曲轴再制造复合无损检测技术研究与系统开发
目录摘要 .IAbstract .III第1章 绪论 .11.1研究背景 .11.2再制造 .11.3无损检测技术简介 .41.4国内外现状 .51.4.1再制造国内外现状 51.4.2无损检测国内外现状 61.5课题研究的内容与意义 .8第2章 曲轴的失效形式及损伤分析 102.1曲轴失效形式有限元分析 102.2曲轴的轴颈磨损失效 162.3曲轴的塑性变形失效 172.4曲轴的疲劳断裂失效 182.5曲轴的常见损伤形式及检测 18第3章 曲轴的复合无损检测 193.1无损检测技术的基本理论 193.1.1 渗透检测 193.1.2磁粉检测 .203.1.3涡流检测 .213.1.4 超 声检测 223.1.5射线检测 .273.2曲轴复合无损检测试验研究 283.2.1曲轴超声相控阵检测验证试验 .283.2.2曲轴复合检 测试验 .35第4章 无损检测数据管理系统 414.1无损检测数据管理现状 414.2系统结构功能概述 414.3数据管理系统功能模块介绍 424.4数据管理系统实例介绍 45第5章 总结与展望 .475.1总结 475.2展望 47参考文献 48致 谢 .50译文与原文 .511摘要再制造是指以废旧产品作为生产毛坯,通过专业化修复或升级改造的方法来使其质量特性不低于原有新品水平的制造过程。为了保证再制造产品的质量,以先进的无损检测技术为支撑,建立再制造毛坯、再制造修复层以及再制造产品的寿命评估系统,是再制造工程的关键环节。发动机曲轴服役条件、报废原因、几何结构、失效规律、损伤程度等复杂多样,目前检测技术只能针对表面状况以及表面宏观缺陷进行检测,无法定量定性评估损伤程度以及预测剩余寿命,采用先进的无损检测技术全面准备描述发动机曲轴损伤特征,研发针对发动机曲轴再制造毛坯的检测信息系统是当前再制造产业发展的重要挑战。本文以WD615 柴油机曲轴为研究对象,重点针对于曲轴再制造工程中的无损检测部分进行探讨研究。主要对曲轴的损伤形式进行系统的分析,并结合solid works对曲轴进行有限元分析,确定无损检测的主要检测部位。在对比传统单一检测手段的基础上,对曲轴进行细致的复合检测,并应用性的开发无损检测数据管理系统。关键词 : 再制造工程;损伤分析;复合无损检测;超声检测;数据管理2AbstractRemanufacturing refers to the production of waste products as the rough, through professional repair or upgrade the quality characteristics of methods to get their new level of not less than the original manufacturing process. In order to guarantee the quality of remanufactured products, advanced non-destructive testing technology support, to establish remanufacturing, remanufacturing and repair layer remanufactured product life evaluation system is the key to remanufacturing. Engine crankshaft conditions of service, retirement reasons, geometry, failure rule, the degree of injury and other complex and diverse, the current detection technology only for macroscopic surface condition and surface defects were detected, not quantitative and qualitative assessment of injury severity and predict remaining life, the use of advanced non-destructive detection technology fully prepared to describe characteristics of the engine crankshaft damage, research and development for the engine crankshaft remanufacturing detection information system is currently