柴油機連桿工作過程中嚙合齒形靜力學試驗研究

唐明軍，侯勇俊，楊建坤，劉衛東

● （1．西南石油大學 機電工程學院，四川成都 610500；2．中海油能源發展油田建設工程公司，天津 300452）

柴油機連桿工作過程中嚙合齒形靜力學試驗研究

唐明軍1，侯勇俊1，楊建坤2，劉衛東2

● （1．西南石油大學 機電工程學院，四川成都 610500；2．中海油能源發展油田建設工程公司，天津 300452）

以海上采油平臺某發電用進口柴油機連桿為研究對象，以該柴油機實際運轉工況下的P-V圖為基礎，計算該柴油機實際運轉工況下一個工作循環內氣體作用在活塞上的作用力；采用ADAMS軟件，建立的發動機多體動力學模型，通過輸入的氣體壓力曲線和負載轉矩，仿真得到連桿實際工況下交變載荷；用電測法對連桿所受最大軸向載荷和橫向載荷做了靜力拉壓加載實驗，測得連桿的應力應變；本文試驗結果為后期連桿的有限元分析結果的準確性提供對比依據。

連桿；嚙合齒；靜力試驗

0 引言

連桿是柴油機中的重要零部件之一，其結構形狀和受載狀況非常復雜，連桿的可靠性和壽命在很大程度上影響著柴油機的可靠性和壽命。目前，中海油海上采油平臺在用的某發電用進口柴油機在24000h大修過程中，對連桿進行無損探傷時發現一些連桿嚙合齒處存在不同深度的裂紋，經統計，這些裂紋普遍出現在新連桿的第二個24000h大修周期內。對于在嚙合齒處出現較淺裂紋的連桿，經修復并檢驗合格后可繼續使用，但在裝機后繼續運行6000h～12000h后嚙合齒處重新出現裂紋，并有數量增加的趨勢，這給機組的安全穩定運行帶來了極大風險。為了分析連桿工作過程中實際的應變大小，本文對該柴油機連桿進行了靜力學試驗研究。

1 連桿靜力學試驗工況確定

連桿工作過程是將活塞的往復運動轉化成曲軸的旋轉運動，受到交變載荷的作用，依據對柴油機實際運轉工況下的P-V圖，利用多體動力學軟件ADAMS建立連桿的多體動力學模型，根據輸入的氣體壓力曲線和負載轉矩，仿真可得到連桿實際工況下的交變載荷，根據活塞壓力和負載轉矩，可得到曲軸在旋轉720°周期內連桿大端和小端受到的慣性力和壓力，如圖1所示。為保證連桿在加載試驗過程中的材料不進入屈服階段，且連桿不被破壞，確定連桿的實驗工況如表1所示。

圖1 連桿運行中受到的交變載荷

表1 連桿實驗工況

連桿的小端固定，而大端通過試驗機橫梁的移動施加載荷。連桿受到的軸向載荷見圖2。箭頭所指方向為連桿受到的載荷方向，拉伸載荷100kN，壓縮載荷200kN。

圖2 軸向載荷圖

連桿的小端固定，大端通過試驗機橫梁的移動施加載荷。連桿受到的橫向載荷如圖3所示。箭頭所示方向為沿Y軸的橫向載荷，大小為30kN。

圖3 橫向載荷圖

2 連桿靜力試驗齒形應變片位置的確定

在貼應變花前需要在連桿的齒形處進行畫線，確定應變花的位置，并對各位置處應變花進行標號。令連桿正面為A面，連桿背面為B面，連桿軸測圖如圖4所示。

圖4 連桿軸測圖

為確定應變花的位置，在A面以連桿大端孔中心為全局坐標系的原點建立全局坐標系，以應變花中心作為原點建立局部坐標系，應變花位置如圖5（a）、（b）所示。

局部坐標系O′與應變花三個方向的交點重合即應變花的中心，X′軸與應變花的 0°方向重合，Y′軸與其 90°方向重合，Z′軸由右手法則確定。1號應變花的局部坐標系如圖5（b）所示。A面其余應變花以此為標準建立局部坐標系。由A面對稱得到B面坐標系。根據建立的全局坐標系O-XYZ和局部坐標系O′-X′Y′Z′確定的連桿的應變花位置如表2所示，并將應變片粘貼到連桿的對應位置處，實際粘貼效果如圖6所示。

