祖帥 車銀輝 劉艷莊

摘要：通過使用AVL Excite PU軟件和Abaqus軟件的聯(lián)合仿真，在大型V18柴油發(fā)電機上進行連桿大頭軸瓦微動磨損分析，通過計算微動磨損指示參數(shù)（FIP）研究不同裝配條件下軸瓦是否會產(chǎn)生微動磨損現(xiàn)象。結(jié)果表明：按照當前的裝配條件，有可能會產(chǎn)生微動磨損，對于該大型發(fā)電機來講小量級的軸瓦過盈量差別對于微動磨損的影響很小，并且如果螺栓預緊力施加小于設(shè)計所要求的力，產(chǎn)生微動磨損的可能性將增大。除此以外，本文對于連桿瓦座余高、連桿瓦座尺寸的上下偏差進行了不同的案例研究。

Abstract： This paper study micro sliding fretting on some V18 diesel engine conrod big end shell through co-simulation with AVL Excite PU and Abaqus. Based on FIP（Fretting Identified Parameter） calculation， whether if there would be micro sliding fretting generated on different assembling conditions was study. The results show that it would generate micro sliding fretting under current conditions. Small level shell oversize difference makes small impact on micro sliding fretting， while if bolt preload would be lower than design requirement， the possibility of micro sliding fretting generation would be increased. Conrod shell over-height， conrod shell cover size were also analyzed in this paper.

關(guān)鍵詞：發(fā)動機;微動磨損;裝配

Key words： diesel engine;micro sliding fretting;assembling

中圖分類號：TK422 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0074-04

0 ?引言

連桿軸承是內(nèi)燃機主要摩擦副之一，連接曲軸和連桿，傳遞動力。連桿軸承受到氣缸內(nèi)氣體壓力和旋轉(zhuǎn)慣性力的周期性沖擊，工作環(huán)境比較惡劣，軸瓦工作過程中將受到復雜交變外載激勵以及安裝載荷激勵的影響，因此容易出現(xiàn)失效，其常見的失效形式包括：滑動表面咬粘（燒熔）、表面過熱、軸瓦疲勞、表面磨損、微動磨損等[1]。

微動磨損是一種由于兩表面之間很小的相對振動產(chǎn)生的磨損。發(fā)動機工作過程中，由于缸內(nèi)壓力作用，導致軸瓦內(nèi)表面接觸壓力的周期性變化，致使軸瓦與軸承座產(chǎn)生變形，繼而軸瓦瓦背產(chǎn)生一定的切向力，當軸承螺栓預緊力與過盈力無法抵消該切向力時，由于軸瓦與軸承座自身材料的不同會導致變形量出現(xiàn)一定的差異，使軸瓦瓦背表面產(chǎn)生的持續(xù)的相對滑移，繼而導致瓦背與軸承座表面的微動磨損[2，3]。微動磨損不僅會導致軸瓦瓦背的微動疲勞，同時也會影響軸瓦內(nèi)表面接觸狀態(tài)，影響整機的摩擦功耗[4，5]。與此同時，如果軸瓦相對滑移量較大，可能會導致軸承座供油孔堵塞，致使軸承潤滑失效，使軸瓦與曲軸產(chǎn)生不可逆的破壞。因此，研究軸瓦微動磨損對于改善軸瓦自身疲勞耐久性、整機潤滑以及摩擦磨損都有重要的意義。

本文以某大型柴油機（參數(shù)見表1）為研究對象，在AVL Excite Power Unit（下簡稱Excite PU）軟件中搭建缸套連桿模型，包括精確的連桿大頭軸承彈性液動模型，通過與Abaqus有限元軟件的聯(lián)合仿真，進行精確的軸承液動潤滑彈性計算，得到軸瓦表面的液動接觸壓力、粗糙磨損壓力行程的總壓，并最終得到微動磨損分析FIP指標。

1 ?模型搭建

1.1 彈性液動潤滑理論

Excite PU軟件中使用彈性液動潤滑理，該理論基于軸承副的實際工作過程中不同的潤滑狀態(tài)進行不同的計算處理。根據(jù)軸承副潤滑狀態(tài)，潤滑模型分為純液動潤滑模型、粗糙潤滑模型、混合潤滑模型、邊界潤滑模型以及干接觸模型。發(fā)動機在實際工作過程中，連桿大頭軸承最主要的潤滑狀態(tài)為純液動潤滑模型和粗糙潤滑模型，所對應的求解控制方程為擴展雷諾方程[6，7]：