re-manufacturing industry, an important challenge.In this paper, WD615 diesel engine crankshaft will be used for the study, and we will focus on the crankshaft remanufacturing engineering NDT section for discussion.Damage on the crankshaft will be the main form of systematic analysis, combined with solid works on the crankshaft finite element analysis, nondestructive testing to determine the main test site. In contrast to the traditional single detecting means, based on the composite detection detailed crankshaft,and develop the application of NDT data management system.3Keyword: remanufacturing engineering; damage analysis; non-destructive testing; ultrasonic testing; data management第1章 绪论1.1研究背景近年来,我国汽车的保有量、报废量以及维修所需要的零部件数量均呈现出大幅度增长趋势,在现今资源短缺、环境污染严重的情况下,如何有效地回收和利用好报废汽车中的可再生资源,已然成为汽车工业可持续发展中面临的一项重大课题,因此废旧产品再制造工程的提出是保护环境、构建循环经济和保持社会可持续发展要求下的必然结果。一个完整的再制造工程(RE)的实现需要多种高新技术的支持,所以废旧产品的再制造过程中包含了多种关键技术,其中,无损检测 (NDT) 技术在RM工程技术体系中具有非常重要的地位,因为再制造加工是建立在基于对报废产品的失效分析而进行的,只有对整个报废产品进行系统的数据损伤分析后,才能对其进行再制造评估从而判断其是否进行再制造的加工。然而NDT技术的主要作用在于对报废产品进检测做出实效分析和质量评估,所以NDT技术在RE工程中作用至关重要。1.2再制造再制造是相对于制造而言。再制造是一种对废旧产品实施高技术修复和改造的产业。它针对的是损坏或即将报废的零部件在性能失效分析、寿命评估等分析的基础上进行再制造工程设计,采用一系列相关的先进制造技术,使再制造产品质量达到或超过新品 。4再制造主要包含两个部分内容:(1)再制造加工。主要针对达到物理寿命和经济寿命而报废的产品在失效分析和寿命评估的基础上,把有剩余寿命的废旧零部件作为再制造毛坯,采用表 面工程等先进技术进行加工,使其性能迅速恢复,甚至超过新品。5(2)过旧产品的性能升级。主要是针对已达到技术寿命的产品,或是不符合可持续发展要求的产品通过技术改造、更新,特别是通过使用新材料、新技术、 新工艺等,改善产品的技术性能增长产品的使用寿命,减少环境污染。再制造不但能延长产品的使用寿命。提高产品技术性能和附加值。还可以为产品的设计、改造和维修提供信息。最终以最低的成本、最少的能源资源消耗完成产品的整个寿命周期。再制造工程,超脱于传统的制造过程。传统的产品制造普遍采用的生产模式是“设计一制造一使用一报废一回炉处理”。这种生产模式造成的结果是矿产资源大量开采、制造过程中资源和能源消耗量大、处理时造成严重的环境污染。而产品的再制造加工能够利用零部件在第一次生产制造过程中附加在其中的残余加工价值、能源价值和劳动力价值、减少原材料消耗降低零部件生产成本、减少处理废弃物时造成的环境污染,所以对产品及零部件实施再制造对我国的可持续发展具有重要的意义 1。如图1-1所示,产品制造过程是生产新产品的过程,经过市场需求分析后,设计人员对产品进行功能和结构设计,然后由生产工人根据设计图纸进行生产制造。新产品生产制造过程中采用的生产对象是原始材料通过不同的生产方式获得的毛坯(例如,铸造的毛坯、锻造的毛坯、型材等),采用机械加工设备完成零件的制造加工,通过对生产的各个零件进行装配实现产品的生产制造,并将产品投入市场,满足消费者需求。如果在新产品的使用过程中,产品的性能有所下降时,就需要通过对产品进行维修、更换零部件等方式延长产品的寿命,直至不能再维修时对其进行报废处理。6图1- 1再制造流程图汽车作为当今世界人们生活中最重要的交通工具之一,其每年的生产量和报废量都是惊人的。