圖5 應變花位置圖

表2 應變花位置表

圖6 連桿嚙合齒應變花位置圖

3 試驗測量電路的選擇

在實驗過程中，齒形處的變形非常微弱，必須用專門的電路來測量這種微弱的變化即電橋電路。電橋電路的作用是把電阻片的電阻變化率轉換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進行測量，從而獲得該處的變形。

應變儀測量應變的電橋分為全橋、半橋和1/4橋，本試驗采用1/4橋測量連桿局部齒形處的應變，1/4橋單臂測量電路接線如圖7所示。

在1/4橋中四個電阻中只有R1是工作應變片，其電阻產生變化，所以輸出電壓可寫成：e=1/4×ΔR/R×E

應變片的阻值不僅隨機械應變變化，而且隨溫度變化。現場測試中，氣溫變化，日光和風對應變片阻值都會產生影響，故需要在電橋中接入溫度補償片，試驗過程中采用一片補償多片即公共補償。

圖7 1/4橋單臂測量電路接線圖

4 試驗過程及試驗結果分析

本次連桿實驗采用Instron疲勞試驗機，連桿靜力試驗過程如圖8所示，試驗過程中應變儀采集數據過程如圖9所示。將測得的試驗數據進行處理可得到各應變花位置處齒形的主應變和主應變的方向。主應變ε1對應的方向為α1，主應變ε2對應的方向為α2。主應變的方向α1和α2分別為應變花局部坐標系下的方向。

圖8 連桿靜力試驗過程圖

圖9 應變儀采集數據過程圖

按照表1連桿試驗工況，對連桿進行加載，測得了連桿靜力學試驗結果，其中，拉伸試驗結果見表3，壓縮試驗結果見表4，沿Y軸向下彎曲橫向載荷試驗結果見表5，沿Y軸向上彎曲橫向載荷試驗結果見表6。

表3 第一次拉伸試驗結果

表4 壓縮試驗結果

表5 沿Y軸向下彎曲橫向載荷試驗結果

表6 沿Y軸向上彎曲橫向載荷

5 結語

從試驗角度對連桿工作過程中最大工作載荷下嚙合齒形處應變進行了分析，測得了連桿嚙合齒處16個不同位置處分別在拉伸載荷100kN作用下，壓縮載荷200kN作用下，沿Y軸向下彎曲橫向載荷為30kN作用下，沿Y軸向上彎曲橫向載荷為30kN作用下的應變值，該試驗結果可驗證后期連桿有限元分析中模型建立的正確性和有限元分析結果的準確性。

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Research on Meshing Tooth Statics Experiment of Connecting Rod During Diesel Engine Working

TANG Ming-jun1,HOU Yong-jun1,YANG Jian-kun2,LIU Wei-dong2
(1.School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China; 2.CNOOC Energy Technology &Services-Oilfield Construction Engineering Co.,Tianjin 300452,China)

Taking one imported power generated diesel engine’s connecting rod on offshore oil platform as research object,based on the actual operating condition of P-V graph of the diesel engine,the gas force acting on the piston is calculated under actual operating condition during the work circulation of diesel engine.Using ADAMS software,the multi-body dynamics model of the engine is established.By inputting pressure curve and load torque of the gas in the cylinder,the actual alternating loads during the working conditions of the connecting rod is gotten.The static compressive load experiment of the connecting rod is used to measure the stress and strain of connecting rod under the maximum axial load and horizontal load using electricity measure method.The testing results can be the basis to check the accuracy of loading experiment results and finite element analysis results.

connecting rod; meshing teeth; statics experiment

TK427

A

唐明軍（1974-），男，高級工程師。主要從事海洋石油柴油機、吊機、修井機等設備的運維管理工作。