唐明軍，侯勇俊，楊建坤，劉衛(wèi)東

● （1．西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500；2．中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程公司，天津 300452）

柴油機(jī)連桿工作過(guò)程中嚙合齒形靜力學(xué)試驗(yàn)研究

唐明軍1，侯勇俊1，楊建坤2，劉衛(wèi)東2

● （1．西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500；2．中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程公司，天津 300452）

以海上采油平臺(tái)某發(fā)電用進(jìn)口柴油機(jī)連桿為研究對(duì)象，以該柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的P-V圖為基礎(chǔ)，計(jì)算該柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況下一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)氣體作用在活塞上的作用力；采用ADAMS軟件，建立的發(fā)動(dòng)機(jī)多體動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)輸入的氣體壓力曲線和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，仿真得到連桿實(shí)際工況下交變載荷；用電測(cè)法對(duì)連桿所受最大軸向載荷和橫向載荷做了靜力拉壓加載實(shí)驗(yàn)，測(cè)得連桿的應(yīng)力應(yīng)變；本文試驗(yàn)結(jié)果為后期連桿的有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供對(duì)比依據(jù)。

連桿；嚙合齒；靜力試驗(yàn)

0 引言

連桿是柴油機(jī)中的重要零部件之一，其結(jié)構(gòu)形狀和受載狀況非常復(fù)雜，連桿的可靠性和壽命在很大程度上影響著柴油機(jī)的可靠性和壽命。目前，中海油海上采油平臺(tái)在用的某發(fā)電用進(jìn)口柴油機(jī)在24000h大修過(guò)程中，對(duì)連桿進(jìn)行無(wú)損探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)一些連桿嚙合齒處存在不同深度的裂紋，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，這些裂紋普遍出現(xiàn)在新連桿的第二個(gè)24000h大修周期內(nèi)。對(duì)于在嚙合齒處出現(xiàn)較淺裂紋的連桿，經(jīng)修復(fù)并檢驗(yàn)合格后可繼續(xù)使用，但在裝機(jī)后繼續(xù)運(yùn)行6000h～12000h后嚙合齒處重新出現(xiàn)裂紋，并有數(shù)量增加的趨勢(shì)，這給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了極大風(fēng)險(xiǎn)。為了分析連桿工作過(guò)程中實(shí)際的應(yīng)變大小，本文對(duì)該柴油機(jī)連桿進(jìn)行了靜力學(xué)試驗(yàn)研究。

1 連桿靜力學(xué)試驗(yàn)工況確定

連桿工作過(guò)程是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，受到交變載荷的作用，依據(jù)對(duì)柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的P-V圖，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立連桿的多體動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)輸入的氣體壓力曲線和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，仿真可得到連桿實(shí)際工況下的交變載荷，根據(jù)活塞壓力和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可得到曲軸在旋轉(zhuǎn)720°周期內(nèi)連桿大端和小端受到的慣性力和壓力，如圖1所示。為保證連桿在加載試驗(yàn)過(guò)程中的材料不進(jìn)入屈服階段，且連桿不被破壞，確定連桿的實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

圖1 連桿運(yùn)行中受到的交變載荷

表1 連桿實(shí)驗(yàn)工況

連桿的小端固定，而大端通過(guò)試驗(yàn)機(jī)橫梁的移動(dòng)施加載荷。連桿受到的軸向載荷見(jiàn)圖2。箭頭所指方向?yàn)檫B桿受到的載荷方向，拉伸載荷100kN，壓縮載荷200kN。

圖2 軸向載荷圖

連桿的小端固定，大端通過(guò)試驗(yàn)機(jī)橫梁的移動(dòng)施加載荷。連桿受到的橫向載荷如圖3所示。箭頭所示方向?yàn)檠豗軸的橫向載荷，大小為30kN。

圖3 橫向載荷圖

2 連桿靜力試驗(yàn)齒形應(yīng)變片位置的確定

在貼應(yīng)變花前需要在連桿的齒形處進(jìn)行畫線，確定應(yīng)變花的位置，并對(duì)各位置處應(yīng)變花進(jìn)行標(biāo)號(hào)。令連桿正面為A面，連桿背面為B面，連桿軸測(cè)圖如圖4所示。

圖4 連桿軸測(cè)圖

為確定應(yīng)變花的位置，在A面以連桿大端孔中心為全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)建立全局坐標(biāo)系，以應(yīng)變花中心作為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系，應(yīng)變花位置如圖5（a）、（b）所示。

局部坐標(biāo)系O′與應(yīng)變花三個(gè)方向的交點(diǎn)重合即應(yīng)變花的中心，X′軸與應(yīng)變花的 0°方向重合，Y′軸與其 90°方向重合，Z′軸由右手法則確定。1號(hào)應(yīng)變花的局部坐標(biāo)系如圖5（b）所示。A面其余應(yīng)變花以此為標(biāo)準(zhǔn)建立局部坐標(biāo)系。由A面對(duì)稱得到B面坐標(biāo)系。根據(jù)建立的全局坐標(biāo)系O-XYZ和局部坐標(biāo)系O′-X′Y′Z′確定的連桿的應(yīng)變花位置如表2所示，并將應(yīng)變片粘貼到連桿的對(duì)應(yīng)位置處，實(shí)際粘貼效果如圖6所示。

