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技術(shù)維修與安全知識(shí) |
柴油機(jī)連桿彎曲變形檢測(cè)、校正方法及優(yōu)化設(shè)計(jì) |
前言：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若連桿發(fā)生扭曲，會(huì)改變活塞銷(xiāo)與曲軸中心線(xiàn)的平行度和與汽缸中心線(xiàn)的垂直度；同時(shí)連桿扭曲將造成竄油和竄氣，使柴油發(fā)電機(jī)動(dòng)力下降，經(jīng)濟(jì)性差，使用壽命縮短；活塞在汽缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)不規(guī)則，還會(huì)發(fā)生前、后搖擺，撞擊汽缸壁產(chǎn)生敲缸。連桿扭曲不僅與連桿本身質(zhì)量有關(guān)，還與活塞銷(xiāo)座孔偏斜、連桿襯套偏斜、汽缸中心線(xiàn)與曲軸中心線(xiàn)不垂直、連桿和曲軸軸向間隙過(guò)大等有關(guān)系。連桿扭曲會(huì)導(dǎo)致偏缸，為了校正偏缸，必須先將連桿校正。
一、連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)理論應(yīng)用
柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)，連桿承受著活塞傳來(lái)的氣體壓力、活塞組的慣性力及連桿本身繞活塞銷(xiāo)做變速擺動(dòng)時(shí)的慣性力。這些都是復(fù)雜、急劇變化、帶有沖擊性的應(yīng)力，因此，要求連桿具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且重量要輕。一般常用優(yōu)質(zhì)中碳鋼模鍛或滾壓成形。連桿是將活塞與曲軸連接起來(lái)的部件。它的作用是將活塞的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
1、連桿優(yōu)化理論
應(yīng)用最優(yōu)化理論進(jìn)行柴油機(jī)零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括3個(gè)方面：
（1）將實(shí)際問(wèn)題抽象為最優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，即確定約束條件，選擇合適的設(shè)計(jì)變量，確定需要設(shè)計(jì)的目標(biāo)即目標(biāo)函數(shù)；
（2）通過(guò)分析選擇最優(yōu)化方法，畫(huà)出計(jì)算流程圖；
（3）按照流程圖進(jìn)行編程調(diào)試，計(jì)算出優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。連桿的最優(yōu)化設(shè)計(jì)可以歸結(jié)為一個(gè)求解非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題。在本文中考慮到連桿的結(jié)構(gòu)，采用有限元法進(jìn)行分析。
2、柴油機(jī)連桿的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析
（1）連桿最優(yōu)化設(shè)計(jì)模型
用最優(yōu)化理論設(shè)計(jì)重量輕又安全可靠的連桿，可歸結(jié)為下述最優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，即求解一個(gè)n維變量，使目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小。
（2）目標(biāo)函數(shù)的選取
根據(jù)設(shè)計(jì)要求可選取連桿的重量或連桿上最小疲勞安全系數(shù)的倒數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，在此選連桿的重量為目標(biāo)函數(shù)。
（3）設(shè)計(jì)變量的選取
連桿結(jié)構(gòu)的形狀一般可以由若干段連續(xù)光滑的曲線(xiàn)所組成，這些曲線(xiàn)則由各自的系數(shù)來(lái)確定其形狀，這些系數(shù)就是所要求解的設(shè)計(jì)變量。在設(shè)計(jì)連桿時(shí)除了連桿大、小內(nèi)徑是預(yù)先給定的，其它外形尺寸一般都是特定的，見(jiàn)圖1對(duì)于連桿小端，其結(jié)構(gòu)尺寸直徑與厚度一般是在設(shè)計(jì)前已給定，且兩偏心園的偏心位置一般在很小的范圍內(nèi)變動(dòng)，在連桿最優(yōu)化設(shè)計(jì)前可通過(guò)試算預(yù)先決定。因此，只需一個(gè)設(shè)計(jì)變量就可以描述小端的外形。對(duì)于連桿大、小端過(guò)渡和桿身的外形，一般由分段連續(xù)的曲線(xiàn)組成。在通常的設(shè)計(jì)中，小端和大端過(guò)渡處一般由一段或幾段圓弧來(lái)描述。為了適應(yīng)連桿最優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用二次插值拋物線(xiàn)來(lái)描述。由此設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)不會(huì)比用圓弧來(lái)描述的多，而又更加合理地表示了過(guò)渡處的結(jié)構(gòu)，而且實(shí)際上也未增加連桿的加工難度，并用直線(xiàn)描述連桿桿身。對(duì)于連桿的大端應(yīng)優(yōu)先考慮容易發(fā)生疲勞斷裂部位的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
（4）約束條件的確定
為了保證連桿優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可靠性，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)變量和一些參數(shù)必須滿(mǎn)足相應(yīng)的約束條件，即應(yīng)力約束條件、變形約束條件、疲勞安全系數(shù)、重量約束條件和設(shè)計(jì)變量約束條件。
3、計(jì)算結(jié)果與分析
在具體計(jì)算時(shí)，取連桿的重量為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)變量共取6個(gè)，其有限元網(wǎng)格如圖8所示。
