连杆早期裂纹在线监测测点优选

刘亚峰 汪宏伟 黄映云

（海军工程大学）

0 前言

目前，国内外对发动机机的状态监测及故障诊断已经非常普遍，并取得了许多成果，也开发了相关的监测仪器设备，监测手段包括振动、噪声、油样、温度、压力等，但对发动机机的动力组件裂纹故障的在线监测则受到其在交变载荷下高速运动的特性限制，在工程上较难实现〔1～3〕。为了防止发动机连杆产生裂纹导致疲劳断裂对人员造成损害和造成整机报废的严重后果，对连杆的受力状态进行实时监测尤为必要，而目前能够实现的办法只有在连杆上布置应变片来监测连杆的受力情况。理论上讲，应该将测点布置在连杆所承受的最大交变应力处，因为这个地方最容易发生疲劳断裂，但由于监测手段的局限性，对连杆内部所受的应力大小目前尚无法直接测量，因此，通过监测连杆表面点受力情况的变化来判断连杆早期裂纹的产生是一种可行的方法。本文要研究的是如何选择最佳的测点。

1 连杆的有限元力学分析

作用于连杆的外载荷是通过活塞销和连杆轴颈作用于连杆的小头的。活塞销与销孔的接触载荷分布则与小头衬套的刚度、间隙及油膜压力分布有关，为简单起见，本文在对连杆受力分析时认为作用于连杆两头的载荷呈180度均匀分布〔4～6〕。对连杆作力学分析时，以气缸中的爆炸压力曲线作用于活塞后，换算成连杆两头的时间作用载荷，其中，连杆小头Ps（t）＝（t），连杆大头Pι（t）＝（t）。由于β较小，可认为cosβ≈1。虽然，连杆实际上的受力必须考虑活塞惯性力、连杆本身惯性力以及曲柄惯性力的影响，但作为应力监测而非设计而言，忽略这些作用力对测点的选择是没有太大的影响的。连杆在实际的工作过程中，主要以传递活塞销和曲柄销的压力为主，仅在进气冲程受到拉力作用（增压柴油机可能仅承受压力），为了全面反映连杆的受力状态，计算分为以下四种情况：a．连杆小头固定，大头受压力作用；b．连杆小头固定，大头受拉力作用；c．连杆大头固定，小头受压力作用；d．连杆大头固定，小头受拉力作用。

本文以TBD234型柴油机的连杆为研究对象，利用solid 45单元建立连杆的有限元模型如图1所示，共用单元73977个，节点15854个，模型中材料参数的取值为：E＝2．05×105N／mm2，μ＝0．3，ρ＝7．8×10－6kg／mm3。气缸爆压的时间曲线如图2所示。

图1 连杆的有限元模型

图2 气缸爆炸压力曲线

对图1所示的连杆有限元模型施加图2所示的气缸爆炸压力曲线经上述公式转换后得到的载荷，计算得到连杆在上述四个工况下连杆受最大应力时刻的应力分布云图如图3至图6所示。图3和图4显示，连杆大头受到压力或拉力时，最大应力发生在节点2785处；其应力最大值分别为700MPa和697MPa．图5和图6显示，连杆小头受到压力或拉力时，虽然最大应力发生在节点连杆小头的油道处；但在连杆大端的断面与连杆杆身过渡处均有较大的应力集中。

2 动力传动组件的刚柔混合模型计算

从连杆的有限元力学分析中可以看出：连杆小头与杆身两侧的过渡处及连杆大头与杆身过渡的上下边缘在连杆的工作过程中可能会产生较大的应力值，若要实时监测连杆的工作状态，这些点可以考虑作为传感器的布置点，但由于空间位置的限制，必须从这些点中优选出一个最能反映连杆工作状态发生变化的布点。为此，本文通过建立 “完好连杆”和 “带裂纹连杆”的柴油机动力传动组件的刚柔混合模型，计算获得额定工况，80%负荷工况，50%负荷工况三种工况下连杆上这些可能测点的应力最大值，通过比较在同一工况下连杆产生裂纹前后，各测点应力最大值的变化程度来判断其对裂纹产生的敏感度。“完好连杆”与 “带裂纹连杆”的刚柔混合模型通过由ANSYS软件计算得到的模态中性文件导入到由PRO／E软件及ADAMS软件联合建立的多刚体动力学模型中得到。

图3 连杆大头受压力作用时的应力分布云图

图4 连杆大头受拉力作用时的应力分布云图

图5 连杆小头受压力作用时的应力分布云图

图6 连杆小头受拉力作用时的应力分布云图

由ANSYS生成的连杆模态中性文件如图7所示。多刚体动力学模型是利用PRO／E与多体动力学分析软件ADAMS之间的无缝接口软件M／PRO转化得到的。柴油机整机有上千零部件，在建立多刚体模型时对其进行了简化。文章将整个机组简化为包括曲轴、机体、活塞、连杆、平衡轴、凸轮轴、气缸盖、电机转子、机座、主轴承、机脚等在内的46个刚体 （不包括大地），然后根据柴油机的实际运行方式，对整个柴油机动力学模型添加合适的运动学约束如：圆柱副、旋转副、球铰副、滑移副、固定副、点线副、齿轮副等，另外根据各缸发火次序添加不同相位缸内爆炸压力曲线作为模型的驱动约束。具体的约束添加方式如图8所示，其中存在大量的固定副，文章没有列出。实现连杆刚柔替换后的柴油机动力传递组件刚柔混合模型如图9所示，为了清楚的显示连杆等运动组件，图中隐藏了机体、缸盖以及其它外挂件等。

图7 连杆的模态中性文件

图8 柴油机动力传递组件间的约束关系

图9 柴油机动力传递组件刚柔混合模型

表1 额定工况各测点应力计算结果

表2 80% 负荷工况各测点应力计算结果

表3 50% 负荷工况各测点应力计算结果

在ADAMS中，对上述柴油机动力传递组件刚柔混合模型分别施加额定负荷、80%负荷、50%负荷三种缸内压力爆炸曲线以及扭矩，计算得到连杆上各可能测点的应力最大值如表1、表2和表3所示。三表中S1至S6分别对应连杆上的六个可能测点的应力最大值，对于 “完好连杆”，其节点号分别为：12，20，640，700，2785，2810；对于 “带裂纹连杆”，其节点号分别为：12，20，532，556，677，713。

从上三表中的计算结果来看，三种工况下测点6所对应位置的应力最大值对产生裂纹最为敏感，适合作为监测柴油机连杆受力状态的测点。即在柴油机的工作过程中，若发现测点6的应力最大值发生的较大变化，就应该及时停机进行检查，确认是否是连杆已经产生了早期裂纹。

3 结论

本文在对连杆进行有限元力学分析的基础上，通过建立柴油机动力传递组件的刚柔混合模型，计算了在额定工况、80%负荷工况以及50%负荷工况下连杆上各可能测点的应力最大值在产生裂纹后变化的敏感度，结果表明，连杆小头与杆身过渡的侧面对连杆产生裂纹后的应力变化最为敏感，适合作为衡量连杆受力状态的传感器布置点，本文的结论为进一步研究柴油机动力组件的裂纹故障状态监测提供了支持。

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