据中国汽车零部件行业市场研究咨询报告报道,我国2007年汽车的总销量约为879万辆,2008年汽车的总销量已经突破900万辆,2010年全国的汽车销售量1263万辆,根据汽车的平均使用寿命以及国家法律法规中的规定,这些汽车将会在2022年至2024年之间报废,其报废量是巨大的,如果不对其进行合理的处理,将会对人们的生活环境产生巨大的影响 2。汽车再制造产业起源于20世纪30年代的美国,已有80多年的历史,而我国的汽车再制造产业才刚刚发展了十余年。但具有中国特色的再制造与国外采用的尺寸修复法和换件修理法不同,中国特色的再制造主要是基于维修工程和表面工程技术发展起来的。目前,随着国家对再制造产业的重视,发改委在再制造领域确立了14家再制造示范试点,再制造汽车零部件已经涉及到发动机、发电机、起动机等多种零部件。其中,汽车发动机再制造是开展最早的工作。如图1-2所示,汽车发动机再制造的典型工艺流程:7图1- 2汽车发动机再制造流程图从图中可以看出,汽车旧发动机经拆解和清洗后,首先通过目测法剔除明显不合格的旧件,然后对目测没有明显缺陷的旧件进行检测与评估。经检测与评估后将旧件分为两类:一类是存在缺陷或剩余寿命无法满足下一个使用周期的不可再制造件;另一类是可满足下一个使用周期的具有可再制造性的零件,经再制造加工后可以继续使用。由此可见,再制造前旧件的检测和评估是决定旧发动机部件能否再制造的前提,在汽车发动机再制造过程中起到巨大的作用。1.3无损检测技术简介无损检测技术是在不损伤被检测对象的条件下,利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热声光电磁等反应的变化,来探测各种工程材料零部件结构件等内部和表面缺陷,并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置尺寸分布及其变化做出判断和评价的检测技术。通过NDT 技术,可以定量掌握缺陷与强度的关系,评价构件的允许负荷寿命或剩余寿命;检测设备(构件) 在制造和使用过程中产生的结构不完整性及缺陷情况。因此,NDT技术是RM8体系中不可或缺的一环。NDT技术包含的种类很多,超声检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测以及渗透检测由于应用广泛,工艺设备成熟,被称为五大常规无损检测技术,另外还有许多其他无损检测技术也在不同领域得到了应用。1.4国内外现状1.4.1再制造国内外现状1984 年美国技术评论就开始提倡旧品翻新或再生,并称之为“再制造”。日本也已经提出“再生工厂技术”的概念。俄罗斯学者班内赫院士在 1992 年向国际热处理联合会( IFHT ) 提出了设立“修复热处理技术委员会 ”的想法。汽车零部件的再制造是研究最早的领域,并已经形成了规模相当大的产 业。美国汽车工程师协会( SAE) 已经对一些具体零部件( 如启动器线圈、 转子、离合器、 发动机、 转向器、 水泵、 变速箱等 ) 的再制造制定了标准。据 1996 年美国波士顿大学 Robert T. Lund教授调查,美国专业再制造公司超过 73 000 个,直接雇员达 48 万人,年产值 530 亿美元。此外,美国的许多大学正在进行再制造技术研究和教学。美国罗切斯特理工学院有一个专门从事再制造工程研究的全国再制造和资源恢复中心;田纳西大学无污染产品和技术研究中心将进行汽车行业的再制造技术研究。许多学校在工业设计课程中讲授再制造技术,要求在工业产品设计中考虑设备部件的可再制造性,认为在设计产品时只考虑一次性使用是不合理的。福特汽车公司正在建立一个旧部件交流中心,从环保出发,充分利用回收再制造的部件,一年将实现 10 亿美元的营业额。1993年,美国福特、通用、克莱斯勒等大汽车公司结成回收9联盟,在密西根建立汽车拆卸中心,专门研究开发汽车零部件的拆卸、 再制造和再循环利用 3。在政府的推动下,我国再制造业呈现出良好的发展态势。1999年6月,徐滨士院士在中国西安召开的“先进制造技术国际会议”上作了表面工程与再制造技术的特邀报告,在中国率先提出“再制造”的概念。2000年,“再制造工程技术及理论研究”被国家自然科学基金委机械学科列为“十五”优先发展领域,标志着再制造的基础研究已经得到了国家的重视和认可;2005年,“资源循环型制造与再制造”又被国家自然科学基金委机械学科列为“十一五”优先发展领域,再制造的学术地位得到进一步巩固。2005年国家科技部发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)中,再制造成为制造领域的优先发展主题和关键技术之一。2005年7月,国务院颁布的21、22号文件明确表示国家将“支持废旧机电产品再制造”,并把“绿色再制造技术”列为国务院有关部门和地方政府加大经费支持力度的关键、共性项目之一;11月,国家发改委等6部委联合公布了国家首批循环经济示范试点领域及企业名单,再制造成为4个重点领域之一,发动机再制造企业济南复强动力有限公司被列为再制造重点领域的试点单位。