柴油机曲轴的工作可靠性研究

MECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY

文章编号:100328728(2003)ZK2057202

Vol.22Supplement

　July2003

柴油机曲轴的工作可靠性研究

王　平1,2,高德平1

(1南京航空航天大学能源与动力工程学院,南京　210016;2盐城工学院CAD中心,盐城　224003)

王　平

摘　要:在柴油机曲轴疲劳强度试验及工况载荷测试的基础上,运用概率统计方法,得出曲轴疲劳强度与工作载荷的概率分布密度函数,进而运用应力2强度干涉理论对其工作可靠性进行分析,结果表明,这种方法是可行的。关　键　词:曲轴;疲劳;可靠性

中图分类号:TK427　　　文献标识码:AStudyoftheWorkingReliabilityofaDieselEngineCrankshaft

1,21

WANGPing,GAODe2ping

(1CollegeofEnergyandPowerEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016;

2

CADCenter,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224003)

Abstract:Onthebasisoffatiguestrengthexperimentationandworkingloadstestingofdieselenginecrankshaft,theprobabilitystatisticalmethodisusedtoanalysetheprobabilitydistributionfunctionoffatiguestrengthandworkingloads,thusobtainingtheworkingreliabilityofcrankshaftundercertainconfidencelevelbasedonstress2strengthinterferencetheory,theresultsaresatisfactory.Keywords:Crankshaft;Fatigue;Reliability

　　曲轴是柴油机的重要零件,对曲轴的设计,国内外学者作多方面的研究[1～6]。尽管如此,但在曲轴工作可靠性研究方面还有不完善的地方,对曲轴的工作可靠性通常采用所谓的“安全系数”来保证,由于“安全系数”本身就是一个数理统计的课题,曲轴的工作可靠性决不是一个用简单的“安全系数”就能回答的问题。鉴于曲轴的工作可靠性对整个柴油机的正常工作至关重要。因此,开展这方面的研究有着非常重要的现实意义。

1　曲轴的疲劳试验及结果统计分析

ZH1120曲轴疲劳试验采用成品试样(如图1所示),材

料为QT80022;软氮化+滚压,试验在PDC—1试验上进行。试验方法为升降法,采用对称的循环载荷,加载波形为正弦波,循环基数为107。疲劳试验结果见表1。

表1　疲劳试验结果

序号弯矩(N・m)运行时间(h)运行次数(万次)

12345671011121314152650255024502350225023502450235022502350245023502250235022502.13.2342639393426393922263928394983856670100010008566751000100055966810007101000图1　曲轴试样

本文在ZH1120曲轴疲劳试验在其工况载荷测试的基础上,运用概率统计方法,得出曲轴疲劳强度与工作载荷的概率分布密度函数,进而运用应力2强度干涉理论对其工作可靠性进行了研究。

收稿日期:20030106

作者简介:王　平(19-),男(汉),江苏,博士研究生

断裂部位连杆颈短头圆角连杆颈短头圆角连杆颈短头圆角连杆颈短头圆角超越超越

连杆颈短头圆角连杆颈短头圆角超越超越

连杆颈短头圆角连杆颈短头圆角超越

连杆颈短头圆角超越根据表1的结果,作出曲轴试样的升降图,见图2。这样,将相邻出现相反结果的数据配成对子:4和5;6和7;8和9;10和11;12和13;14和15。总计共有6对。舍

58机械科学与技术

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第22卷

弃1,2,3数据点,若假定曲轴的疲劳强度服从正态分布,以

相邻数据点的平均值作为统计值,则曲轴在存活率50%时的疲劳极限为

61M-1=6Mi=2333N󰃖m

n

i=1

2′2

式中:可靠度系数Λ=󰃜M-1-M′-1󰃜󰃗S-1-S-1。

将曲轴疲劳强度分布参数M-1,S-1及工作载荷分布

′

.99%,参数M′-1,S-1代入上式,可得到曲轴的可靠度为99

由于曲轴在可靠性设计中通常要求可靠度在99.95%以上,因此,ZH1120曲轴能够满足设计要求。

标准差　S-1=

66

(Mi-Mn-

-1

)

=52N󰃖m

i=11

图4　往复惯性力曲线

图2　曲轴试样的升降图

　　由此,变异系数Λ=S-1󰃗M-1=0.0222<0.046,试验满足置信度≥95%,相对误差≤5%的精度要求。

2　曲轴工作载荷的测试及可靠性分析

曲轴承受的工作载荷主要有气体的爆发压力和往复惯性力。工作载荷主要通过压电式传感器,经电荷放大器放大

图5　应力2强度干涉模型

后,由A󰃗用曲轴的转D转换器转换,得到工作载荷的大小。角信号控制A󰃗图4为D转换,进而获得准确的相位。图3、气缸压力曲线和往复惯性力曲线。

3　结束语

在曲轴工作可靠性设计、在曲轴疲劳试验及工作载荷测试的基础上,以弯矩作为曲轴强度评价指标,运用统计学方法,对曲轴进行可靠性研究是可行的。鉴于国外在曲轴强度评价指标中引入了连杆轴颈圆角应力,作者下一步将以连杆轴颈圆角应力为评价指标,对曲轴可靠性设计方面开展研究。

[参考文献]

[1]　王良国等.368Q发动机曲轴疲劳强度的有限元分析[J].内

燃机学报,2000,18(3):270～274

图3　气缸压力曲线

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为便于统计对比分析,需将曲轴的工作载荷,经标准

[7]

《汽车发动机曲轴疲劳试验方法》中提供QC󰃗T63722000

的曲轴名义工作弯矩计算方法转换成相应的工作弯矩,为此取曲轴一个工作循环内720位置点的工作载荷以正态分布进行统计分析,然后经编程计算可得到曲轴工作载荷的

′

平均值M′-1=2101N󰃖m,标准差S-1=34N󰃖m。

根据应力2强度干涉理论,假定f(x)为曲轴疲劳强度

)为曲轴受力分布密度函数,如图5所分布密度函数,f(x′

示,显然曲轴失效的概率x)均服从正态分布,因此,曲轴的工由于f(x)和f(x′

作可靠度

Λ121R=e-2tdt

2Π-∞

∫