連桿早期裂紋在線監測測點優選

劉亞峰 汪宏偉 黃映云

（海軍工程大學）

0 前言

目前，國內外對發動機機的狀態監測及故障診斷已經非常普遍，并取得了許多成果，也開發了相關的監測儀器設備，監測手段包括振動、噪聲、油樣、溫度、壓力等，但對發動機機的動力組件裂紋故障的在線監測則受到其在交變載荷下高速運動的特性限制，在工程上較難實現〔1～3〕。為了防止發動機連桿產生裂紋導致疲勞斷裂對人員造成損害和造成整機報廢的嚴重后果，對連桿的受力狀態進行實時監測尤為必要，而目前能夠實現的辦法只有在連桿上布置應變片來監測連桿的受力情況。理論上講，應該將測點布置在連桿所承受的最大交變應力處，因為這個地方最容易發生疲勞斷裂，但由于監測手段的局限性，對連桿內部所受的應力大小目前尚無法直接測量，因此，通過監測連桿表面點受力情況的變化來判斷連桿早期裂紋的產生是一種可行的方法。本文要研究的是如何選擇最佳的測點。

1 連桿的有限元力學分析

作用于連桿的外載荷是通過活塞銷和連桿軸頸作用于連桿的小頭的。活塞銷與銷孔的接觸載荷分布則與小頭襯套的剛度、間隙及油膜壓力分布有關，為簡單起見，本文在對連桿受力分析時認為作用于連桿兩頭的載荷呈180度均勻分布〔4～6〕。對連桿作力學分析時，以氣缸中的爆炸壓力曲線作用于活塞后，換算成連桿兩頭的時間作用載荷，其中，連桿小頭Ps（t）＝（t），連桿大頭Pι（t）＝（t）。由于β較小，可認為cosβ≈1。雖然，連桿實際上的受力必須考慮活塞慣性力、連桿本身慣性力以及曲柄慣性力的影響，但作為應力監測而非設計而言，忽略這些作用力對測點的選擇是沒有太大的影響的。連桿在實際的工作過程中，主要以傳遞活塞銷和曲柄銷的壓力為主，僅在進氣沖程受到拉力作用（增壓柴油機可能僅承受壓力），為了全面反映連桿的受力狀態，計算分為以下四種情況：a．連桿小頭固定，大頭受壓力作用；b．連桿小頭固定，大頭受拉力作用；c．連桿大頭固定，小頭受壓力作用；d．連桿大頭固定，小頭受拉力作用。

本文以TBD234型柴油機的連桿為研究對象，利用solid 45單元建立連桿的有限元模型如圖1所示，共用單元73977個，節點15854個，模型中材料參數的取值為：E＝2．05×105N／mm2，μ＝0．3，ρ＝7．8×10－6kg／mm3。氣缸爆壓的時間曲線如圖2所示。

圖1 連桿的有限元模型

圖2 氣缸爆炸壓力曲線

對圖1所示的連桿有限元模型施加圖2所示的氣缸爆炸壓力曲線經上述公式轉換后得到的載荷，計算得到連桿在上述四個工況下連桿受最大應力時刻的應力分布云圖如圖3至圖6所示。圖3和圖4顯示，連桿大頭受到壓力或拉力時，最大應力發生在節點2785處；其應力最大值分別為700MPa和697MPa．圖5和圖6顯示，連桿小頭受到壓力或拉力時，雖然最大應力發生在節點連桿小頭的油道處；但在連桿大端的斷面與連桿桿身過渡處均有較大的應力集中。

2 動力傳動組件的剛柔混合模型計算

從連桿的有限元力學分析中可以看出：連桿小頭與桿身兩側的過渡處及連桿大頭與桿身過渡的上下邊緣在連桿的工作過程中可能會產生較大的應力值，若要實時監測連桿的工作狀態，這些點可以考慮作為傳感器的布置點，但由于空間位置的限制，必須從這些點中優選出一個最能反映連桿工作狀態發生變化的布點。為此，本文通過建立 “完好連桿”和 “帶裂紋連桿”的柴油機動力傳動組件的剛柔混合模型，計算獲得額定工況，80%負荷工況，50%負荷工況三種工況下連桿上這些可能測點的應力最大值，通過比較在同一工況下連桿產生裂紋前后，各測點應力最大值的變化程度來判斷其對裂紋產生的敏感度。“完好連桿”與 “帶裂紋連桿”的剛柔混合模型通過由ANSYS軟件計算得到的模態中性文件導入到由PRO／E軟件及ADAMS軟件聯合建立的多剛體動力學模型中得到。