連桿最優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表1與表2，由此可見(jiàn)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)的連桿在強(qiáng)度和剛度上都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的情況下，其重量比原來(lái)連桿的重量有了很大的減少，其中強(qiáng)度較大部位的金屬的重量被自動(dòng)減少，而強(qiáng)度較小部分的金屬被自動(dòng)得到增強(qiáng)，其應(yīng)力分布也比較合理。
表1
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方案
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設(shè)計(jì)變量/cm
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初始方案
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3.1
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1.7
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1.7
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2.0
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2.1
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5.6
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最優(yōu)方案
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2.677
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1.856
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1.712
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2.112
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2.242
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5.5
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表2
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方案
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參數(shù)
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cm
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cm
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W（X）/kg
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初始方案
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71
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128
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2.60
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0.00240
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0.00140
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2.888
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最優(yōu)方案
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69
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142
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2.53
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0.00081
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0.00126
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2.165
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采用常規(guī)設(shè)計(jì)難于使連桿達(dá)到既輕又可靠的要求，而選用最優(yōu)化方法并結(jié)合采用有限元法數(shù)值計(jì)算技術(shù)對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，則可圓滿(mǎn)完成這一任務(wù)，并得出連桿最優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)形狀。在連桿結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算中，向最優(yōu)方案每探索一步，都要對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，其目的是為最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供應(yīng)力、變形及疲勞安全系數(shù)等的約束信息。用有限元法對(duì)連桿結(jié)構(gòu)在整個(gè)720°循環(huán)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，當(dāng)然會(huì)得到非常理想的結(jié)果，但將使計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，而機(jī)時(shí)也大大增加。因此，在最優(yōu)化過(guò)程中可配合用計(jì)算較簡(jiǎn)便、結(jié)果也較準(zhǔn)確且花費(fèi)機(jī)時(shí)較少的最大拉、壓工況下的有限元靜力分析，而后對(duì)連桿上應(yīng)力、變形最大及疲勞安全系數(shù)最小的特征部位的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。修正值可通過(guò)對(duì)連桿最優(yōu)化設(shè)計(jì)初始方案的動(dòng)態(tài)分析或?qū)σ延羞B桿的動(dòng)應(yīng)力電測(cè)得到。
