了 一个 简易 花 键联 轴 器模 型 蛭 J 侵氐 惴治 龌 与 花 键配 合，通 过 接触来 施 加扭 矩 。 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 火 效 研 究 组 合 曲 轴 轴 颈 的静 强度 与疲 劳分 析组 合 曲 轴 在 工作过 程中 所 承 受 的载 荷 是复杂的 ，在 这 两 种 工况 下 曲 轴 还 承 受曲 轴 颈 和曲 柄 臂 旋 转 惯 性力、平衡块 旋 转 惯 性力以及连 杆 大 端旋 转 惯 性力的 影 响。根 据 公式 ，经 计 算得到没有 完全 平衡掉 的连 杆 大 端惯 性力为 ，它以质 量单元 形 式加 载 ，同 时 曲 轴 的自重通过 重力施 加 选 项 加 载 到有 限 元 模 型中 ，重力加 速 度 的方 向 应与重力方 向 相 反 。 、呈 余弦 规 律 分 布 ，设， 空 气压 缩 机组合曲轴 断 裂 失 效 研 究 空 气压 缩 机组合陆 轴 断 裂 失 效 研 究目 通 过 两 种 工况的 应力 分 析图 、图 可 以看 出 ， 应力 集 中部 位 均 出 现在 主轴 颈 过 渡 阶 梯 轴 与 曲柄 臂 相连的 过 渡 圆角 处 及 主 轴 颈 与 过 渡 阶 梯 轴 连接 处 周围 ， 另 外在 主 轴 颈 模拟轴 承约 束部 位 也 出 从 两 种 工况的 应变 分 布 图 可 以看 出 ， 最大 变 形 均 出 现在 平 衡 质 量块 外圆 底 部 ， ！ 。 工况的 值 分 别 约 和 左 右 ， 从 图 中可 知 曲轴 在 径向力 的 作用 下主 轴 颈 正 虻挠 渥畲笤 糘 左 右 ， 这 是 由 于 ， 力 直 接施 加在 其上 ， 所以沿 该 方 向的 位 移量 ， 肯定 最大 。 总 体 来 看 ， 曲轴 的 变 形 量 很 小 ，所以能满足曲轴 刚 度的 要求 。 空 气压缩 机组合曲轴 断 裂 失效研 究构 疲劳 强 度。 载 荷 的 交 变 性 ： 疲劳 失效的 构 件 ， 在 其材 料 内部 必定 作用 有交 变 应力 与 应变 ； 失效过 程 的 渐 变 性 ： 疲劳 破 坏是 一个累计 损 伤的 过 程 ， 从 加载 至 失效需 要经历一定 的 时 间 历程 及 应力 与 应变 的 循 环 过 程 ， 即 裂 纹萌 生、扩 展和 断 裂 三个阶 段 ； 断 口 的 脆 性 和 断 裂 的 突然性 ： 不 论 构 件 使 用 脆 性 材 料 还是 塑 性 材 料 ， 其疲劳 破损 在 宏观上 常 表 现为 无 明 显 的 塑 性 变 形 的 突然断 裂 ， 断 口 为 脆 性 ； 应力 与 应变 的 缺 口 敏 感 性 ： 构 件 在 交 变 载 荷 作用 下， 材 料 内产生 的 应力 或 应变峰 值 会 受 材 料 缺 陷或 几何形 状 突变 的 影 响 产生 局 部 增大 ， 这 种 现象 称 为 缺 口 敏感 性 ， 也 叫 应力 集 中或 应变 集 中。 结构 疲劳 失效多 发生 在 局 部 高应力 区域 ； 疲劳 断 口 的 独 特 性 ： 断 口 可 以看 到明 显 的 裂 纹源 ， 裂 纹扩 展区 饣 厦 和 瞬断 区 植 诙 厦 。疲劳 强 度安全 系 数 公 式 如 下：校核 ， 公 式 如 下：轳 巧 孙 】 接 触 是一 种常 见的 物理现 象 ， 是典 型的 非 线性 问 题。 接 触 用于 广泛 的 模型分 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 失 效 研 究柔 体 的 接 触 。从接 触 的 实 现 形 式又分为 点 一 点 、 点 一 面和面一 面的 接 触 分析 ，并 且 能接 触 问 题存 在 两 个 较 大的 难点 ： 其 一 ，在 求 解 问 题之前，用 户 通 常不 知道 接触 区 域，表面之间 是接 触 或分丌是未 知的 ，突然 变化 的 ，这随载 荷 、 材 料 、 边 界条 件 和其 它因 素而 定 ； 其 二 ，大 多 的 接 触 问 题需要 考 虑 摩 擦 作 用 ，有 几 种摩 擦 和模 型 可供 挑 选，它们 都 是非线 性 的，摩 擦 效 应可能是无 序 的，这使问 题的 收敛 性变得困 难。 识 别 接 触 对； 定 义 求 解 选 项和载 荷 步 ； 求 解 接 触 问 题； 空 气压缩 机纽 台曲 轴 断 裂失 效 研 究凹 接 触对 第 四章 组合曲 轴 的 静 强 度与 疲劳 分析 鷌 觥薄 ， 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 失 效 研 究的迭代 收 敛 过 程 。丁 ： 一 换 菔 闹 衵 ； 卜 一 齿的 工 作长 度， 取 ；以一 花键的 平 均直径， 。花键 轴 部 分 由 于 自 身 的 结 构特点， 齿的 根 部 是明显 的 应 力 集中 区 域 ， 而 存在疲劳 裂纹 的 出现 往往就首 先 发 生在应 力 相 对集中 的 部 位 ， 在前 面 的 结 果分 析中 知道 ， 首 先 花键 轴 从 这 些 部 位 发 生了 断裂， 而 这 种 断裂也 很 有 可 能 是高 周 疲劳 引发的 结 果。因 此 同 样 要从 有 限元 应 力 分 析的 结 果中 选取 最 大应 力 集中 点进 行疲劳 强度校核。体 。 荨 。一 最 大切应 力 。 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 失 效 研 究 本章 小结花 键断 裂 失 效 的 触 发 点 。 为 了进 一 步 研 究造 成 断 裂 的 原 因 ，同 样 利 用该 点 处的 最大剪切 应 力对 花 键进 行 了静强 度分 析 和 疲 劳 校核，计 算 表 明 疲 劳 安全 系数 大于 许用系数 ，原 设 计 合 格， 但 需要指出的 是 ，疲 劳 校核合 格并 不 说明 曲 轴 就 不 会断 裂 ，它 首 先 有 工作 寿 命的 问 题 ，再 者， 其它 因 素 的 存在 会对 过 早疲 劳 或 未 达 额 定 寿 命下 的 非 正常断 裂 产 生重 要的 影 响 。 第 五章 组 合曲轴 的 模 态 分 析 模 态 分析 概 述 空 气压缩 机组 合 曲 轴 断 裂 失 效 研 究模 态 分 析 技 术的 应用可 归 结为 以 下几 个方面 ：评 价现有 结构 系统的 动态 特 性 ；在 新产品设 计 中 进行 结构 动态 特 性 的 预估和 优化 设 计 ；诊 断 及 预报 结构 系统的 故障 ；式 中 ， 【 一质 量矩阵 ， 】 一阻 尼 矩阵 ， 缎 一 系 统振 型的 圆 周固 有频 率 。如 果 存 在 非 零 解 ，则有其 系 数行 列式 的 值 等于 零 ，得到 特 征 方 程 为： 放椤 綧 如 果