116 材料导报A:综述篇2015年10月(上)第29卷第10期 曲轴剩余疲劳寿命评估方法研究进展 刘慎水,董丽虹2,王海斗2,薛楠3,李国禄 (1河北工业大学材料科学与工程学院,天津300130;2装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点 实验室,北京100072;3中国航空综合技术研究所,北京100028) 摘要针对曲轴长期受到循环载荷作用极易造成疲劳和磨损破坏而导致失效问題研究,从3个方面详细介绍 了当前国内外在曲轴寿命评估技术及手段方面的研究进展,并对各检测方法的缺点与不足进行了总结与归纳,最后 对下一步的研究进行了展望。 关键词曲轴剩余寿命模拟仿真无损检测 中图分类号:TG115.28文献标识码:ADOl:10.11896/j.issn.1005-023X.2015.019.021 Research and development of remaining fatigue Life prediction of Crankshaft LIU Shenshui, DONG Lihong WANG Haidou, XUE Nan, LI Guolu' (1 School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130: 2 National Key Laboratory facturing, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072: 3 China Aero Poly-technology Establishment, Beijing 100028) Abstract Due to the waste of crankshaft core history serving different lead to the damage form each are not identical. Itself is complex and individual differ no doubt, increasing the difficulty remaining life assessment. The current domestic and foreign in the crankshaft fatigue life evaluation method and signal collection and analysis the shortfalls are summarized, the advanced nondestructive testing technique is applied to the crankshaft remaining fatigue life assessment of the progress in research of and prospected are introduced Key words ankshaft, remaining life, simulation, nondestructive testing 0引言 效信息,但信号灵敏度较差,无法有效识别出曲轴在疲劳过 程的损伤程度,对后续的失效分析产生不利影响。这就预示 曲轴在发动机运行过程中,长期受到来自气缸的循环交着在现有的曲轴寿命评估的基础上,还需要更完善缜密的技 变载荷作用极易发生疲劳与磨损而导致零件失效,严重时术或理论对其损伤过程进行准确评估。研究人员针对此问 使得发动机报废造成严重的交通事故,因此对曲轴在服役题也进行了多方面的探索工作,近年来,随着科学技术的 工况条件下的剩余寿命评估变得尤为重要。在曲轴的失效进步与计算机信息化工程的发展,研究人员开始将多种先进 破坏中,疲劳是造成曲轴失效的主要原因,属于不可逆破坏,无损检测技术与计算机仿真手段应用于曲轴的寿命评估中 其破坏危害程度也较摩擦磨损失效大得多。因此在曲轴失并得到了广泛的关注ˉ刁。在综合国内外研究基础上,本文 效研究中,重点考虑疲劳因素对曲轴寿命的影响。裂纹萌生从理论计算、试验分析以及无损检测3个方面对发动机曲轴 和扩展是疲劳过程中不断形成的损伤积累的结果,直到最后在疲劳寿命评估方面的研究进展做了详细总结 断裂。这一损伤累积过程所经历的时间或交变循环载荷作 用的次数,称为“寿命”。