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技術(shù)維修與安全知識 |
柴油機連桿彎曲變形檢測、校正方法及優(yōu)化設計 |
前言：柴油發(fā)動(dòng)機在運轉時(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)電機動(dòng)力下降，經(jīng)濟性差，使用壽命縮短；活塞在汽缸內運動(dòng)不規則，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 )導致偏缸，為了校正偏缸，必須先將連桿校正。
一、連桿優(yōu)化設計理論應用
柴油發(fā)電機工作時(shí)，連桿承受著(zhù)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。這些都是復雜、急劇變化、帶有沖擊性的應力，因此，要求連桿具有足夠的強度和剛度，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)往復運動(dòng)轉變?yōu)榍S的旋轉運動(dòng)。
1、連桿優(yōu)化理論
應用最優(yōu)化理論進(jìn)行柴油機零件的優(yōu)化設計，主要包括3個(gè)方面：
（1）將實(shí)際問(wèn)題抽象為最優(yōu)化設計的數學(xué)模型，即確定約束條件，選擇合適的設計變量，確定需要設計的目標即目標函數；
（2）通過(guò)分析選擇最優(yōu)化方法，畫(huà)出計算流程圖；
（3）按照流程圖進(jìn)行編程調試，計算出優(yōu)化設計的結果。連桿的最優(yōu)化設計可以歸結為一個(gè)求解非線(xiàn)性規劃問(wèn)題。在本文中考慮到連桿的結構，采用有限元法進(jìn)行分析。
2、柴油機連桿的最優(yōu)化設計方法分析
（1）連桿最優(yōu)化設計模型
用最優(yōu)化理論設計重量輕又安全可靠的連桿，可歸結為下述最優(yōu)化設計問(wèn)題，即求解一個(gè)n維變量，使目標函數值達到最小。
（2）目標函數的選取
根據設計要求可選取連桿的重量或連桿上最小疲勞安全系數的倒數作為目標函數，在此選連桿的重量為目標函數。
（3）設計變量的選取
連桿結構的形狀一般可以由若干段連續光滑的曲線(xiàn)所組成，這些曲線(xiàn)則由各自的系數來(lái)確定其形狀，這些系數就是所要求解的設計變量。在設計連桿時(shí)除了連桿大、小內徑是預先給定的，其它外形尺寸一般都是特定的，見(jiàn)圖1對于連桿小端，其結構尺寸直徑與厚度一般是在設計前已給定，且兩偏心園的偏心位置一般在很小的范圍內變動(dòng)，在連桿最優(yōu)化設計前可通過(guò)試算預先決定。因此，只需一個(gè)設計變量就可以描述小端的外形。對于連桿大、小端過(guò)渡和桿身的外形，一般由分段連續的曲線(xiàn)組成。在通常的設計中，小端和大端過(guò)渡處一般由一段或幾段圓弧來(lái)描述。為了適應連桿最優(yōu)化設計的特點(diǎn)，采用二次插值拋物線(xiàn)來(lái)描述。由此設計變量個(gè)數不會(huì )比用圓弧來(lái)描述的多，而又更加合理地表示了過(guò)渡處的結構，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。對于連桿的大端應優(yōu)先考慮容易發(fā)生疲勞斷裂部位的結構參數進(jìn)行優(yōu)化。
（4）約束條件的確定
為了保證連桿優(yōu)化設計方案的可靠性，在進(jìn)行優(yōu)化設計的過(guò)程中，設計變量和一些參數必須滿(mǎn)足相應的約束條件，即應力約束條件、變形約束條件、疲勞安全系數、重量約束條件和設計變量約束條件。
3、計算結果與分析
在具體計算時(shí)，取連桿的重量為目標函數，設計變量共取6個(gè)，其有限元網(wǎng)格如圖8所示。
連桿最優(yōu)化結果見(jiàn)表1與表2，由此可見(jiàn)進(jìn)行最優(yōu)化設計的連桿在強度和剛度上都滿(mǎn)足設計的情況下，其重量比原來(lái)連桿的重量有了很大的減少，其中強度較大部位的金屬的重量被自動(dòng)減少，而強度較小部分的金屬被自動(dòng)得到增強，其應力分布也比較合理。
表1
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方案
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設計變量/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
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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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采用常規設計難于使連桿達到既輕又可靠的要求，而選用最優(yōu)化方法并結合采用有限元法數值計算技術(shù)對連桿結構進(jìn)行分析，則可圓滿(mǎn)完成這一任務(wù)，并得出連桿最優(yōu)化設計后的結構形狀。在連桿結構的最優(yōu)化設計計算中，向最優(yōu)方案每探索一步，都要對連桿結構進(jìn)行有限元分析，其目的是為最優(yōu)化設計提供應力、變形及疲勞安全系數等的約束信息。用有限元法對連桿結構在整個(gè)720°循環(huán)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，當然會(huì )得到非常理想的結果，但將使計算過(guò)于復雜，而機時(shí)也大大增加。因此，在最優(yōu)化過(guò)程中可配合用計算較簡(jiǎn)便、結果也較準確且花費機時(shí)較少的最大拉、壓工況下的有限元靜力分析，而后對連桿上應力、變形最大及疲勞安全系數最小的特征部位的計算結果進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。修正值可通過(guò)對連桿最優(yōu)化設計初始方案的動(dòng)態(tài)分析或對已有連桿的動(dòng)應力電測得到。