2006年4月,时任国务院副总理曾培炎在国家发改委上报的关于汽车零部件再制造产业发展及有关对策措施建议的报告上批示:“同意以汽车零部件为再制造产业试点,探索经验,研发技术。同时要考虑定时修订有关法律法规”。2008年3月,国家发改委批准全国14家企业作为新一轮“汽车零部件再制造产业试点企业”,其中包括一汽、东风、上汽、重汽、奇瑞等整车制造企业和潍柴、玉柴等发动机制造企业。2009年1月中华人民共和国循环经济促进法正式生效。该法指出:“国家支持企业开展机动车零部件、工程机械、机床等产品的再制造”;并规定“销售的再制造产品的质量必须符合国家规定的标准,并在显著位置标识为再制造产品” 4。 101.4.2无损检测国内外现状无损检测可以广义的定义为:为了确定是否存在影响物体使用性能的条件或结构不连续,在不改变物体状态和性质的条件下所进行的各种检查、测试、评价方法。常规的无损检测方法有:渗透检测、磁粉检测、涡流检测、超声波检测、射线检测。近年来,国内外无损检测在开发应用方面取得了突破性进展为了满足不同的检测对象、检测目的的需求,人们不断探索着新的检测技术。在涡流检测方面,出现了多频涡流检测技术、远场涡流检测技术、脉冲涡流检测技术、磁光涡流检测技术以及涡流阵列检测技术;在超声波检测方面,出现了超声相控阵技术、衍射声时(TOFD)技术;随着物理学、电子学以及计算机科学的进步,相继诞生了多种以电磁特性变化为基本检测原理的无损检测新技术,诸如磁记忆检测、电流扰动检测、电位法检测、巴克豪森噪声检测、带电粒子检测、电晕放电检测、磁声发射检测、核磁共振检测等 5。单一的无损检测手段存在固有的局限性,为了实现对工件较为全面的检测,就必须综合多种无损检测手段。以涡流检测和超声波检测为例,涡流检测速度快,对表面和亚表面缺陷敏感,同时可以在高温下检测,但其检测对象是导电材料,无法检测材料深层的内部缺陷,同时难以对缺陷做出准确的定性定量判断。与之相反,超声波检测可以检测非导电材料以及内部缺陷,并可以对缺陷做一定的性质判断,但其检测一般需要耦合剂,检测速度较慢。如果将两种检测方法结合,研制涡流超声一体的检测设备,则可以发挥两种方法的长处,对材料进行较为全面的检测。在汽车工业发达国家,汽车行业的无损检测技术的发展主要是针对发动机曲轴、连杆、凸轮轴、缸体、活塞及汽车转向节等关键零部件进行的。在无损检测应用的早期阶段,主要对上述零件的表面缺陷和内部缺陷进行探伤检测,检查工件表面和内部有无气孔、裂纹、夹杂折叠等缺陷。目前无损探伤已经不限这种宏观缺陷检测,而发展到对材料和结构的微观缺陷检测,例如疲劳裂纹11的无损探测,利用超声显微技术、热振技术可以成功地检查出零部件中疲劳裂纹和微 观不均匀处位置。无损检测技术在我国汽车工业中的应用始于 70年代初期,初始时主要采用超声、磁粉及渗透等方法进行无损探伤,后来在一些较大的汽车制造厂引进了射线探伤机。在 80年代初期,为满足国外厂家对汽车毛坯件的质量要求,加大了无损检测设备的投资,开始对汽车某些零部件的材质进行无损检测,从而推动了我国无损检测技术的发展 6。80 年代末 90 年代初,随着轿车技术的引进,无损检测技术也得以吸取国外经验,特别是生产过程的主动检测技术。轿车市场对汽车质量的敏感性使国内汽车厂家真正认识到无损检测技术对汽车工业的重要性从而使汽车工业无损检测有可能从被动发展时期走向主动发展时期。1.5课题研究的内容与意义本文在分析了再制造和无损检测的国内外现状后,针对于曲轴的实际工况,对曲轴的主要失效形式进行了分析研究,并结合分析结果确定了曲轴的损伤部位,进而明确了曲轴的主要检测部位。针对于曲轴的关键检测部位,全面系统的制定了曲轴的复合检测方案,并结合数据库开发了无损检测数据管理系统。本文主要分5章对上述内容进行阐述。第1章 绪论:简明介绍了课题的研究背景,对于再制造和无损检测技术的基本理念进行了简单的阐述,并总结了现阶段再制造行业和无损检测技术的国内外发展现状,明确了课题研究的内容与意义。第 2 章 曲轴失效分析及关键检测部位分析:运用 sold works针对WD615系列柴油机曲轴进行研究,建立专门的三维实体模型,通过12对曲轴进行动力学分析,计算了曲轴连杆轴颈处的受力,结合传统的一些设计经验,确定了曲轴的主要动力学参数,然后针对于曲轴三种主要失效形式进行分析,并最终确定了曲轴的主要损伤部位即关键检测部位,为下面的检测实验提供理论依据。第3章 曲轴的复合无损检测:对无损检测基本理论进行了概述,针对于曲轴的表面损伤和内部损伤,综合的确定了曲轴的复合无损检测方案,采用渗透和超声相控阵检测技术对曲轴进行实际的探伤试验。