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連桿參數(shù)及尺寸示意圖. |
柴油機(jī)連桿有限元網(wǎng)格 |
二、連桿變形的檢驗(yàn)
連桿的變形有彎曲變形、扭曲變形和雙重彎曲等。連桿變形可在連桿檢驗(yàn)儀上進(jìn)行檢驗(yàn)，連桿檢驗(yàn)儀的測(cè)量工具是一個(gè)帶有V形塊的三點(diǎn)規(guī)。三點(diǎn)規(guī)上的三個(gè)點(diǎn)共面并與V形塊垂直，下面兩點(diǎn)的距離為100mm，上測(cè)點(diǎn)與下測(cè)點(diǎn)連線(xiàn)的垂直距離也是100mm。檢驗(yàn)時(shí)，首先將連桿大端的軸承蓋裝好，不裝連桿軸承，并按規(guī)定力矩將連桿螺栓擰緊，同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)心軸裝入小頭襯套的承孔中。然后將連桿大端套裝在支承軸上，通過(guò)調(diào)整定位螺釘使支承軸擴(kuò)張，將連桿固定在檢驗(yàn)儀上。測(cè)量時(shí)，將三點(diǎn)規(guī)的V形槽靠在心軸上并推向檢驗(yàn)平板。根據(jù)三點(diǎn)規(guī)的三個(gè)測(cè)點(diǎn)與檢驗(yàn)平板的接觸情況，可判斷連桿的變形情況。
1、無(wú)變形
如果三點(diǎn)規(guī)的三個(gè)測(cè)點(diǎn)都與檢驗(yàn)平板接觸，則連桿既無(wú)彎曲也無(wú)扭曲。
2、彎曲變形
如果上測(cè)點(diǎn)與平板接觸，下面兩測(cè)點(diǎn)與平板不接觸，且與平板間隙相等，或下面兩測(cè)點(diǎn)與平板接觸，而上測(cè)點(diǎn)與平板不接觸，則表明連桿發(fā)生了彎曲（如圖2所示），此時(shí)用塞尺測(cè)得測(cè)點(diǎn)與平板的間隙值，即為連桿在100mm長(zhǎng)度上的彎曲度值。
3、扭曲變形
如果只有一個(gè)下測(cè)點(diǎn)與平板接觸，且上測(cè)點(diǎn)與平板的間隙等于另一個(gè)下測(cè)點(diǎn)與平板間隙值的1/2，表明連桿有扭曲變形（如圖3所示）。此時(shí)下測(cè)點(diǎn)與平板的間隙即為連桿在100mm長(zhǎng)度上的扭曲度值。
4、雙重彎曲變形
如果一個(gè)下測(cè)點(diǎn)與平板接觸，但上測(cè)點(diǎn)與平板的間隙不等于另一個(gè)下測(cè)點(diǎn)與平板間隙的1/2，此時(shí)表明連桿同時(shí)存在彎曲變形和扭曲變形（如圖4所示）。下測(cè)點(diǎn)與平板間的間隙為連桿在100mm長(zhǎng)度上的扭曲值;上測(cè)點(diǎn)與平板的間隙和下測(cè)點(diǎn)與平板的間隙的1/2的差值，為連桿在100mm長(zhǎng)度上的彎曲值。使連桿大端斷面與平板貼靠，測(cè)出連桿小端斷面與平板的距離a，將連桿翻轉(zhuǎn)180°，用同樣方法測(cè)出距離b，若兩次測(cè)出的數(shù)值不等，說(shuō)明連桿存在雙重彎曲，兩次測(cè)得的數(shù)值之差（a-b），即為雙重彎曲值。
5、連桿變形的更換規(guī)定
在柴油發(fā)電機(jī)維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)連桿的變形做了如下規(guī)定∶連桿小端軸線(xiàn)與大端應(yīng)在同一平面內(nèi)，在該平面上的平行度公差為100 ∶0.03，該平面的法向平面上的平行度公差為100;0，06。若連桿的彎曲度和扭曲度超過(guò)公差值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行校正。連桿的雙重彎曲通常不予校正，因?yàn)檫B桿大、小端對(duì)稱(chēng)平面偏移的雙重彎曲極難校正，而雙重彎曲對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作極為有害，因此應(yīng)更換連桿。
6、連桿變形的校正
經(jīng)檢驗(yàn)連桿有變形時(shí)，應(yīng)記下連桿彎曲與扭曲變形的方向與數(shù)值，利用連桿校正儀進(jìn)行校正，如圖6所示。一般是先校正扭曲，后校正彎曲。如果連桿變形較小，可以送專(zhuān)業(yè)維修廠進(jìn)行維修。若變形超過(guò)極限值，應(yīng)直接更換。
（1）對(duì)于小幅度的變形，可以采用冷彎方式進(jìn)行恢復(fù)。即將連桿放在夾具中，使用力量逐漸將其自然彎曲，使其恢復(fù)原狀。
（2）對(duì)于較大的變形，需要進(jìn)行熱彎修復(fù)。將連桿進(jìn)行加熱，再用專(zhuān)業(yè)工具將其逐漸彎曲至原狀。
提示∶在修復(fù)完成后，需要進(jìn)行定位和平衡校正，確保連桿安裝后正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
5、校正注意事項(xiàng)
（1）必須裝好曲軸的膠帶輪、啟動(dòng)爪和止推軸承，以防止曲軸軸向移動(dòng)過(guò)大，影響精度。
（2）為了拆裝、測(cè)量方便，可先不裝活塞環(huán)，將連桿組裝入汽缸進(jìn)行連桿校正。
（3）汽缸、活塞連桿組要保持清潔。
（4）當(dāng)連桿出現(xiàn)既彎曲又扭曲時(shí)，應(yīng)先校正彎曲，再校正扭曲。
（5）如果活塞在上、下止點(diǎn)偏缸的方向不一致，說(shuō)明汽缸的中心線(xiàn)與曲軸中心線(xiàn)不垂直，很可能是在鏜缸時(shí)出現(xiàn)偏差。
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圖3 連桿彎曲檢測(cè) |
圖4 連桿扭曲變形檢測(cè) |
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圖5 連桿雙重彎曲檢測(cè) |
圖6 柴油機(jī)連桿校正示意圖 |
總結(jié)：
連桿的彎曲、扭曲和雙重彎曲變形會(huì)使活塞在氣缸中歪斜，造成活塞與氣缸、連桿軸承與連桿軸頸偏磨并發(fā)出響聲，進(jìn)而導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)動(dòng)力下降且溫度升高。總之，在處理連桿變形時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行全面檢查，然后選擇合適的修復(fù)方式。在處理過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作流程，確保處理結(jié)果符合安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。
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