目前,隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人口的迅猛增長,水、土地、能源和礦產(chǎn)資源的缺乏將會越來越嚴重,迫切需要節(jié)約能源和環(huán)境保護。這就意味著大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,加速構建節(jié)約型社會的顯得尤為重要和迫切。 綠色再制造工程是以產(chǎn)品的全生命周期設計和管理為指導,以優(yōu)質、高效、節(jié)能、環(huán)保為目標,以先進技術和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段,對廢舊產(chǎn)品進行修復和改造等一系列技術措施和工程活動的總稱。它是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和構建節(jié)約型社會的重要途徑之一。 產(chǎn)品再制造的可行性和可行度是發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)首要面臨的問題,特別是產(chǎn)品附加值(人力、能源等)高的關鍵零件是否可以修復而不需要替換。零件失效的主要形式有斷裂、磨損、腐蝕和變形,其中,磨損、腐蝕和變形比較直觀或者易于檢測,只有引起斷裂的疲勞壽命不易檢測,因此研究再制造產(chǎn)品關鍵零件剩余疲勞壽命和產(chǎn)品的再制造性對我國再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。 本文圍繞再制造零件(退役零件)剩余疲勞壽命預測及其可再制造性兩個方面,以再制造汽車發(fā)動機曲軸為例進行剩余疲勞壽命預測;以汽車發(fā)動機為例進行產(chǎn)品可再制造性評估。主要包括以下工作: 1、研究了再制造零件剩余疲勞壽命評估方法,即先利用基于有限元的疲勞壽命預測模型,預測零件在最大載荷下的疲勞壽命,再減去利用已知的服役疲勞損傷積累得到最大載荷下的當量壽命,即可得到再制造零件的剩余疲勞壽命。 2、對曲軸進行了動態(tài)仿真,該模型不僅考慮了曲軸上作用的彎矩、扭矩及支承的彈性,而且還考慮了多缸連續(xù)點火時的相互影響。 3、建立了考慮彈性支撐及相鄰曲拐相互影響的曲軸有限元模型,將發(fā)動機一個工作循環(huán)中的一次點火作為一個工況,每個工況的約束載荷由動力學計算獲得,一共六個工況,六組載荷,先后施加到曲軸有限元模型的節(jié)點上,求解得出多工況下的曲軸應力分布規(guī)律。 4、對曲軸材料48MnV及其具有3Cr13電弧噴涂涂層疲勞行為進行了研究,根據(jù)試驗結果提出了一個電弧噴涂修復再制造后壽命預測修正系數(shù)。 5、分別利用單軸損傷模型S-N法和多軸損傷模型正應變法、SWT– Bannantine、剪應變法、Fatemi-Socie法對發(fā)動機曲軸再制造前后的壽命進行了估算。 6、檢驗舊零件再制造其剩余壽命是否足夠,最直接和最有效的方法是曲軸實物的疲勞強度試驗,這也可以驗證理論分析的正確性。先對新曲軸分別進行500、1000和3000小時發(fā)動機臺架強化試驗,然后對強化試驗后的曲軸截成單拐,進行單拐疲勞試驗,最后對試驗結果進行分析。 7、本文發(fā)展了產(chǎn)品可再制造性評價的模型,模型包括技術性、環(huán)境性和經(jīng)濟性三大模塊。技術性模塊用來評價產(chǎn)品可再制造在技術上的可行性和可行度。環(huán)境性指數(shù)或經(jīng)濟性指數(shù)只取0和1,代表環(huán)境壓力度是否適度或再制造在經(jīng)濟上是否可行�？稍僦圃煨灾笖�(shù)由技術性指數(shù)、環(huán)境性指數(shù)和經(jīng)濟性指數(shù)相乘得到。在收集大量數(shù)據(jù)和試驗的基礎上,對某型發(fā)動機的可再制造性進行系統(tǒng)的研究和評價。 通過以上研究工作,本文得到以下結論: 1、本文提出的再制造零件疲勞壽命預測方法和模型,對于初步判斷零件剩余疲勞壽命是否足夠維持下一個生命周期具有示范意義。 2、曲軸主軸頸與軸承座之間是剛性支承和彈性支撐時的仿真結果表明支承條件不同,計算結果會有較大差異,彈性支撐更符合實際。 3、有限元計算結果表明發(fā)動機工作過程中曲軸第3拐連桿頸上油孔附近應力集中最大,其維氏應力最大值為208Mp。只有單拐模型計算的結果的1/2。這是由于曲軸約束載荷計算比較準確,且考慮相鄰缸點火的影響導致應力計算值降低。 4、基體材料為48MnV具有3Cr13電弧噴涂層的材料在軸向載荷下的疲勞性能有相當程度的降低。涂層越厚,疲勞性能越差,疲勞極限越低。涂層厚度為0.1mm,0.2mm和0.3mm的試樣,疲勞極限分別降低了9%,11.8%和14%。疲勞性能降低的主要原因是涂層的結合強度較低,以及噴砂時殘留的鋁氧化物引起疲勞裂紋萌生。 5、曲軸再制造前后疲勞壽命計算結果以及疲勞試驗結果說明傳統(tǒng)的計算過于保守,說明再制造發(fā)動機時直接利用曲軸、采用“減材料”或“加材料”即電弧噴涂3Cr13,其壽命是可靠的,足以維持下一個生命周期。 6、經(jīng)500小時冷熱沖擊可靠性試驗后和1000小時和3000小時可靠性循環(huán)試驗后的試樣較少,試驗結果可能會有偏差,但是其變化趨勢很清楚。極限彎矩和安全系數(shù)隨曲軸臺架強化試驗的時間有所減小,即臺架試驗時間越長,單拐試驗得到的極限彎矩和安全系數(shù)越小,但變化量很小。因為1000小時曲軸臺架強化試驗相當于曲軸的一個生命周期,所以本文試驗的結果表明,曲軸疲勞壽命最少可以維持三個生命周期,即理論上可以再制造三次以上。這和理論計算的結果相吻合,表明再制造疲勞壽命模型和壽命預測的正確性。 7、本文提出了一種產(chǎn)品可再制造性模型和評價方法,并通過對發(fā)動機可再制造性的評價驗證了該模型的有效性和實用性。但是該評價模型具有一定的局限性。 (1)它只適合于產(chǎn)品設計具體化以后,即產(chǎn)品的零件數(shù)要已知; (2)模型是在目前常用的生產(chǎn)條件下發(fā)展的,不適合相差比較大的生產(chǎn)條件。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2007
【中圖分類】：TH16
【部分圖文】：

