本文關(guān)鍵詞：CNG發(fā)動機含裂紋曲軸的剩余壽命及裂紋故障檢測研究

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【摘要】：隨著內(nèi)燃機高轉(zhuǎn)速、大功率的發(fā)展趨勢,致使曲軸的運行條件愈加苛刻。由于不斷受到周期性沖擊和扭轉(zhuǎn)載荷的聯(lián)合作用,曲軸容易因為彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞而產(chǎn)生裂紋。曲軸在出現(xiàn)裂紋后將帶來重大的安全隱患,若能夠?qū)α鸭y故障進行有效地檢測,就能及時地發(fā)現(xiàn)裂紋；并準確預(yù)測出裂紋擴展的剩余壽命,就可以適時的對曲軸進行維修或更換。因此對含裂紋曲軸進行壽命預(yù)測和裂紋檢測研究,可以有效避免人員傷亡降低經(jīng)濟損失。經(jīng)過對國內(nèi)外相關(guān)文獻進行調(diào)研,發(fā)現(xiàn)準確的找出裂紋曲軸故障源并對曲軸進行適時的維護是一個亟待解決的問題,本文將以東風NQ140BN5發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)為載體,對含裂紋曲軸的三維疲勞裂紋擴展剩余壽命和裂紋故障檢測進行研究,主要研究內(nèi)容如下：(1)對曲柄連桿機構(gòu)進行剛?cè)狁詈系膭恿W分析,得出曲軸在額定轉(zhuǎn)速2400r/min時,各個曲柄銷上的載荷分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)第四曲柄銷上承受的載荷最大為115840N；通過對曲軸斷裂調(diào)查發(fā)現(xiàn)：曲軸的起裂位置通常出現(xiàn)在過渡圓角處。因此,將第四曲柄銷的過渡圓角處作為裂紋的起裂位置。(2)基于前人曲軸應(yīng)力強度因子計算公式基礎(chǔ)上,加入橢圓形裂紋長短軸之比對應(yīng)力強度因子的影響,重新對不同裂紋深度與長短軸比情況下曲軸的應(yīng)力強度因子進行計算,由得到的應(yīng)力強度因子擬合出適合本曲軸的幾何形狀因子的表達式。(3)采用FRANC3D V6.0軟件對曲軸進行疲勞裂紋擴展模擬,發(fā)現(xiàn)當曲軸中裂紋深度擴展到21.21mm時達到了斷裂韌度,曲軸的疲勞裂紋擴展壽命為5.95×106次,仿真結(jié)果與文獻中的實驗結(jié)果相吻合,驗證了軟件仿真的可行性與準確性。(4)對含裂紋曲軸進行自由模態(tài)分析,得出裂紋深度、位置、數(shù)量對曲軸固有頻率及振型的影響。根據(jù)其影響規(guī)律提出曲軸在返廠維修或者出廠檢測時裂紋的診斷方法。之后,對內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)進行動力學分析,得出裂紋深度對曲軸自由端部位縱向振動位移的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著裂紋深度的增加,曲軸自由端縱向振動的振幅隨之增大,根據(jù)這一規(guī)律提出曲軸裂紋故障的在線檢測方法。(5)對曲軸的過渡圓角進行了優(yōu)化設(shè)計,提出一種階梯型圓角結(jié)構(gòu)曲軸,通過仿真發(fā)現(xiàn)階梯型圓角能有效減緩曲軸過渡圓角處的應(yīng)力集中；而且不同于沉割式圓角結(jié)構(gòu)曲軸需要在軸頸上挖槽,所以可以避免對軸頸強度的降低。
【關(guān)鍵詞】：含裂紋曲軸 剩余壽命 故障檢測 FRANC3DV6.0 裂紋擴展
【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK407
【目錄】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 第1章 緒論9-19
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 研究目的及意義10
• 1.3 國內(nèi)外研究概況10-16
• 1.3.1 疲勞裂紋擴展及剩余壽命的研究現(xiàn)狀10-13
• 1.3.2 基于轉(zhuǎn)子動力學含裂紋轉(zhuǎn)子故障診斷研究現(xiàn)狀13-16
• 1.4 本論文的研究方法和研究內(nèi)容16-18
• 1.4.1 研究方法16
• 1.4.2 研究內(nèi)容16-18
