CNG发动机含裂纹曲轴的剩余寿命及裂纹故障检测研究

发布时间：2017-09-22 05:28

  本文关键词：CNG发动机含裂纹曲轴的剩余寿命及裂纹故障检测研究

  更多相关文章： 含裂纹曲轴 剩余寿命 故障检测 FRANC3DV6.0 裂纹扩展

【摘要】：随着内燃机高转速、大功率的发展趋势,致使曲轴的运行条件愈加苛刻。由于不断受到周期性冲击和扭转载荷的联合作用,曲轴容易因为弯曲和扭转疲劳而产生裂纹。曲轴在出现裂纹后将带来重大的安全隐患,若能够对裂纹故障进行有效地检测,就能及时地发现裂纹；并准确预测出裂纹扩展的剩余寿命,就可以适时的对曲轴进行维修或更换。因此对含裂纹曲轴进行寿命预测和裂纹检测研究,可以有效避免人员伤亡降低经济损失。经过对国内外相关文献进行调研,发现准确的找出裂纹曲轴故障源并对曲轴进行适时的维护是一个亟待解决的问题,本文将以东风NQ140BN5发动机曲柄连杆机构为载体,对含裂纹曲轴的三维疲劳裂纹扩展剩余寿命和裂纹故障检测进行研究,主要研究内容如下：(1)对曲柄连杆机构进行刚柔耦合的动力学分析,得出曲轴在额定转速2400r/min时,各个曲柄销上的载荷分布规律,发现第四曲柄销上承受的载荷最大为115840N；通过对曲轴断裂调查发现：曲轴的起裂位置通常出现在过渡圆角处。因此,将第四曲柄销的过渡圆角处作为裂纹的起裂位置。(2)基于前人曲轴应力强度因子计算公式基础上,加入椭圆形裂纹长短轴之比对应力强度因子的影响,重新对不同裂纹深度与长短轴比情况下曲轴的应力强度因子进行计算,由得到的应力强度因子拟合出适合本曲轴的几何形状因子的表达式。(3)采用FRANC3D V6.0软件对曲轴进行疲劳裂纹扩展模拟,发现当曲轴中裂纹深度扩展到21.21mm时达到了断裂韧度,曲轴的疲劳裂纹扩展寿命为5.95×106次,仿真结果与文献中的实验结果相吻合,验证了软件仿真的可行性与准确性。(4)对含裂纹曲轴进行自由模态分析,得出裂纹深度、位置、数量对曲轴固有频率及振型的影响。根据其影响规律提出曲轴在返厂维修或者出厂检测时裂纹的诊断方法。之后,对内燃机曲柄连杆机构进行动力学分析,得出裂纹深度对曲轴自由端部位纵向振动位移的影响规律,发现随着裂纹深度的增加,曲轴自由端纵向振动的振幅随之增大,根据这一规律提出曲轴裂纹故障的在线检测方法。(5)对曲轴的过渡圆角进行了优化设计,提出一种阶梯型圆角结构曲轴,通过仿真发现阶梯型圆角能有效减缓曲轴过渡圆角处的应力集中；而且不同于沉割式圆角结构曲轴需要在轴颈上挖槽,所以可以避免对轴颈强度的降低。
【关键词】：含裂纹曲轴 剩余寿命 故障检测 FRANC3DV6.0 裂纹扩展
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK407
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 研究目的及意义10
• 1.3 国内外研究概况10-16
• 1.3.1 疲劳裂纹扩展及剩余寿命的研究现状10-13
• 1.3.2 基于转子动力学含裂纹转子故障诊断研究现状13-16
• 1.4 本论文的研究方法和研究内容16-18
• 1.4.1 研究方法16
• 1.4.2 研究内容16-18
• 1.5 技术路线18-19
• 第2章 曲柄连杆机构刚柔耦合多体动力学仿真19-38
• 2.1 引言19
• 2.2 曲柄连杆机构受力分析19-23
• 2.2.1 曲柄连杆机构运动学19-21
• 2.2.2 曲柄连杆机构中的作用力21-23
• 2.3 刚柔耦合多体动力学理论基础23-24
• 2.3.1 多刚体动力学基本方程23-24
• 2.3.2 柔性多体系统的动力学方程24
• 2.4 曲柄连杆机构建模24-27
• 2.4.1 曲柄连杆机构的简化24-25
• 2.4.2 NQ140BN5发动机简介及建模25-27
• 2.5 曲轴刚柔耦合动力学仿真模型建立27-34
• 2.5.1 曲轴柔性体模型的建立27-30
• 2.5.2 刚性体曲柄连杆机构的导入及参数设置30-31
• 2.5.3 柔性体曲轴的导入31
• 2.5.4 刚柔耦合模型边界条件约束的添加31-33
• 2.5.5 施加主动载荷33-34
• 2.6 刚柔耦合系统动力学仿真34-37
• 2.6.1 各个曲柄销径向载荷仿真分析34-35
• 2.6.2 曲轴自由端的纵向振动情况35-36
• 2.6.3 曲轴扭转振动36-37
• 2.7 本章小结37-38
• 第3章 含裂纹曲轴应力强度因子的分析计算38-47
• 3.1 引言38
• 3.2 线弹性断裂力学基本理论38-41
• 3.2.1 裂纹分类和尖端应力场38-40
• 3.2.2 复合型裂纹断裂判据40-41
• 3.3 应力强度因子计算41-46
• 3.3.1 含裂纹曲轴模型建立及边界条件41-43
• 3.3.2 含裂纹曲轴的受力分析43-44
• 3.3.3 应力强度因子计算结果分析44-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 含裂纹曲轴裂纹扩展剩余寿命的分析计算47-61
• 4.1 引言47
• 4.2 疲劳裂纹扩展基本理论47-51
• 4.2.1 疲劳裂纹扩展速率47-49
• 4.2.2 疲劳裂纹扩展寿命49-51
• 4.3 FRANC3DV6.0软件介绍51-52
• 4.4 含裂纹曲轴裂纹扩展的仿真过程52-57
• 4.4.1 计算模型建立52-53
• 4.4.2 曲轴中裂纹的插入53-54
• 4.4.3 曲轴的裂纹扩展模拟54-57
• 4.5 疲劳裂纹扩展寿命计算57-58
• 4.6 曲轴疲劳裂纹扩展实验的对比分析58-60
• 4.7 本章小结60-61
• 第5章 曲轴的裂纹故障检测和过渡圆角优化61-77
• 5.1 引言61
• 5.2 裂纹故障检测的常用方法61-62
• 5.3 曲轴的自由模态62-63
• 5.4 裂纹的存在对曲轴自由模态的影响63-71
• 5.4.1 含裂纹曲轴模型的建立63-64
• 5.4.2 模态分子支承方式的选择64
• 5.4.3 裂纹的深度对固有频率的影响64-67
• 5.4.4 裂纹位置对固有频率的影响67-69
• 5.4.5 裂纹数量对固有频率的影响69-70
• 5.4.6 通过模态分析检测曲轴裂纹的方法总结70-71
• 5.5 含裂纹曲轴在线振动监测71-74
• 5.5.1 在线振动监测法71-72
• 5.5.2 含不同深度裂纹曲轴的纵向振动特性分析72-74
• 5.6 曲轴过渡圆角的优化设计74-75
• 5.7 本章小结75-77
• 第6章 结论与展望77-79
• 6.1 结论77-78
• 6.2 本文的创新点78
• 6.3 展望78-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-84
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果84

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本文编号：899050