軸類零件的磨損分析與檢測系統設計

侯立丹,張 宇

(山東理工大學機械工程學院,山東淄博255049)

發動機在運行一段時間后,其主要部件曲軸會存在不同程度的磨損,一般可根據曲軸的受力情況對其磨損進行研究,便于下一步的檢測.在實際檢測過程中,由于測量方法和評定方法的不當,可能會造成曲軸誤廢或者誤收.傳統的測試以千分表等儀器為手段,采用近似法測量,由于人的視覺誤差等主觀因素的影響,易導致測量數據的不準確.同時,由于手工測量數據不夠多,而難以對零件做出精確評價.如果使用高、精、尖的測量儀器進行測量,成本會大大增加,在檢測現場不能得到廣泛的使用.本文對曲軸磨損情況進行分析并設計針對主要性能參數的檢測系統.

1 曲軸的磨損分析

曲軸是發動機的主要運動部件之一,它把活塞的直線往復運動通過連桿轉變成主軸的回轉運動.曲軸的基本結構如圖1所示,每個曲軸由主軸頸(安裝在主軸承部位)、連桿軸頸(與連桿大頭相連部位)、曲柄及平衡鐵所組成.

曲軸運轉中,主軸頸與軸瓦、連桿軸頸與連桿大頭瓦之間由于相對運動而產生磨損.根據曲軸的工作特點和失效特征分析可知,磨損是曲軸的主要失效形式[1],曲軸的主軸頸和連桿軸頸都存在不同程度的磨損.連桿軸頸的徑向不均勻磨損會引發連桿軸頸軸向的不均勻磨損,可導致連桿軸頸成錐形.主軸頸的不均勻磨損會降低主軸頸的同軸度,往往造成曲軸的斷裂,也會使軸頸表面出現擦傷和燒傷現象.曲軸連桿軸頸的磨損量可通過圓度誤差和直徑大小來確定.

圖1 曲軸結構示意圖

2 曲軸磨損檢測

根據曲軸的磨損情況,我們對其主軸頸和連桿軸頸進行磨損檢測[2].

2.1 檢測原則

(1)為了克服傳統測量方法的不足,實現自動檢測,對常用的測量方法改進如下:以曲軸的回轉中心為定位線,即以曲軸在磨削過程中的定位孔為中心,從而實現了加工基準與測量基準的統一.

(2)實現同時檢測多個參數項目.

(3)為了能夠自動得到曲軸的檢測結果,需要設置被測曲軸的檢測標準.

2.2 實現方法

(1)檢測標準的設置

檢測標準的設置主要用于被測曲軸檢測標準的設置及標準軸基本尺寸的設置和顯示,如檢測點數,尺寸公差等.

(2)標準軸的測試

標準軸的測試主要完成標準軸有關項目的檢測,同時用于各種傳感器的標定,并將標準值記錄下來,與被測曲軸進行比較得到被測軸的基本尺寸.

(3)工件的測量

工件的測量主要完成被測曲軸有關數據的測量,包括被測軸的基本尺寸(直徑)以及被測軸的圓度誤差和徑向圓跳動誤差的測量.測量被測軸的基本尺寸時,可以將被測軸測量時的電壓與標準軸基本尺寸測量時的電壓值相比較,并換算成相應的毫米值,從而得到被測軸的基本尺寸.被測軸的徑向圓跳動誤差的測量,可以得到被測軸整個圓周有限點的測量數值(例如24點),并從每組的測量數據中找到最大值和最小值,求出工件的跳動量,根據標準測量的基本尺寸對應的電壓值轉換成相應的毫米數值,從而計算出被測曲軸的徑向圓跳動誤差值.圓度的測量也是通過多點測量,應用最小二乘法找出最小二乘圓的圓心與軸心的偏移來確定圓度.

2.3 曲軸主軸頸的檢測裝置

曲軸主軸頸檢測裝置主要用來檢測曲軸主軸頸的基本尺寸(直徑d)和徑向圓跳動誤差.主軸頸每轉1周,通過位移傳感器的測頭1測量1周上若干點的數據[3],通過PCI1817U型數據采集卡將檢測數據上傳至工控機,通過軟件程序進行計算處理和結果的存儲.主軸頸測量裝置如圖2所示.