• 1.5 技術(shù)路線18-19
• 第2章 曲柄連桿機構(gòu)剛?cè)狁詈隙囿w動力學仿真19-38
• 2.1 引言19
• 2.2 曲柄連桿機構(gòu)受力分析19-23
• 2.2.1 曲柄連桿機構(gòu)運動學19-21
• 2.2.2 曲柄連桿機構(gòu)中的作用力21-23
• 2.3 剛?cè)狁詈隙囿w動力學理論基礎(chǔ)23-24
• 2.3.1 多剛體動力學基本方程23-24
• 2.3.2 柔性多體系統(tǒng)的動力學方程24
• 2.4 曲柄連桿機構(gòu)建模24-27
• 2.4.1 曲柄連桿機構(gòu)的簡化24-25
• 2.4.2 NQ140BN5發(fā)動機簡介及建模25-27
• 2.5 曲軸剛?cè)狁詈蟿恿W仿真模型建立27-34
• 2.5.1 曲軸柔性體模型的建立27-30
• 2.5.2 剛性體曲柄連桿機構(gòu)的導入及參數(shù)設(shè)置30-31
• 2.5.3 柔性體曲軸的導入31
• 2.5.4 剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦吔鐥l件約束的添加31-33
• 2.5.5 施加主動載荷33-34
• 2.6 剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學仿真34-37
• 2.6.1 各個曲柄銷徑向載荷仿真分析34-35
• 2.6.2 曲軸自由端的縱向振動情況35-36
• 2.6.3 曲軸扭轉(zhuǎn)振動36-37
• 2.7 本章小結(jié)37-38
• 第3章 含裂紋曲軸應(yīng)力強度因子的分析計算38-47
• 3.1 引言38
• 3.2 線彈性斷裂力學基本理論38-41
• 3.2.1 裂紋分類和尖端應(yīng)力場38-40
• 3.2.2 復(fù)合型裂紋斷裂判據(jù)40-41
• 3.3 應(yīng)力強度因子計算41-46
• 3.3.1 含裂紋曲軸模型建立及邊界條件41-43
• 3.3.2 含裂紋曲軸的受力分析43-44
• 3.3.3 應(yīng)力強度因子計算結(jié)果分析44-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 第4章 含裂紋曲軸裂紋擴展剩余壽命的分析計算47-61
• 4.1 引言47
• 4.2 疲勞裂紋擴展基本理論47-51
• 4.2.1 疲勞裂紋擴展速率47-49
• 4.2.2 疲勞裂紋擴展壽命49-51
• 4.3 FRANC3DV6.0軟件介紹51-52
• 4.4 含裂紋曲軸裂紋擴展的仿真過程52-57
• 4.4.1 計算模型建立52-53
• 4.4.2 曲軸中裂紋的插入53-54
• 4.4.3 曲軸的裂紋擴展模擬54-57
• 4.5 疲勞裂紋擴展壽命計算57-58
• 4.6 曲軸疲勞裂紋擴展實驗的對比分析58-60
• 4.7 本章小結(jié)60-61
• 第5章 曲軸的裂紋故障檢測和過渡圓角優(yōu)化61-77
• 5.1 引言61
• 5.2 裂紋故障檢測的常用方法61-62
• 5.3 曲軸的自由模態(tài)62-63
• 5.4 裂紋的存在對曲軸自由模態(tài)的影響63-71
• 5.4.1 含裂紋曲軸模型的建立63-64
• 5.4.2 模態(tài)分子支承方式的選擇64
• 5.4.3 裂紋的深度對固有頻率的影響64-67
• 5.4.4 裂紋位置對固有頻率的影響67-69
• 5.4.5 裂紋數(shù)量對固有頻率的影響69-70
• 5.4.6 通過模態(tài)分析檢測曲軸裂紋的方法總結(jié)70-71
• 5.5 含裂紋曲軸在線振動監(jiān)測71-74
• 5.5.1 在線振動監(jiān)測法71-72
• 5.5.2 含不同深度裂紋曲軸的縱向振動特性分析72-74
• 5.6 曲軸過渡圓角的優(yōu)化設(shè)計74-75
• 5.7 本章小結(jié)75-77
• 第6章 結(jié)論與展望77-79
• 6.1 結(jié)論77-78
• 6.2 本文的創(chuàng)新點78
• 6.3 展望78-79
• 參考文獻79-83
• 致謝83-84
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及科研成果84

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本文編號：899050