第4章 无损检测数据管理系统:鉴于现阶段无损检测数据记录杂乱、缺乏系统的管理程序的现状,开发了针对于超声、射线、渗透、磁粉检测四种检测为一体的综合性数据管理系统,方便检测数据的记录管理和归档处理。第5章 总结与展望:对本文主要研究内容进行总结,对下一步工作提出展望。再制造作为解决资源短缺、环境污染等重大问题的一种有效措施,已经越来越引起国内外的广泛重视,其核心思想是对回收的废旧毛坯进行再制造,使再制造后的产品性能达到甚至超过新品的性能。对汽车零部件进行再制造,能够有效降低矿产资源与能源消耗、减少废弃物排放、提高零部件使用寿命,对实现可持续发展、加快循环经济建设具有重要意义;对拆解后的废旧零件进行高效、准确的检测是产品再制造过程的重要环节,是保证再制造产品质量的重要步骤。它不但能决定毛坯的弃用,影响再制造成本,提高再制造产品的质量稳定性,还能帮助决策毛坯的再制造加工方式,是再制造中一项至关重要的工作。针对现在单一检测方法的局限性,综合分析多种无损检测方法,提出曲轴的复合无损检测技术,可以提高曲轴多种损伤形式的检测精度、检测效率、检出率;通过收集损伤检测数据,建立无损检测数据管理系统,可以实现针对不13同检测方法实行统一的数据管理,提高产品再制造效率;同时在曲轴方面,为废旧曲轴的可再制造性评价提供数据支持;为再制造曲轴的寿命评估提供依据;帮助决策废旧曲轴的再制造加工方式。第2章 曲轴的失效形式及损伤分析2.1曲轴失效形式有限元分析发动机零部件的失效是指零部件在使用的过程中不能满足其使用的要求,失去了设计之初规定的形状、尺寸,进而影响使用需求。对零部件失效形式的分析,是对零部件进行检测的前提和基础,只有对工件的工作情况、运动状态,受力情况进行了合理的分析才能正确的选取检测部位,从而使检测工作更加的合理、高效。曲轴是发动机中最重要的零部件之一,然而其结构复杂、尺寸结构巨大、形状极其不规则,要对其进行无损检测,必须要对其进行应力分析,找出曲轴在工作过程中最关键的受损部位,明确检测方向。本文中所采用的曲轴为WD615系列曲轴,其曲轴全长1108m,由于曲轴的结构和受载荷情况比较复杂,在经典的力学分析上进行应力分析比较繁琐,同时存在一定的局限性,故而在对曲轴的模型分析上进行了一定的优化,采用比软件solid works自带的Simulation功能模块对曲轴进行有限元分析。(1) 曲轴的三维建模14由于曲轴的结构比较复杂,表面形状不规则,在很多受力计算上难以实现,而且实体模型的计算量太大,求解困难,因此对于曲轴的建模进行了一定程度的优化,忽略了键槽、中心孔、螺纹孔、油孔等小结构部位,建模如下表2- 1曲轴的主要尺寸参数曲轴主要参数 数值主轴直径 100mm 连杆轴颈直径 82mm 曲柄宽度 104mm 曲柄半径 113mm 曲柄壁厚 29mm 图2- 1 曲轴三维模型15(2) 曲轴的工况及边界约束分析Wd615系列曲轴为直列六缸发动机曲轴,点火顺序为1-5-3-6-2-4,其曲轴为全支持曲轴,每段主轴颈都用主轴承固定,以约束其径向位移,根据动力学分析可知,曲轴运行中所承受的力包括体压力、活塞与连杆往复运动惯性力、连杆与曲柄旋转运动离心力。连杆轴承的最大作用力是发生在气缸爆发作功时,即曲柄连杆机构运行至上止点附近时,此时曲轴所受的应力最大,变形也最大 7。因曲轴的第一缸爆炸时曲轴所受的压力最大,故为减少计算量,此处只采用第一缸爆发作功时的工况进行计算曲轴的静力强度。WD615系列柴油机曲轴正常发火次序为1-5-3-6-2-4 ,图2-2描述了曲轴在1缸、5缸、3缸受最大爆发压力时,各缸受力状况示意简图。图2- 2发动机工作原理图曲轴在工作过程中主要受气体压力、活塞与连杆往复运动惯性力、连杆与曲柄旋转运动离心力的作用,表2-2为WD615曲轴的运动学参数。表2- 2曲轴动力参数表参数名称 符号 数值气缸直径 D 126mm16行程 S 130mm曲柄半径 R 65mm连杆中孔距 L 219mm长径比 =R/L 0.2968标定转速 n 2200r/minw 0.105n=231/s曲轴旋转角速度w2 0.011n2=53240/s2活塞净重 mp 7.6kgmc 3.586kgla/l 0.7lb/l 0.3mca 1.076kg连杆净重mcb 2.510kg集中在曲柄销中点的曲柄组质量 md 7.614kg最大爆压压力 pg 5.4mpa曲轴箱内气体压力 P0 0.1mpa针对曲轴的运动状态的模拟,进行受力分析以及运动学分析以后,得到如表2-3 所示,曲轴1缸处于爆发阶段的数据结果 8。