而剩余疲劳寿命则是曲轴的全寿命 1基于剩余疲劳寿命预测计算理论研究 减去经服役损耗后剩余的服役寿命。对曲轴剩余寿命的预 采用理论计算法进行零部件剩余疲劳寿命预测的基本 测评估可把握服役曲轴的疲劳损伤情况,以便提前做好维护思路公式是 与保养 Notal-N (1) 疲劳现象是德国工程师 Holder最早发现的,并且提出式中:Nam为零件的剩余寿命,N是材料在最大载荷下 了利用应力寿命(SN)曲线评估构件疲劳寿命的方法。的疲劳寿命,N是已服役状态下疲劳损伤累积的最大当 传统的对于曲轴的疲劳寿命评估多采用速度、加速度、应变量寿命 等方法进行检测,虽然在一定程度上可检测曲轴疲劳失 Zhang提出了多种基于有限元的疲劳寿命预测模型, ※国家973计划(2011CB013405);国家杰出青年科学基金(51125023) 刘慎水:男,1990年生,硕士生,研究方向为再制造表面工程Emal:liushenshui990@163.com王海斗:通讯作者,男,1969年 生,博士,研究员,研究方向为再制造表面工程E-mail:wanghaidou@aliyun.com
曲轴剩余疲劳寿命评估方法研究进展! 刘慎水!!董丽虹"!王海斗"!薛 楠#!李国禄! !! 河北工业大学材料科学与工程学院"天津#$$!#$#" 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点 实验室"北京!$$$)"## 中国航空综合技术研究所"北京!$$$"&$ 摘要 针对曲轴长期受到循环载荷作用极易造成疲劳和磨损破坏而导致失效问题研究!从#个方面详细介绍 了当前国内外在曲轴寿命评估技术及手段方面的研究进展!并对各检测方法的缺点与不足进行了总结与归纳!最后 对下一步的研究进行了展望# 关键词 曲轴 剩余寿命 模拟仿真 无损检测 中图分类号!W7!!1+"& 文献标识码!* !"#%!$+!!&%,&-+.//0+!$$12$"#3+"$!1+$!%+$"! $%&%'()*'0<!%C%5,1B%02,.$%B'4040-A'24-6%;4.%+(%<4)24,0,.\('0U&*'.2 K<XVC@0/CE.!"_(67K.C?0:""A*6759.P?E""3XH690#"K<7E?SE! !! VRC??S?OG9N@M.9S/VR.@0R@90PH0:.0@@M.0:"5@L@.X0.Q@M/.NJ?OW@RC0?S?:J"W.90-.0#$$!#$#" 69N.?09SI@JK9L?M9N?MJ O?M]@Z90EO9RNEM.0:"*R9P@ZJ?O*MZ?M@PY?MR@/H0:.0@@M.0:">@.-.0:!$$$)"## BC.09*@M? T?SJ2N@RC0?S?:JH/N9LS./CZ@0N">@.-.0:!$$$"&$ 78&2(')2 _E@N?NC@D9/N@?ORM90`/C9ONR?M@C./N?MJ/@MQ.0:P.OO@M@0NS@9PN?NC@P9Z9:@O?MZ@9RC9M@0?N .P@0N.R9S+<N/@SO./R?ZUS@[90P.0P.Q.PE9SP.OO@M@0R@/"0?P?ELN".0RM@9/.0:NC@P.OO.RESNJM@Z9.0.0:S.O@9//@//Z@0N+ WC@REMM@0NP?Z@/N.R90PO?M@.:0.0NC@RM90`/C9ONO9N.:E@S.O@@Q9SE9N.?0Z@NC?P90P/.:09SR?SS@RN.?090P909SJ/./NC@ /C?MNO9SS/9M@/EZZ9M.F@P"NC@9PQ90R@P0?0P@/NMERN.Q@N@/N.0:N@RC0.\E@./9UUS.@PN?NC@RM90`/C9ONM@Z9.0.0:O9N.:E@ S.O@9//@//Z@0N?ONC@UM?:M@//.0M@/@9MRC?O90PUM?/U@RN@P9M@.0NM?PER@P+ =%9>,(<& RM90`/C9ON"M@Z9.0.0:S.O@"/.ZES9N.?0"0?0P@/NMERN.Q@N@/N.0: !国家%)#计划!"$!!B>$!#'$1#"国家杰出青年科学基金!1!!"1$"## 刘慎水$男%!%%$年生%硕士生%研究方向为再制造表面工程 H2Z9.S$S.E/C@0/CE.!%%$!!,#+R?Z 王海斗$通讯作者%男%!%,%年 生%博士%研究员%研究方向为再制造表面工程 H2Z9.S$D90:C9.P?E!9S.JE0+R?Z ! 