侯立丹,張 宇

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東淄博255049)

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后,其主要部件曲軸會(huì)存在不同程度的磨損,一般可根據(jù)曲軸的受力情況對(duì)其磨損進(jìn)行研究,便于下一步的檢測(cè).在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,由于測(cè)量方法和評(píng)定方法的不當(dāng),可能會(huì)造成曲軸誤廢或者誤收.傳統(tǒng)的測(cè)試以千分表等儀器為手段,采用近似法測(cè)量,由于人的視覺(jué)誤差等主觀因素的影響,易導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確.同時(shí),由于手工測(cè)量數(shù)據(jù)不夠多,而難以對(duì)零件做出精確評(píng)價(jià).如果使用高、精、尖的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量,成本會(huì)大大增加,在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不能得到廣泛的使用.本文對(duì)曲軸磨損情況進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)針對(duì)主要性能參數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng).

1 曲軸的磨損分析

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件之一,它把活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)變成主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).曲軸的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,每個(gè)曲軸由主軸頸(安裝在主軸承部位)、連桿軸頸(與連桿大頭相連部位)、曲柄及平衡鐵所組成.

曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)中,主軸頸與軸瓦、連桿軸頸與連桿大頭瓦之間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生磨損.根據(jù)曲軸的工作特點(diǎn)和失效特征分析可知,磨損是曲軸的主要失效形式[1],曲軸的主軸頸和連桿軸頸都存在不同程度的磨損.連桿軸頸的徑向不均勻磨損會(huì)引發(fā)連桿軸頸軸向的不均勻磨損,可導(dǎo)致連桿軸頸成錐形.主軸頸的不均勻磨損會(huì)降低主軸頸的同軸度,往往造成曲軸的斷裂,也會(huì)使軸頸表面出現(xiàn)擦傷和燒傷現(xiàn)象.曲軸連桿軸頸的磨損量可通過(guò)圓度誤差和直徑大小來(lái)確定.

圖1 曲軸結(jié)構(gòu)示意圖

2 曲軸磨損檢測(cè)

根據(jù)曲軸的磨損情況,我們對(duì)其主軸頸和連桿軸頸進(jìn)行磨損檢測(cè)[2].

2.1 檢測(cè)原則

(1)為了克服傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè),對(duì)常用的測(cè)量方法改進(jìn)如下:以曲軸的回轉(zhuǎn)中心為定位線,即以曲軸在磨削過(guò)程中的定位孔為中心,從而實(shí)現(xiàn)了加工基準(zhǔn)與測(cè)量基準(zhǔn)的統(tǒng)一.

(2)實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)多個(gè)參數(shù)項(xiàng)目.

(3)為了能夠自動(dòng)得到曲軸的檢測(cè)結(jié)果,需要設(shè)置被測(cè)曲軸的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn).

2.2 實(shí)現(xiàn)方法

(1)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置主要用于被測(cè)曲軸檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置及標(biāo)準(zhǔn)軸基本尺寸的設(shè)置和顯示,如檢測(cè)點(diǎn)數(shù),尺寸公差等.

(2)標(biāo)準(zhǔn)軸的測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)軸的測(cè)試主要完成標(biāo)準(zhǔn)軸有關(guān)項(xiàng)目的檢測(cè),同時(shí)用于各種傳感器的標(biāo)定,并將標(biāo)準(zhǔn)值記錄下來(lái),與被測(cè)曲軸進(jìn)行比較得到被測(cè)軸的基本尺寸.

(3)工件的測(cè)量

工件的測(cè)量主要完成被測(cè)曲軸有關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量,包括被測(cè)軸的基本尺寸(直徑)以及被測(cè)軸的圓度誤差和徑向圓跳動(dòng)誤差的測(cè)量.測(cè)量被測(cè)軸的基本尺寸時(shí),可以將被測(cè)軸測(cè)量時(shí)的電壓與標(biāo)準(zhǔn)軸基本尺寸測(cè)量時(shí)的電壓值相比較,并換算成相應(yīng)的毫米值,從而得到被測(cè)軸的基本尺寸.被測(cè)軸的徑向圓跳動(dòng)誤差的測(cè)量,可以得到被測(cè)軸整個(gè)圓周有限點(diǎn)的測(cè)量數(shù)值(例如24點(diǎn)),并從每組的測(cè)量數(shù)據(jù)中找到最大值和最小值,求出工件的跳動(dòng)量,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的基本尺寸對(duì)應(yīng)的電壓值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的毫米數(shù)值,從而計(jì)算出被測(cè)曲軸的徑向圓跳動(dòng)誤差值.圓度的測(cè)量也是通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量,應(yīng)用最小二乘法找出最小二乘圓的圓心與軸心的偏移來(lái)確定圓度.