表2- 3 曲轴爆发点参数序号 Fg(N) Fj(N) Fr(N) Fl(N)1 367.5 66086 +1.2781 +38374 35035 1.0008 +1052962 487.5 15588 -0.6856 -20584 35035 1.0289 -51403 607.5 0 -0.5926 -17792 35035 1.0399 -185024 7.5 0 +1.2781 +38374 35035 1.0008 +384055 127.5 0 -0.6856 -20584 35035 1.0289 -211796 247.5 15588 -0.5926 -17792 35035 1.0399 -2292对于曲轴的边界使用轴承固定,约束其径向位移,在推止片处施加轴向约束,曲轴边界约束及应力加载如图2-3。17图2- 3曲轴边界约束及力加载(3) 设置应用材料,选择曲轴的材料。如表2-4 所示,为WD615 系列柴油机曲轴材料参数。表2- 4 WD615柴油机曲轴参数表曲轴参数 数值材料 42CrMoA抗拉强度 900MP屈服强度 570MP弹性模量 210GP泊松比 0.3质量密度 7900kg/m3根据具体曲轴参数,在应用材料中加载曲轴材料。如图2-418图2- 4曲轴材料加载(4) 划分网格单元类型的选择和网格划分的方法在一定程度上决定了求解问题的计算精度。此处选择二阶实体四面体单元,即选择高级网格品质。为达到计算求解的精度而又避免网格划分过细导致计算量过大,在划分网格时在过渡圆角面上和轴颈面上应用网格控制,单元大小值分别为5mm和5.5mm,比率值为1.5,网格器选择标准网格,整体单元大小值为12mm,公差值为0.6mm 9。图2- 5网格加载(5) 结果分析19从图2-6中可以看出,曲轴的应力集中点主要在轴颈与曲柄的过渡圆角处,在第一、五曲拐出存在明显的应力集中,这与采用假设第一个爆发点曲轴的实际工况相印证。由此可见,曲轴在运动过程中,轴颈受连杆撞击,曲轴轴颈与曲柄过渡圆角部位应力集中明显,故在进行检测过程中应当重点检测曲轴的R角部位以及曲轴轴颈表面。图2- 6曲轴应力图2.2曲轴的轴颈磨损失效机械零部件的磨损失效是指相互接触的零部件在运动的过程中,接触表面之间在载荷的作用下,发生相对运动,互相摩擦,使接触表面发生材料损耗或变形而失去使用功能的现象。曲轴轴颈表面的磨损不均匀,主轴颈与连杆轴颈的径向磨损主要呈椭圆形,且其最大磨损部位相互对应,即各主轴颈的最大磨损处靠近连杆轴颈一侧;而连杆轴颈的最大磨损处也是靠近主轴颈一侧。此外曲轴轴颈沿轴向还有锥形磨损 10。轴颈的椭圆形磨损是由于作用于轴颈上的力20沿圆周方向分布不均匀引起的。曲轴椭圆和锥形颈磨损原因:发动机工作时,连杆轴颈所受的综合作用力始终作用在连杆轴颈的内侧,方向沿曲轴半径向外,造成连杆轴颈内侧磨损最大,形成椭圆形。连杆轴颈产生锥形磨损的原因是由于通向连杆轴颈的油道是倾斜的,当曲轴回转时,在离心力的作用下,润滑油中的机械杂质偏积在连杆轴颈的一侧,加速了该侧轴颈的磨损,使连杆轴颈的磨损呈锥形 11。此外,连杆弯曲、气缸中心线与曲轴中心线不垂直等原因,都会使轴颈沿轴向受力不均,而使磨损偏斜。此外,轴颈表面还可能出现擦伤与烧伤。擦伤主要是由于机油不清洁,其中较大的坚硬机械杂质在轴颈表面刻划引起的。轴颈表面的烧伤是由于烧瓦引起的,烧瓦主要是由于润滑不足、机油过稀、油路阻塞等原因造成的。影响曲轴轴颈与轴瓦磨损的因素(1) 润滑油品质:不同的发动机要求使用的润滑油的品质并不是完全一样的,如果采用了低于要求标准级别的润滑油,由于其性能不能满足发动机运行中的润滑、冷却要求,就很可能造成非正常磨损,另外发动机运转过程中轴颈与轴瓦的正常磨损会产生一些金属磨屑,它会影响润滑油的洁净程度。同时,润滑油在使用过程中品质会不断变差,因此不按时更换变“脏”的润滑油也会造成曲轴轴承副的磨损。(2) 装配质量:曲轴与轴瓦的装配有一定的间隙要求,间隙过小会使发动机曲轴烧瓦抱死;间隙过大又会因润滑油压过低而造成润滑不良,同时过大的间隙会引起发动机发出“异响”,从而因冲击载荷而加剧曲轴轴承副的磨损。(3) 曲轴或轴瓦的品质:曲轴轴颈表面有一定的硬度、圆度和粗糙度要求,不合要求的曲轴在使用中都不会有正常的使用寿命,特别是修理后的曲轴更应加强检21查,而轴瓦有瓦背硬度、表面粗糙度、耐磨层厚度的要求。另外,曲轴的动平衡、主轴颈轴心的直线度以及主轴承座孔的同轴度都是曲轴磨损的影响因素。2. 3曲轴的塑性变形失效机械零部件的塑性变形是指零件在工作中,受到外力的作用,零件产生的不可自动恢复的永久变形,发动机曲轴在工作过程中,气缸内的燃料燃烧时产生巨大的爆破力来推动活塞,活塞再经过连杆将载荷传递到曲轴的曲径上。在这个过程中,曲轴轴颈所示载荷冲击比较大,载荷的位置比较集中,曲轴容易发生弯曲变形。2.4曲轴的疲劳断裂失效曲轴在交变循环应力的作用下会发生疲劳断裂,由于曲轴在工作中要不断地承受来自连杆的冲击交变载荷,在复杂工作环境中会在点蚀斑点的周围产生细微的裂纹,这些裂纹会随着曲轴的使用慢慢的扩展延伸,逐渐发展为宏观的疲劳裂纹。2.5曲轴的常见损伤形式及检测通过上节曲轴失效分析,总结发现曲轴主要存在三种主要的损伤:轴颈的磨损、曲轴的弯曲及扭曲、裂纹。