趙叫回

（新疆吐哈油田建設(shè)有限責(zé)任公司機械化公司，新疆吐哈838202）

內(nèi)燃機是常見的機械設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于車輛、船舶上，其運行狀態(tài)的好壞，直接影響到整機運行狀況，而曲軸是柴油機中最主要的運動部件之一，其尺寸參數(shù)在很大程度上影響著內(nèi)燃機的整體尺寸和總質(zhì)量。內(nèi)燃機的可靠性和使用壽命，也主要取決于曲軸的性能。因此，對曲軸進行設(shè)計時，必須對其剛度和強度進行嚴(yán)格的考核。內(nèi)燃機工作時，曲軸承受著氣缸內(nèi)氣體壓力及往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力引起的周期性變化的載荷，因此曲軸處于復(fù)雜交變的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的共同作用中。在這些力的作用下，曲軸容易產(chǎn)生疲勞破壞，在有些部位會發(fā)生疲勞斷裂。從大量內(nèi)燃機主要零部件的疲勞破損情況看，出現(xiàn)最多的有兩種形式：一種是以連桿為例的壓縮疲勞損壞；另一種是以曲軸為例的發(fā)生在主軸頸與曲柄及連桿軸頸與曲柄過渡圓角處的拉伸疲勞斷裂。為了提高整機性能和可靠性，對曲軸進行整體性能分析，找出過渡圓角處的應(yīng)力集中部位，從而對曲軸結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計是很有必要的。另外，由于曲軸在周期性載荷的作用下，由于疲勞破壞，常常會在應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋，如不及時發(fā)現(xiàn)這些裂紋，嚴(yán)重時會導(dǎo)致軸斷裂事故的發(fā)生。本文就上述存在的問題，就內(nèi)燃機曲軸性能計算關(guān)鍵問題進行相關(guān)探討。

1 曲軸的應(yīng)力和疲勞強度計算

確定應(yīng)力和疲勞強度的計算方法有兩種：試驗研究與模擬計算。由于試驗研究需要花費大量的時間和費用，而且試驗是在一根曲軸上進行，也不能說明整批曲軸的應(yīng)力和強度，所以，實驗研究應(yīng)用得比較少。目前，模擬分析計算的應(yīng)用比較普遍，其計算的思想是：首先建立合理的計算模型，然后施加接近于實際的邊界條件，再進行計算，從而求出曲軸受力危險部位的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，最后在此基礎(chǔ)上進行疲勞強度的計算[1]。應(yīng)力計算的方法主要有簡支梁法、連續(xù)梁法、有限元法和邊界元法。目前采用最多的是有限元法。

1.1 傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)的計算方法，包括簡支梁法和連續(xù)梁法。簡支梁法是以通過主軸頸中心并垂直于曲軸中心線的平面將曲軸分成若干個曲拐，每個曲拐視為一個絕對剛性的簡支梁來計算。簡支梁法的優(yōu)點在于計算簡便，且能反映曲軸的基本受力情況，缺點在于忽略了支座彎矩的影響，計算結(jié)果偏于安全。連續(xù)梁法是把曲軸簡化為多支撐的靜不定連續(xù)梁，應(yīng)用三彎矩或五彎矩法求解，連續(xù)梁法一般假設(shè)曲軸的支承以鉸接形式作用于主軸頸的中點，用連續(xù)梁模型計算曲軸時，不僅考慮了支座的彈性和不同心度等，同時它也考慮了所有氣缸的作用，這比簡支梁法要進步一些。但這種方法無法計算軸頸過渡圓角部位的應(yīng)力。

1.2 有限元方法

在曲軸中，軸頸過渡圓角處和軸頸油孔附近一般都存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，傳統(tǒng)的連續(xù)梁等方法是通過實驗來確定應(yīng)力集中系數(shù)，而應(yīng)力集中系數(shù)的公式又多是經(jīng)驗公式，使用時要考慮到一些相關(guān)的參數(shù)條件和試驗條件等。并且也沒有考慮到過渡圓角處三維形狀的影響，從而計算出的最大工作應(yīng)力有很大的不準(zhǔn)確性。有限元法的應(yīng)用，為準(zhǔn)確地計算應(yīng)力集中系數(shù)提供了可能。

由于曲軸是空間結(jié)構(gòu)，從對實際情況的逼近和曲軸的整個應(yīng)力分布規(guī)律的求解來說，三維有限元分析最為理想。平面分析方法不能求出曲軸沿圓周方向的應(yīng)力分布，因此，除在確定應(yīng)力集中系數(shù)外，目前很少采用二維有限元模型，基本上都是采用三維模型。一般有三種計算模型：

（1）1/4或1/2曲拐模型，主要考慮彎曲載荷的作用，并認(rèn)為曲軸的形狀和作用載荷相對于曲拐平面對稱。

（2）單個曲拐模型，用于分析曲軸上受力最嚴(yán)重的曲拐，計算規(guī)模小。缺點在于很難正確確定主軸頸剖分面處的邊界條件，剖分面距離過渡圓角的距離，也會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）整體曲軸模型。這是進行曲軸有限元分析最合理的模型，計算精度高。但是其計算規(guī)模比較巨大，對計算機的性能要求比較高。隨著計算機技術(shù)水平的不斷提高，將越來越多地采用曲軸整體三維有限元模型進行計算。