式中：η為機油動力粘度;h 名義油膜厚度;p 為油膜壓力;θ為機油填充率;？滋1、？滋2為軸頸、軸瓦的周向運動速度。

上述擴展雷諾方程表征了油膜厚度與油膜壓力、摩擦副表面相對速度以及軸承間隙變化率之間的關(guān)系。通常而言，載荷越大，油膜壓力越高，油膜厚度越小。

1.2 多體動力學模型

在Excite PU軟件中搭建發(fā)動機其中兩缸連桿模型如圖1所示。

該軟件是通過線性FEM 彈性體模型和非線性的連接副組成高度非線性多體動力學分析模型。結(jié)合模態(tài)子結(jié)構(gòu)縮減分析理論，將原始有限元實體龐大的質(zhì)量-剛度矩陣縮減為規(guī)模小但完全等效的質(zhì)量-剛度鉅陣。即縮減后的矩陣在節(jié)點上保留了與原始矩陣相同的特性，從而大大減少多體動力學時域計算時間。

1.3 仿真參數(shù)

除了常規(guī)的連桿參數(shù)和發(fā)動機參數(shù)外，本次仿真研究中最重要的參數(shù)是連桿大頭螺栓預緊力、軸瓦過盈量和軸瓦型線。

1.3.1 螺栓預緊力與軸瓦過盈量

連桿大頭軸瓦螺栓預緊力由設(shè)計要求規(guī)定大小為170，000N。

基于連桿大頭軸瓦余高和連桿瓦座尺寸（包含上下偏差），使用AVL Excite Designer可以計算出軸瓦過盈量和軸瓦間隙。最終計算出該發(fā)動機連桿大頭軸瓦實際過盈量為0.15mm。軸瓦間隙不在下文的分析范圍內(nèi)討論。

1.3.2 軸瓦型線

AVL給出的軸瓦微動磨損分析流程如圖2。由于在微動磨損分析中，軸承的壓力直接影響軸瓦瓦背接觸狀態(tài)，而軸承內(nèi)表面型線會直接影響軸承液動潤滑，因此軸瓦型線的準確性也將直接影響軸承工作過程的受載壓力分布。影響軸瓦型線的主要因素有兩個：一是軸承內(nèi)表面加工型線，二是軸瓦安裝預緊變形。

在Excite PU軟件中對軸瓦位置的定義如圖3，軸瓦的加工型線一般呈檸檬形，90°與270°位置由于上下軸瓦邊接觸面緣倒角，呈現(xiàn)向外凸起形式，如圖4所示。

軸承座實際加工過程中，通常需要在裝配螺栓后軸承蓋在預緊狀態(tài)下重新鏜削加工至規(guī)則的圓孔。圖5為軸瓦施加預緊力前后模擬示意圖，為了考慮鏜削加工因素，AVL軟件中在計算螺栓預緊力作用之后，對于軸承孔節(jié)點進行重新調(diào)整，使軸承孔再次變?yōu)橐?guī)則的圓孔，之后再加載軸瓦過盈，以此模擬軸瓦實際加工安裝狀態(tài)。

圖6為軸承孔鏜削加工前與鏜削加工后軸瓦裝配后變形量對比。由圖可知，兩種不同加工方式下軸瓦變形趨勢差異較大，前者呈現(xiàn)沿Z軸壓扁變形的趨勢，而后者呈現(xiàn)沿Z軸拉伸的形式。且二者變形量幅值差異較大，后者幅值小5微米左右。說明二次鏜削加工可很大幅度上減小軸瓦安裝變形。