轴颈表面的磨损是不均匀的,磨损后的轴颈出现圆度和圆柱度误差。对于曲轴的磨损检测,可用外径千分尺测量,计算每个轴颈界面的磨损量、圆度和圆柱度误差即可判断曲轴的磨损损伤 12。当曲轴的弯曲度超过0.1mm(有的为0.2mm)时,应进行校正。测量时将曲轴主轴颈放置在检验平板上两个等高V 型铁上。将千分表的表盘定在“0”位置并将其触头触及中间主轴颈表面,缓慢转动曲轴,千分表最大示值的一半即为曲轴的弯曲度。扭曲检查时,曲轴的放置22与弯曲检查相同。检查时,将曲柄臂置于水平位置,用千分表测量同一平面内第一缸和最后一缸的连杆轴颈高度,其差值即为曲轴的扭曲度。发现曲轴断裂失效主要是由于曲轴R角处存在应力集中,尤其是第五主轴颈与曲柄过渡圆角处。由于应力集中在轴颈圆角部位和油孔周围易产生裂纹,裂纹的存在会导致曲轴的断裂,并且在曲轴内部及表层存在夹杂物,严重破坏了金属基体的连续性,使材料的强度和塑性大大降低,在应力作用下易产生疲劳裂纹,导致曲轴发生疲劳断裂,因而在曲轴的裂纹检测中需要采用无损检测技术来进行,主要的检测部位为曲轴的R角部位及轴颈处。第3章 曲轴的复合无损检测无损检测技术在再制造工程技术体系中有着非常重要的地位。曲轴的再制造加工是建立在对废旧曲轴失效分析基础上的,而对于废旧曲轴的失效分析以及曲轴再制造加工的质量控制,无损检测技术都起着重要的作用。曲轴的复合无损检测是采用几种不同的检测技术来对曲轴进行的全方位检测,是对曲轴由表及里的系统检测方法。233.1无损检测技术的基本理论无损检测是一门涉及多学科的综合性技术,其特点是在不破坏构件材质和使用性能的条件下,运用现代测试技术来确定被检对象的特征和缺陷,以评价构件的使用性能。随着现代工业和科学技术的发展,无损检测正日益受到人们的重视。无损检测的方法有很多,其中,最常用的是五大常规无损检测方法:渗透检测、磁粉检测、涡流检测、超声波检测和射线检测 13。3.1.1 渗透检测渗透检测是检验非疏孔性金属和非金属试件表面开口缺陷的一种无损检测方法。渗透检测包括荧光法和着色法。荧光法是将含有荧光物质的渗透液涂敷在被探伤件表面,通过毛细作用渗入表面缺陷中,然后清洗去表面的渗透液,将缺陷中的渗透液保留下来,进行显象。典型的显象方法是将均匀的白色粉末撒在被探伤件表面,将渗透液从缺陷处吸出并扩展到表面。这时,在暗处用紫外线灯照射表面,缺陷处发出明亮的荧光。着色法与荧光法相似,只是渗透液内不含荧光物质,而含着色染料,使渗透液鲜明可见,可在白光或日光下检查。一般情况下,荧光法的灵敏度高于着色法。这两种方法都包括渗透、清洗、显象和检查四个基本步骤。渗透检测的优点:不受被检试件几何形状、尺寸大小、化学成分和内部组织结构的限制,也不受缺陷方位的限制,一次操作可同时检验开口于表面的所有缺陷;不需要特别昂贵和复杂的电子设备和器械,可以以最小的投资用于检验各类材料和试件的表面缺陷;检验的速度快,操作比较简单,大量的零件可以同时进行批量检验,一次大批量零件可实现100%的检验;缺陷显示直观,检验灵敏度高 14。24渗透检测的局限性:最主要的限制是只能检出试件开口于表面的缺陷,不能显示缺陷的深度及缺陷内部的形状和大小;难以检查多孔材料,表面粗糙时,也会使表面的本底颜色或荧光底色增大,以致掩盖了细小的、分散的缺陷;荧光检验时,需要配备黑光灯和暗室,无法再没有店里和暗室的环境下工作 8。3.1.2磁粉检测利用磁粉的聚集显示铁磁性材料及其工件表面与近表面缺陷的无损检测方法称之为磁粉检测法 15。此方法既可用于板材、型材、管材及锻造毛坯等原材料及半成品或成品表面与近表面的检测,也可以用于重要机械设备、压力容器及石油化工设备的定期检查。磁粉检测的优点:能直观的显示缺陷的形状、位置、大小,并可大致确定其性质;具有高的灵敏度,可以检出的缺陷最小宽度约1m;几乎不受试件大小和形状的限制;检测速度快,工艺简单,费用低廉。磁粉检测的局限性:只能用于铁磁性材料;只能发现表面和近表面缺陷,可探测的深度一般在12mm;磁化场的方向应与缺陷的主要平面相交,夹角应在4590,有时还需从不同的方向进行多次磁化;不能确定缺陷的埋深和自身的高度;宽而浅的缺陷也难以检测;检测后需要退磁和清洗;试件的表面不得有油腻或者其他能粘附磁粉的物质。下面简单介绍几种在磁粉检测中常用的产生磁场分方法。(1) 直接通电法将试件夹在装置的两接触头之间使电流由接触头从试件上直接通过从而在试件中形成周向磁场,接头的设计可使试件既不受压力过大而造成变形也不致因接触不良、电阻过大而导致过热或烧伤。可用软铅板或铜网覆盖接触头,但要考虑这些金属的粘附或伸入试件的可能性,不允许用锌板。25(2) 支杆触头法笨重的大部件难以夹在触头之间磁化,一般情况下可用支杆触头法,支杆触头法优点:装置便携,易于对大型构件进行现场的检测;对表面下缺陷,此法的灵敏度优于其他方。