2.4 連桿軸頸的檢測裝置

圖2 主軸頸測量裝置

針對連桿軸頸不易測量的特點,專門設計了一種測量其圓度誤差和基本尺寸的測量裝置[4],其結構示意圖如圖3所示.

圖3 連桿軸頸測量裝置結構示意圖

檢測過程:曲軸兩端固定后,連桿軸頸位置也就確定,且連桿軸頸在檢測過程中不能旋轉,利用此檢測裝置檢測連桿軸頸就需要將每個測頭進行120°旋轉,這樣就能得到連桿軸頸1周的檢測數據[5],再通過數據采集卡將數據進行處理和存儲.

2.5 系統軟件設計

目前,較多企業仍然采用Excel統計軟件進行數據的存儲和處理計算.這種方法雖然靈活通用,但需要我們輸入大量的檢測數據和處理公式,且有些計算函數并不能使用.針對上述情況,本系統擬采用Visual Basic 6.0開發工具與SQL Server 2000型數據庫結合技術進行軟件設計,將大量現場檢測數據存儲到SQL Server數據庫中,通過Visual Basic語言開發出人機交互界面和數據處理功能模塊,并調用數據庫中的存儲數據進行數據處理和分析.因此,本系統可在保證數據精度的前提下大大提高數據處理速度、降低工人輸入大量數據的出錯率.設計程序流程圖如圖4所示.

3 檢測數據的處理

檢測參數包括曲軸曲柄銷的直徑、圓度誤差與徑向跳動誤差.

圓度誤差:圓度誤差采用最小二乘法[6]來計算,即根據采樣點的數據,采用最小二乘法法去擬合圓曲線,最終求出圓心半徑和圓度誤差的大小.擬合公式為式中為被測點的坐標值;δi為偏差;a、b、c分別為擬合曲線方程系數.

圖4 軟件設計程序流程圖

將式(1)對a、b、c分別求偏導數,令偏導數等于零,得到極值點,比較所有極值點的函數值,最小的那個就是所求答案.再利用a、b、c與A、B、R的關系得到擬合圓的半徑R和圓心(A,B).求出軸心與圓心(A,B)之間的距離t即是曲軸主軸頸的圓度誤差.圓度誤差計算原理圖如圖5所示.同理可以計算出連桿軸頸的圓度誤差.

圖5 圓度誤差計算原理圖

徑向圓跳動誤差:將被測軸基準軸線調整到與檢測裝置回轉工作臺平行的位置,對徑向跳動誤差的結果影響較小.檢測裝置采集到各點的一個相對變化量,最大值減去最小值即是跳動誤差.將各采樣點的相對變化量加上公稱直徑的一半即是所測部位的半徑.檢測數據處理程序界面如圖6所示

圖6 程序主界面

4 實驗數據分析

根據最小二乘法原理,本實驗中圓度測量數據的計算結果與Excel操作計算結果對比見表1.

表1 實驗數據對比μ m

實驗結果表明,該方法提高了檢測效率,改變了傳統近似法手工測量的不足.

[1] 劉俊英,張國勝,蔣伯平.工程機械軸類零件的再制造概述[J] .工程機械,2008,39(1):58-60.

[2] 倪厚強,朱興龍,司樹倫,等.軸類零件多參數測量裝置的研究[J] .機電產品開發與創新,2004,17(1):88-90.

[3] 郭曉波,彭曉南.曲軸多參數虛擬檢測儀的研制[J] .河南科技大學學報(自然科學版),2003,24(2):34-36.

[4] 王偉,于軍.經濟型軸類零件形位誤差測量儀的研制[J] .宇航計測技術,1998,18(6):23-26.

[5] 徐瀅,易琨.軸類零件的自動檢測裝置設計[J] .工具技術,2005,39(5):83-85.

[6] 彭曉南,郭曉波.曲軸綜合檢測虛擬儀的開發[J] .工具技術,2004,38(5):54-57.