2.3 曲軸主軸頸的檢測(cè)裝置

曲軸主軸頸檢測(cè)裝置主要用來(lái)檢測(cè)曲軸主軸頸的基本尺寸(直徑d)和徑向圓跳動(dòng)誤差.主軸頸每轉(zhuǎn)1周,通過(guò)位移傳感器的測(cè)頭1測(cè)量1周上若干點(diǎn)的數(shù)據(jù)[3],通過(guò)PCI1817U型數(shù)據(jù)采集卡將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī),通過(guò)軟件程序進(jìn)行計(jì)算處理和結(jié)果的存儲(chǔ).主軸頸測(cè)量裝置如圖2所示.

2.4 連桿軸頸的檢測(cè)裝置

圖2 主軸頸測(cè)量裝置

針對(duì)連桿軸頸不易測(cè)量的特點(diǎn),專門設(shè)計(jì)了一種測(cè)量其圓度誤差和基本尺寸的測(cè)量裝置[4],其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.

圖3 連桿軸頸測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

檢測(cè)過(guò)程:曲軸兩端固定后,連桿軸頸位置也就確定,且連桿軸頸在檢測(cè)過(guò)程中不能旋轉(zhuǎn),利用此檢測(cè)裝置檢測(cè)連桿軸頸就需要將每個(gè)測(cè)頭進(jìn)行120°旋轉(zhuǎn),這樣就能得到連桿軸頸1周的檢測(cè)數(shù)據(jù)[5],再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ).

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

目前,較多企業(yè)仍然采用Excel統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理計(jì)算.這種方法雖然靈活通用,但需要我們輸入大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)和處理公式,且有些計(jì)算函數(shù)并不能使用.針對(duì)上述情況,本系統(tǒng)擬采用Visual Basic 6.0開發(fā)工具與SQL Server 2000型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),將大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中,通過(guò)Visual Basic語(yǔ)言開發(fā)出人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)處理功能模塊,并調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析.因此,本系統(tǒng)可在保證數(shù)據(jù)精度的前提下大大提高數(shù)據(jù)處理速度、降低工人輸入大量數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率.設(shè)計(jì)程序流程圖如圖4所示.

3 檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理

檢測(cè)參數(shù)包括曲軸曲柄銷的直徑、圓度誤差與徑向跳動(dòng)誤差.

圓度誤差:圓度誤差采用最小二乘法[6]來(lái)計(jì)算,即根據(jù)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù),采用最小二乘法法去擬合圓曲線,最終求出圓心半徑和圓度誤差的大小.擬合公式為式中為被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值;δi為偏差;a、b、c分別為擬合曲線方程系數(shù).

圖4 軟件設(shè)計(jì)程序流程圖

將式(1)對(duì)a、b、c分別求偏導(dǎo)數(shù),令偏導(dǎo)數(shù)等于零,得到極值點(diǎn),比較所有極值點(diǎn)的函數(shù)值,最小的那個(gè)就是所求答案.再利用a、b、c與A、B、R的關(guān)系得到擬合圓的半徑R和圓心(A,B).求出軸心與圓心(A,B)之間的距離t即是曲軸主軸頸的圓度誤差.圓度誤差計(jì)算原理圖如圖5所示.同理可以計(jì)算出連桿軸頸的圓度誤差.

圖5 圓度誤差計(jì)算原理圖

徑向圓跳動(dòng)誤差:將被測(cè)軸基準(zhǔn)軸線調(diào)整到與檢測(cè)裝置回轉(zhuǎn)工作臺(tái)平行的位置,對(duì)徑向跳動(dòng)誤差的結(jié)果影響較小.檢測(cè)裝置采集到各點(diǎn)的一個(gè)相對(duì)變化量,最大值減去最小值即是跳動(dòng)誤差.將各采樣點(diǎn)的相對(duì)變化量加上公稱直徑的一半即是所測(cè)部位的半徑.檢測(cè)數(shù)據(jù)處理程序界面如圖6所示

圖6 程序主界面

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)最小二乘法原理,本實(shí)驗(yàn)中圓度測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果與Excel操作計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比μ m

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法提高了檢測(cè)效率,改變了傳統(tǒng)近似法手工測(cè)量的不足.

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