軸承工作過程中，由于軸承液動摩擦力以及粗糙接觸摩擦力都會導致軸承中潤滑油以及軸承溫度的升高。圖7為軸承在1000rpm某一循環(huán)內(nèi)機油溫度變化情況，由圖可知軸瓦最高溫升最大值為10°（機油初始溫度為60°），軸瓦與軸頸溫度變化勢必會導致軸承位置軸瓦的熱變形。結(jié)合圖3分析流程，為了使計算更為準確，通過多次動力學與有限元傳熱分析的迭代，使軸瓦熱載平衡。圖7為軸瓦工作過程中循環(huán)平均熱載分布情況，從圖中可知，軸瓦工作過程中前后兩端邊緣位置熱載分布較大，主要由于軸頸彎曲和傾斜變形導致軸瓦邊緣粗糙接觸壓力較大進而引起熱載增加。對于主軸瓦而言，其工作過程中循環(huán)平均熱載值不能過高，過高的軸承熱載可能會導致軸瓦工作過程中出現(xiàn)局部過熱繼而出現(xiàn)燒瓦現(xiàn)象，根據(jù)AVL建議，一般而言，軸瓦工作過程中機油溫升不超過60°，循環(huán)平均熱載不超過1400N/mm.s。

2 ?方案確定

本文在研究時基于實際工況中出現(xiàn)的不同連桿瓦余高以及連桿瓦座上下偏差進行仿真研究，計算出過盈量差別僅在幾十個微米，而間隙的差別也僅在0.01mm，最終仿真結(jié)果基本看不出差別，原因在于大型柴油機，微小的過盈量差別對微動磨損結(jié)果影響比例太小。因此，本文研究采用如表2所示三種方案。

3 ?仿真結(jié)果

3.1 軸承總壓計算

通過AVL Excite PU計算出的軸瓦所受最大總壓時的壓力分布如圖8所示。

多體動力學仿真計算后需要通過Abaqus聯(lián)合仿真，圖9所示為Abaqus中所施加的壓力分布。

3.2 微動磨損分析

針對軸瓦微動磨損分析，AVL給出的微動磨損評價指標有：

①微動磨損損傷參數(shù)（FDP）：評估摩擦生銹、點蝕以及表面損傷;

②微動磨損指示參數(shù)（FIP）：評估初始裂紋形式以及結(jié)構(gòu)體斷裂;

③微動磨損疲勞參數(shù)（FFP）：評估結(jié)構(gòu)體可靠性。

各指標參數(shù)計算如下：

本次研究主要評估裂紋情況，采用FIP 值作為評價指標。

一般而言，當FIP 小于20，軸瓦無微動磨損風險，當FIP 位于20 ～30 之間時，可能發(fā)生微動磨損，當FIP 處于30 ～40 表明出現(xiàn)伴隨裂紋的微動磨損，當FIP 大于40 時，由于微動磨損軸承座可能發(fā)生斷裂。

通過映射軸承接觸壓力至軸瓦內(nèi)表面，計算軸瓦工作過程應力應變情況，繼而評估軸瓦瓦背微動磨損

情況。

不同方案下計算的FIP分布如圖10。

由以上計算結(jié)果可以看出：方案2的FIP值最小，但依然可能發(fā)生微動磨損;方案3的FIP值最大，表明已經(jīng)出現(xiàn)伴隨裂紋的微動磨損;而方案1處于方案2和方案3之間。

其中方案2的結(jié)果與方案1接近，說明如此大型的發(fā)動機軸瓦過盈量在0.1mm級的差別，對微動磨損的影響依然較小。而通過比較方案1和方案3的結(jié)果可以得到，螺栓預緊力如果比設(shè)計圖紙要求小10000N，將會使微動磨損產(chǎn)生更惡劣的結(jié)果。

4 ?結(jié)論

本文通過AVL Excite Power Unit軟件，構(gòu)建詳細了軸承潤滑分析模型，其過程中詳細考慮了軸瓦加工型線以及安裝型線對軸承液動彈性潤滑的影響。仿真過程中通過分析軸承實際工作過程中液動接觸狀態(tài)，準確地計算軸瓦實際工作過程中受力情況。

結(jié)合軸瓦實際工作狀況，本文分析了不同螺栓預緊力、不同軸瓦過盈量對于軸瓦瓦背微動磨損的影響。計算出受力情況后，采用FIP值的計算分析，對于軸瓦微動磨損結(jié)果進行評估分析，計算結(jié)果表明：

①影響軸瓦瓦背微動磨損的受螺栓預緊力和軸瓦過盈量的影響。

②過盈量差別在0.1mm級別下，過盈量對于該大型發(fā)動機微動磨損結(jié)果很小。

③當螺栓預緊力小于設(shè)計要求時，產(chǎn)生微動磨損的風險增大。

參考文獻：

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