柴油機風扇軸強度及疲勞的分析與改進

劉波，陳俊

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

1 前言

21世紀以來，國內經濟高速發展，公路、鐵路、航空等基礎設施建設都得到了前所未有的發展，工程機械、公交車、長途用客車、載重貨車等的應用也隨之“爆發式”增長。作為工程機械、載重車等的動力核心—柴油機的應用和匹配也越來越成為各個柴油機主機廠的關注點和業績增長點。

D114柴油機匹配某挖掘機，由于布置尺寸的要求，需要將風扇軸的長度由原來的128mm增長至163mm。根據匹配變化要求，且風扇軸為一懸臂梁結構，結合實際應用中出現的問題（由售后服務得知，原長128mm的風扇軸經常在運行幾個月甚至一年以上發生斷裂），需要對風扇軸的強度及疲勞進行校核計算。本文的有限元強度計算，前后處理及求解皆使用Abaqus軟件，疲勞計算采用Fem fat軟件。

2 模型和分析說明

模型主要采用螺栓、過盈、壓裝等連接方式，將軸承結構簡化，如圖1所示?？紤]到模型組件較多，將物理模型簡化為數學模型以進行有限元分析。根據組件間的連接方式及位置關系，并考慮本次分析主要是計算風扇軸的疲勞強度，因此將螺栓連接屬性定義為綁定。根據公差給定分析所采用的最大過盈量，壓裝處連接屬性定義為接觸。根據構件與風扇軸的位置，將其余連接屬性定義為綁定或接觸缸蓋施加3個方向的約束，加速度施加在除缸蓋外的所有運動構件上。

整個模型采用二階四面體網格來劃分?？紤]到獲取柴油機在挖掘機上的實際工況的困難，因此采用柴油機臺架試驗所累積的經驗來確定計算中需要的振動加速度，皮帶力采用余弦函數方式加載。

考慮到強度與疲勞的分析出發點及計算原理不同，因此本次分析采用針對強度和疲勞計算所采用的加速度是不同的。

3 分析結果

風扇軸強度分析了6個工況，即最大螺栓預緊力+皮帶力+6個方向加速度，計算結果如圖2～圖7所示。其強度結果變形比例為放大100倍，不考慮螺栓接觸部分的應力。

根據圖2～7的強度計算結果[1]，從強度的角度考慮，風扇軸滿足設計要求。該類風扇軸的失效多數為運行幾個月甚至一年以上才發生斷裂，結合工程應用工程師的經驗和該型柴油機配套主機廠的實際應用情況，可以判斷出疲勞為風扇軸的主要失效形式。

以Abaqus計算得到的應力結果為輸入，結合材料屬性、疲勞強度數據、材料統計規律、零件表面粗糙度、熱處理等數據，采用Fem fat疲勞計算軟件[2]計算得風扇軸在設定工況下的最小安全系數，如圖8所示。

根據圖2～7的計算結果，最大抗拉應力低于材料的強度極限，改長的風扇軸仍滿足強度設計要求；危險位置采用R3mm圓角半徑的風扇軸疲勞計算結果表明，最小安全系數為0.87，按照Femfat經驗，不能滿足應用要求。根據Fem fat提供的工程經驗[2]，發動機組件的疲勞安全系數通常要達到在1.1以上（主要考慮計算精度及網格精度對結果的影響），據此經驗知圖8結果不滿足經驗要求，需要進行優化。

因此將風扇軸段危險位置的圓角半徑由R3 mm改為R5mm，改進方案的危險位置的安全系數提高到1.43，滿足了應用要求。

由圖8計算結果，該風扇軸的常規危險位置在軸端過渡圓角處。原方案中，危險位置的圓角半徑為R3mm，改進方案的圓角半徑為R5mm，見圖9。

4 結論

本文針對柴油機匹配工程機械的實際應用，采用Abaqus軟件進行了有限元強度分析的前、后處理及求解，由Femfat計算疲勞安全系數。

需要說明的是，本文采用的工況是以經驗累積為基礎、CAE分析工程師結合經驗假設的邊界條件及載荷工況，并根據實際物理模型的簡化及CAE建模的要求做了適當簡化，因此計算結果只做定性的參考。實際應用中，建議采用試驗測試得到的工況（通常為三個平動方向都存在加速度的情況）為邊界載荷，這樣的結果更接近于真實情況，可在工程實際中采納。

1石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

2麥格納公司.THEORIE_BASIC46_FEMFAT. Canada，2006.