11圖 1-4 汽車發(fā)動機結構Fig.1-4 Constructure of automobile engine曲軸；2.曲軸軸承蓋；3.曲軸前端油封擋板；4.曲軸正時齒輪 5.空調(diào)壓縮機皮帶；6.調(diào)整墊正時齒輪擰緊螺栓；8.壓緊蓋；9.空調(diào)壓縮機皮帶輪；10.水泵、電機、曲軸皮帶輪；11.正輪下罩蓋；12.空調(diào)壓縮機支架；13.中間軸正時齒輪；14.中間軸；15.正時皮帶；16.偏心緊機構；17.氣缸體；18.正時齒輪上罩蓋；19.凸輪軸正時齒輪；20.凸輪軸前端油封；2軸罩蓋；22.機油加油口；23.凸輪軸機油擋油板；24.凸輪軸軸承蓋；25.排氣門；26.氣門；27.進氣門；28.液壓挺桿總成；29.凸輪軸；30.氣門密封墊片；31.氣缸蓋；32.火花塞；塞銷；34.凸輪軸后端油封擋板；35.飛輪齒圈；36.油底殼；37.活塞；38.油標尺；39.連桿；40.機油集濾器；41.中間軸軸瓦；42.放油螺塞；43.曲軸主軸瓦

即只要已知材料特性、載荷、局部應力，再選擇相應的疲勞損傷模型，便可以預測、估算疲勞壽命，如圖2-2 所示。當量壽命的計算根據(jù)損傷力學和 Miner 疲勞損傷積累來計算，如式 2-1 所示。圖 2-2 疲勞壽命評估方法Fig. 2-2 Method of fatigue life assessmentr maxeN = N N(2-1)其中，rN 為剩余疲勞壽命，maxN 為最大載荷下的疲勞壽命，eN 為當量壽命，且：emax 0N = N D(2-2)其中，01miiinDN== ∑ ，in 和iN 分別 i 載荷下的循環(huán)次數(shù)和極限循環(huán)次數(shù)

其它由下列式子計算22 11εε εε = （2-162'311aaaq + = νε ε（2-121σ = aσ（2-1 損傷模型傷模型包括應力壽命（S-N）損傷模型、應變壽命損傷模型和多軸疲勞損傷模中應力壽命法的平均應力影響可采用 Goodman 法修正，缺口效應采用 NeubePeterson 法修正；應變壽命法考慮了循環(huán)應變硬化、軟化的影響，平均應力應法采用 Morrow 法和 Smith-Watson-Topper 法，缺口處采用 Neuber 缺口應變。力壽命（S-N）損傷模型
【引證文獻】

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本文編號：2879921