圖5 應(yīng)變花位置圖

表2 應(yīng)變花位置表

圖6 連桿嚙合齒應(yīng)變花位置圖

3 試驗(yàn)測(cè)量電路的選擇

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，齒形處的變形非常微弱，必須用專門的電路來(lái)測(cè)量這種微弱的變化即電橋電路。電橋電路的作用是把電阻片的電阻變化率轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進(jìn)行測(cè)量，從而獲得該處的變形。

應(yīng)變儀測(cè)量應(yīng)變的電橋分為全橋、半橋和1/4橋，本試驗(yàn)采用1/4橋測(cè)量連桿局部齒形處的應(yīng)變，1/4橋單臂測(cè)量電路接線如圖7所示。

在1/4橋中四個(gè)電阻中只有R1是工作應(yīng)變片，其電阻產(chǎn)生變化，所以輸出電壓可寫成：e=1/4×ΔR/R×E

應(yīng)變片的阻值不僅隨機(jī)械應(yīng)變變化，而且隨溫度變化?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，氣溫變化，日光和風(fēng)對(duì)應(yīng)變片阻值都會(huì)產(chǎn)生影響，故需要在電橋中接入溫度補(bǔ)償片，試驗(yàn)過(guò)程中采用一片補(bǔ)償多片即公共補(bǔ)償。

圖7 1/4橋單臂測(cè)量電路接線圖

4 試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果分析

本次連桿實(shí)驗(yàn)采用Instron疲勞試驗(yàn)機(jī)，連桿靜力試驗(yàn)過(guò)程如圖8所示，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)過(guò)程如圖9所示。將測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得到各應(yīng)變花位置處齒形的主應(yīng)變和主應(yīng)變的方向。主應(yīng)變?chǔ)?對(duì)應(yīng)的方向?yàn)棣?，主應(yīng)變?chǔ)?對(duì)應(yīng)的方向?yàn)棣?。主應(yīng)變的方向α1和α2分別為應(yīng)變花局部坐標(biāo)系下的方向。

圖8 連桿靜力試驗(yàn)過(guò)程圖

圖9 應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)過(guò)程圖

按照表1連桿試驗(yàn)工況，對(duì)連桿進(jìn)行加載，測(cè)得了連桿靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，其中，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，壓縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，沿Y軸向下彎曲橫向載荷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，沿Y軸向上彎曲橫向載荷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表3 第一次拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 壓縮試驗(yàn)結(jié)果

表5 沿Y軸向下彎曲橫向載荷試驗(yàn)結(jié)果

表6 沿Y軸向上彎曲橫向載荷

5 結(jié)語(yǔ)

從試驗(yàn)角度對(duì)連桿工作過(guò)程中最大工作載荷下嚙合齒形處應(yīng)變進(jìn)行了分析，測(cè)得了連桿嚙合齒處16個(gè)不同位置處分別在拉伸載荷100kN作用下，壓縮載荷200kN作用下，沿Y軸向下彎曲橫向載荷為30kN作用下，沿Y軸向上彎曲橫向載荷為30kN作用下的應(yīng)變值，該試驗(yàn)結(jié)果可驗(yàn)證后期連桿有限元分析中模型建立的正確性和有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]王欣,林大淵.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[J].天津:天津大學(xué)出版社,1989.

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Research on Meshing Tooth Statics Experiment of Connecting Rod During Diesel Engine Working

TANG Ming-jun1,HOU Yong-jun1,YANG Jian-kun2,LIU Wei-dong2
(1.School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China; 2.CNOOC Energy Technology &Services-Oilfield Construction Engineering Co.,Tianjin 300452,China)

Taking one imported power generated diesel engine’s connecting rod on offshore oil platform as research object,based on the actual operating condition of P-V graph of the diesel engine,the gas force acting on the piston is calculated under actual operating condition during the work circulation of diesel engine.Using ADAMS software,the multi-body dynamics model of the engine is established.By inputting pressure curve and load torque of the gas in the cylinder,the actual alternating loads during the working conditions of the connecting rod is gotten.The static compressive load experiment of the connecting rod is used to measure the stress and strain of connecting rod under the maximum axial load and horizontal load using electricity measure method.The testing results can be the basis to check the accuracy of loading experiment results and finite element analysis results.

connecting rod; meshing teeth; statics experiment

TK427

A

唐明軍（1974-），男，高級(jí)工程師。主要從事海洋石油柴油機(jī)、吊機(jī)、修井機(jī)等設(shè)備的運(yùn)維管理工作。