圖3 連桿大頭受壓力作用時的應力分布云圖

圖4 連桿大頭受拉力作用時的應力分布云圖

圖5 連桿小頭受壓力作用時的應力分布云圖

圖6 連桿小頭受拉力作用時的應力分布云圖

由ANSYS生成的連桿模態中性文件如圖7所示。多剛體動力學模型是利用PRO／E與多體動力學分析軟件ADAMS之間的無縫接口軟件M／PRO轉化得到的。柴油機整機有上千零部件，在建立多剛體模型時對其進行了簡化。文章將整個機組簡化為包括曲軸、機體、活塞、連桿、平衡軸、凸輪軸、氣缸蓋、電機轉子、機座、主軸承、機腳等在內的46個剛體 （不包括大地），然后根據柴油機的實際運行方式，對整個柴油機動力學模型添加合適的運動學約束如：圓柱副、旋轉副、球鉸副、滑移副、固定副、點線副、齒輪副等，另外根據各缸發火次序添加不同相位缸內爆炸壓力曲線作為模型的驅動約束。具體的約束添加方式如圖8所示，其中存在大量的固定副，文章沒有列出。實現連桿剛柔替換后的柴油機動力傳遞組件剛柔混合模型如圖9所示，為了清楚的顯示連桿等運動組件，圖中隱藏了機體、缸蓋以及其它外掛件等。

圖7 連桿的模態中性文件

圖8 柴油機動力傳遞組件間的約束關系

圖9 柴油機動力傳遞組件剛柔混合模型

表1 額定工況各測點應力計算結果

表2 80% 負荷工況各測點應力計算結果

表3 50% 負荷工況各測點應力計算結果

在ADAMS中，對上述柴油機動力傳遞組件剛柔混合模型分別施加額定負荷、80%負荷、50%負荷三種缸內壓力爆炸曲線以及扭矩，計算得到連桿上各可能測點的應力最大值如表1、表2和表3所示。三表中S1至S6分別對應連桿上的六個可能測點的應力最大值，對于 “完好連桿”，其節點號分別為：12，20，640，700，2785，2810；對于 “帶裂紋連桿”，其節點號分別為：12，20，532，556，677，713。

從上三表中的計算結果來看，三種工況下測點6所對應位置的應力最大值對產生裂紋最為敏感，適合作為監測柴油機連桿受力狀態的測點。即在柴油機的工作過程中，若發現測點6的應力最大值發生的較大變化，就應該及時停機進行檢查，確認是否是連桿已經產生了早期裂紋。

3 結論

本文在對連桿進行有限元力學分析的基礎上，通過建立柴油機動力傳遞組件的剛柔混合模型，計算了在額定工況、80%負荷工況以及50%負荷工況下連桿上各可能測點的應力最大值在產生裂紋后變化的敏感度，結果表明，連桿小頭與桿身過渡的側面對連桿產生裂紋后的應力變化最為敏感，適合作為衡量連桿受力狀態的傳感器布置點，本文的結論為進一步研究柴油機動力組件的裂紋故障狀態監測提供了支持。

〔1〕湯建華，馬善偉，劉世生，等 ．艦船柴油機智能化在線監測及故障預報技術研究 〔J〕．艦船科學技術．2009，31 （11）：34－36．

〔2〕蘇志忠，戴鳳濤，陳 峰，等 ．遠程在線監測系統監測與診斷功能的完善 〔J〕．石油化工設備．2011，40（8）：65－68．

〔3〕張錫清 ．機電設備的狀態監測與故障診斷 〔J〕．山東煤炭科技．2011，3：71－72．

〔4〕陳大榮，船舶內燃機設計 〔M〕．北京：國防工業出版社，1995．

〔5〕袁兆成，內燃機設計 〔M〕．北京：機械工業出版社，2011．

〔6〕雷 艷，現代內燃機設計技術 〔M〕．北京：北京工業大學出版社，2011．