1.3 疲勞強度計算

目前曲軸的疲勞強度計算方法，都是按材料的疲勞極限，并考慮材料強化處理和尺寸等因素的影響，求出曲軸危險部位的最小強度儲備，通常以安全系數(shù)的形式表示。國內(nèi)大多數(shù)疲勞計算，是按照靜應(yīng)力的計算結(jié)果推算出來的。首先，用有限元法計算出曲軸的最大受力部位，求出最大應(yīng)力，從而根據(jù)此應(yīng)力進行疲勞強度計算。關(guān)于疲勞強度的計算，目前應(yīng)用較多的是根據(jù)Goodman圖推導(dǎo)出的計算方法。

按靜應(yīng)力對曲軸進行疲勞強度的計算，有一定的不準(zhǔn)確性。因為材料力學(xué)是根據(jù)靜力試驗來確定材料的機械性能，比如彈性極限、強度極限等，這些機械性能沒有充分反映材料在交變載荷作用下的特性。因此，在交變載荷作用下工作的零件和構(gòu)件，比如曲軸，如果還是按靜載荷去設(shè)計，在使用過程中往往就會發(fā)生意外的破壞。因此，在曲軸的疲勞設(shè)計中，必須考慮旋轉(zhuǎn)載荷的作用。

2 曲軸三維模態(tài)分析的研究

振動問題，是在曲軸設(shè)計中必須考慮的一個很重要的方面，是曲軸強度計算必須考慮的問題。目前關(guān)于振動方面模態(tài)振動的研究比較多。模態(tài)分析是用來確定設(shè)計機構(gòu)和機器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。目前，對曲軸的三維模態(tài)分析，多數(shù)是自由模態(tài)分析，即是對曲軸在沒有任何約束的情況下，進行模態(tài)振動分析，可以算出曲軸的固有頻率和振型，固有頻率和振型與外載荷無關(guān)。由于結(jié)構(gòu)阻尼對固有頻率的影響較小，在求解時多忽略了阻尼的影響。許多學(xué)者對不同機型的曲軸，都進行了自由模態(tài)分析。通過一些有限元軟件模擬的曲軸約束狀態(tài)，很難真實地反映出曲軸的實際工作狀況，并且約束選取的不當(dāng)，對曲軸的約束頻率和振型影響也較大。

3 曲軸裂紋故障診斷研究

目前，對于梁上出現(xiàn)裂紋后，對其本身的振動參數(shù)的影響有較多的研究，而對于曲軸上出現(xiàn)裂紋的情形研究得較少。近幾十年來，由于裂紋轉(zhuǎn)子而引起的大型旋轉(zhuǎn)機械的斷軸事故時有發(fā)生，許多學(xué)者對于裂紋的動態(tài)特性以及故障診斷方面作了許多研究工作。軸系裂紋的在線檢測和診斷的方法主要有：轉(zhuǎn)子發(fā)動機常用的振動位移法和聲發(fā)射技術(shù)等。聲發(fā)射技術(shù)目前還在發(fā)展階段，由于內(nèi)燃機在運行時的噪聲很大，曲軸裂紋發(fā)出的高頻聲波很難被測量到，因此這項研究尚未能在內(nèi)燃機的裂紋檢測中得到應(yīng)用。

力學(xué)原理和實驗證明：裂紋的出現(xiàn)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度的降低，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動特性和響應(yīng)會發(fā)生改變。以此為基礎(chǔ)，利用振動分析來檢測和診斷裂紋在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和梁構(gòu)件中得到了比較廣泛的應(yīng)用[2]。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者，對于梁的橫向裂紋的研究比較多，部分學(xué)者人闡述了結(jié)構(gòu)裂紋位置識別的模態(tài)應(yīng)變能法，首先采用有限元方法分析了裂紋位置及深度對結(jié)構(gòu)固有頻率的影響，繪制了固有頻率的改變量隨裂紋位置的變化曲線，并且將該曲線與有限元分析獲得的模態(tài)應(yīng)變能分布曲線及應(yīng)變模態(tài)振型進行了對比分析，然后利用結(jié)構(gòu)固有頻率的改變對裂紋位置進行識別，討論了不同的單元劃分和不同模態(tài)階數(shù)對裂紋位置識別的影響。另外，基于懸臂梁含橫向裂紋前后兩種狀態(tài)的對比，研究了通過固有頻率的變化來識別裂紋在梁上的位置，并通過引入比例因子來確定。

對于曲軸裂紋故障的研究，有學(xué)者在有限元法的基礎(chǔ)上，提出采用基于面Timoshenko梁理論的空間梁單元來模擬曲軸體。結(jié)合裂紋轉(zhuǎn)子以及梁的動力學(xué)研究成果，提出采用裂紋梁單元模擬曲軸常見裂紋部位的思想，用振動分析的方法分析了裂紋的深度、位置和數(shù)量對曲軸振動模態(tài)和頻響特性的影響。還有的研究工作者對常見裂紋的具體位置和形狀以及對曲軸裂紋的擴展趨勢進行了預(yù)測。所有這些的研究，都是分析了裂紋的存在對軸系動態(tài)特性的影響，為實現(xiàn)軸系裂紋的故障診斷和監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

曲軸是在周期性變化的氣體作用力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力作用下工作的，同時承受著扭轉(zhuǎn)和彎曲的復(fù)雜應(yīng)力。對于內(nèi)燃機曲軸相關(guān)性能計算問題較為復(fù)雜，本文闡述了目前關(guān)于內(nèi)燃機曲軸的應(yīng)力和疲勞強度計算、三位模態(tài)分析以及曲軸裂紋故障診斷等問題的研究情況。

[1]郭常立，張保成，趙丕歡,等.柴油機整機結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析[J].車用發(fā)動機,2008，（6）：37-40.

[2]程 勇.振動信號在內(nèi)燃機檢測中的應(yīng)用[J].天津汽車，2008,（5）：48-49.