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連桿參數及尺寸示意圖. |
柴油機連桿有限元網(wǎng)格 |
二、連桿變形的檢驗
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儀上進(jìn)行檢驗，連桿檢驗儀的測量工具是一個(gè)帶有V形塊的三點(diǎn)規。三點(diǎn)規上的三個(gè)點(diǎn)共面并與V形塊垂直，下面兩點(diǎn)的距離為100mm，上測點(diǎn)與下測點(diǎn)連線(xiàn)的垂直距離也是100mm。檢驗時(shí)，首先將連桿大端的軸承蓋裝好，不裝連桿軸承，并按規定力矩將連桿螺栓擰緊，同時(shí)將標準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)調整定位螺釘使支承軸擴張，將連桿固定在檢驗儀上。測量時(shí)，將三點(diǎn)規的V形槽靠在心軸上并推向檢驗平板。根據三點(diǎn)規的三個(gè)測點(diǎn)與檢驗平板的接觸情況，可判斷連桿的變形情況。
1、無(wú)變形
如果三點(diǎn)規的三個(gè)測點(diǎn)都與檢驗平板接觸，則連桿既無(wú)彎曲也無(wú)扭曲。
2、彎曲變形
如果上測點(diǎn)與平板接觸，下面兩測點(diǎn)與平板不接觸，且與平板間隙相等，或下面兩測點(diǎn)與平板接觸，而上測點(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)用塞尺測得測點(diǎn)與平板的間隙值，即為連桿在100mm長(cháng)度上的彎曲度值。
3、扭曲變形
如果只有一個(gè)下測點(diǎn)與平板接觸，且上測點(diǎn)與平板的間隙等于另一個(gè)下測點(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)下測點(diǎn)與平板的間隙即為連桿在100mm長(cháng)度上的扭曲度值。
4、雙重彎曲變形
如果一個(gè)下測點(diǎn)與平板接觸，但上測點(diǎn)與平板的間隙不等于另一個(gè)下測點(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）。下測點(diǎn)與平板間的間隙為連桿在100mm長(cháng)度上的扭曲值;上測點(diǎn)與平板的間隙和下測點(diǎn)與平板的間隙的1/2的差值，為連桿在100mm長(cháng)度上的彎曲值。使連桿大端斷面與平板貼靠，測出連桿小端斷面與平板的距離a，將連桿翻轉180°，用同樣方法測出距離b，若兩次測出的數值不等，說(shuō)明連桿存在雙重彎曲，兩次測得的數值之差（a-b），即為雙重彎曲值。
5、連桿變形的更換規定
在柴油發(fā)電機維修技術(shù)標準中，對連桿的變形做了如下規定∶連桿小端軸線(xiàn)與大端應在同一平面內，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)，應進(jìn)行校正。連桿的雙重彎曲通常不予校正，因為連桿大、小端對稱(chēng)平面偏移的雙重彎曲極難校正，而雙重彎曲對曲柄連桿機構的工作極為有害，因此應更換連桿。
6、連桿變形的校正
經(jīng)檢驗連桿有變形時(shí)，應記下連桿彎曲與扭曲變形的方向與數值，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(chǎng)進(jìn)行維修。若變形超過(guò)極限值，應直接更換。
（1）對于小幅度的變形，可以采用冷彎方式進(jìn)行恢復。即將連桿放在夾具中，使用力量逐漸將其自然彎曲，使其恢復原狀。
（2）對于較大的變形，需要進(jìn)行熱彎修復。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轉。
5、校正注意事項
（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）當連桿出現既彎曲又扭曲時(shí)，應先校正彎曲，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)出現偏差。
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圖3 連桿彎曲檢測 |
圖4 連桿扭曲變形檢測 |
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圖5 連桿雙重彎曲檢測 |
圖6 柴油機連桿校正示意圖 |
總結：
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)而導致柴油發(fā)電機動(dòng)力下降且溫度升高?？傊?，在處理連桿變形時(shí)，應先進(jìn)行全面檢查，然后選擇合適的修復方式。在處理過(guò)程中應嚴格按照標準操作流程，確保處理結果符合安全標準和技術(shù)要求。
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