(3) 芯棒法对于管材或环形件这类内表面与外表面检测同样重要的试件,可将导电芯棒穿入管材或环形孔中,使电流从芯棒上通过以对试件作周向磁化,检测纵向缺陷,这种试件在直接通电磁化时,内壁处的磁感应强度可为零,而用芯棒法则可同时发现内外表面的周向缺陷及两端面的径向缺陷,由于内表面磁感应强度比外表面大,缺陷可显示的更清晰。3.1.3涡流检测涡流检测是利用电磁感应原理来检测导电材料表面及近表面缺陷的一种无损检测方法。将通有交流电的线圈置于待测的金属板上或套在待测的金属管外。这时线圈内及其附近将产生交变磁场,使试件中产生呈旋涡状的感应交变电流,称为涡流。涡流的分布和大小,除与线圈的形状和尺寸、交流电流的大小和频率等有关外,还取决于试件的电导率、磁导率、形状和尺寸、与线圈的距离以及表面有无裂纹缺陷等有关。因而,在保持其他因素相对不变的条件下,用一探测线圈测量涡流所引起的磁场变化,可推知试件中涡流的大小和相位变化,进而获得有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量(如形状、尺寸等)的变化或缺陷存在等信息。但由于涡流是交变电流,具有集肤效应,所检测到的信息仅能反映试件表面或近表面处的情况。涡流检测的主要优点是检测速度快,涡流与试件可不直接接触,无需耦合剂。主要缺点是只限用导电材料,对形状复杂试件难以做出检查,由于趋肤效应只能检查薄试件或者厚试件的表面、近表面部位,对于铁磁性材料及制件常26需完全直流磁化到饱和以免在涡流检测期间磁化状态有任何变化而影响检测,且随后又须将此试件退磁,缺陷必须能截断涡流方可被检出,检测结果尚不直观,判断缺陷性质、大小及形状尚难,对多参量敏感时检测是否正确取决于作业者的水平 16。3.1.4 超声检测超声检测一般是指使用超声波与试件相互作用,就反射、透射和散射的波进行研究,对试块进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征,并进而对其特定应用性进行评价的无损检测技术。超声检测的优点:作用于材料的超声强度足够的低,最大作用应力远低于弹性极限;可用于金属、非金属、复合材料制件的无损评价;对确定内部缺陷的大小、位置取向、埋深、性质等参量较之其他无损方法有综合优势;仅需从一侧接近试件;设备轻便对人体及环境无害,可作现场检测;所用参数设置及有关波形均可存储供以后调用 17。超声检测的局限性:对材料及制作缺陷做精确的定位,定量表征仍须做深入研究;为使超声波能以常用的压电换能器为声源进入试件一般需用耦合剂;对试件形状的复杂性有一定的限制。超声波检测方法按检测原理可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。(1)脉冲反射法缺陷回波法如图3-1所示,超声波信号发射到工件中去后,若工件内没有缺陷,显示图形中仅有发射脉冲和底面回波两个信号。而当试件中存在缺陷时,在发射脉冲与底面回波之间将出现来自缺陷的回波,通过观察缺陷回波的高度可对缺陷的大小进行评估,通过观察缺陷回波距发射脉冲的距离可得到缺陷的埋藏深度。27图3- 1脉冲回波法底面回波高度法当试件的材质、厚度和表面状态不变时,底面回波的高度基本是不变的。当试件中存在一定尺寸的缺陷或存在材质的剧烈变化时,底面回波的高度会下降甚至消失。但通过底波检测缺陷时灵敏度低,且无法确定缺陷埋藏深度,定量也比较困难。多次回波法主要用于探测薄板中的分层。当射入工件的超声波能量较大而工件厚度较小时,超声波可以在探侧面和底面之间往复传播多次,超声回波信号中出现多次底面回波。如图3-2所示,将厚度为3mm的试件的时基轴校准为50mm,当传感器位于1时,多重回波会延伸30mm,当传感器在位置2(分层上方)时,多重回波仅能延伸15mm。28图3- 2多次回波法需要注意的是,当不连续的方位不利于声束时,可能会导致超声波信号的丢失。大角度的倾斜不连续不仅使声能反射到传感器以外的地方,而且还妨碍了底面的反射,其后果是在显示屏上没有信号显示。垂直裂纹会允许声波在两侧通过而不发生反射,但会产生一个正常的底面回波。因此在设计检测程序时,还必须考虑不连续的可能方位。如果不连续的可能方位被认为不适合于用垂直于扫描表面的声束来检测,则将有必要使声束倾斜一个合适的角度,以确保声束以尽可能近似垂直方向到达该不连续续。最简单的斜射横波检测用于探测那些起始于扫描表面或底面的开口型垂直不连续。脉冲反射法的优点是灵敏度高、缺陷定位准确、操作方便、适用范围广。但其也存在一定的局限性:存在一定的盲区,不适用于较薄工件和表面缺陷的测量;声波由发射到接收,要通过双倍的声程,相当于材料对声能有两倍的衰减,对于高衰减材料的检测是不利的。(2)穿透法穿透法通常采用两个探头,分别放置于试件两侧,一个将脉冲发射到试件
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