引言 曲轴在发动机运行过程中"长期受到来自气缸的循环交 变载荷作用"极易发生疲劳与磨损而导致零件失效"严重时 使得发动机报废"造成严重的交通事故"因此对曲轴在服役 工况条件下的剩余寿命评估变得尤为重要(在曲轴的失效 破坏中"疲劳是造成曲轴失效的主要原因"属于不可逆破坏" 其破坏危害程度也较摩擦磨损失效大得多(因此在曲轴失 效研究中"重点考虑疲劳因素对曲轴寿命的影响(裂纹萌生 和扩展是疲劳过程中不断形成的损伤积累的结果"直到最后 断裂(这一损伤累积过程所经历的时间或交变循环载荷作 用的次数"称为.寿命/(而剩余疲劳寿命则是曲轴的全寿命 减去经服役损耗后剩余的服役寿命(对曲轴剩余寿命的预 测评估可把握服役曲轴的疲劳损伤情况"以便提前做好维护 与保养( 疲劳现象是德国工程师 ACgSP@M最早发现的"并且提出 了利用应力2寿命!V26$曲线评估构件疲劳寿命的方法*!+( 传统的对于曲轴的疲劳寿命评估多采用速度'加速度'应变 等方法进行检测*""#+"虽然在一定程度上可检测曲轴疲劳失 效信息"但信号灵敏度较差"无法有效识别出曲轴在疲劳过 程的损伤程度"对后续的失效分析产生不利影响(这就预示 着在现有的曲轴寿命评估的基础上"还需要更完善缜密的技 术或理论对其损伤过程进行准确评估(研究人员针对此问 题也进行了多方面的探索工作*'+"近年来"随着科学技术的 进步与计算机信息化工程的发展"研究人员开始将多种先进 无损检测技术与计算机仿真手段应用于曲轴的寿命评估中" 并得到了广泛的关注*1b)+(在综合国内外研究基础上"本文 从理论计算'试验分析以及无损检测#个方面对发动机曲轴 在疲劳寿命评估方面的研究进展做了详细总结( " 基于剩余疲劳寿命预测计算理论研究 采用理论计算法进行零部件剩余疲劳寿命预测的基本 思路公式是*&+% 4M@Z9.0.0: %4N?N9S84/@MQ.R@ !!$ 式中%4M@Z9.0.0:为零件的剩余寿命"4N?N9S是材料在最大载荷下 的疲劳寿命"4/@MQ.R@是已服役状态下疲劳损伤累积的最大当 量寿命( 4C90:*%+提出了多种基于有限元的疲劳寿命预测模型" )!!,) 材料导报 *'综述篇 "$!1年!$月%上&第"%卷第!$期
曲轴剩余疲劳寿命评估方法研究进展/刘慎水等 117 其核心理念是不同的损伤模型需要不同的应力应变响应,且式中:ω是第i个循环的耗散能密度,通过临界耗散能密度 利用 Neuber修正法修正单轴应力状态,多轴应力状态则采测量计算对试样疲劳寿命进行预测。 用Kann和 Hoffmann提出的两种修正方法。王青仙通 文献[25]针对传统准静态疲劳分析方法只考虑曲轴在 过对曲轴材料性能分析,应用传统的疲劳寿命预测方法 个工作周期内应力最大值对疲劳寿命影响的不足,提出采 Miner疲劳损伤积累以及损伤力学理论来预测曲轴剩余疲劳用较为广泛的线性 Palmgren-Miner疲劳累积损伤理论与有 寿命,即先计算曲轴在最大疲劳载荷作用下的全寿命,再减限元分析软件结合对曲轴的疲劳寿命进行评估。根据 Miner 去最大疲劳载荷下的使用寿命,两者的差就得到了曲轴的剩假设得出某一循环数n1与试样吸收能量W1的关系为: 余疲劳寿命。但是以上研究工作并未明确提出剩余寿命预 测理论的具体应用范围 1.1基于有限元模拟仿真技术 式中:N为试样破坏前的总循环次数;W为破坏前可吸收的 曲轴的疲劳往往出现应力集中较大的位置,曲轴的几何能量。由此假设曲轴在一个循环周期内所受载荷过程由a1 形状复杂,存在较大的应力集中现象。通过疲劳试验可直观等l个不同应力水平,采用 Basquin疲劳计算法计算出 地分析出曲轴寿命与疲劳失效的模式。但是,疲劳试验却无相对应的疲劳寿命依次为N1,N2…N,随后根据 Palmgren- 法得到曲轴在工作过程中的表面应力分布状态。有限元分 Miner法则,1/N=∑-1/N,可预测出曲轴疲劳寿命 析方法通过建立实体三维几何模型,对曲轴的静态特性与自 在采用 Miner线性疲劳损伤累积理论[2-计算曲轴轴 由模态进行分析运用多体动力学仿真技术,综合考虑弯扭颈表面应力时,何芝仙等叫通过分析计算,得出其危险截 耦合作用下曲轴的疲劳特性,得到实时、实地的应力,修正面位于第2连杆轴颈的左截面上,并绘出危险点应力o在 了以往模拟计算将曲轴所受最大弯曲应力和最大扭转应力一个工作循环内的变化曲线,如图1所示;并得出计入轴瓦 同时发生的假设,并对曲轴的疲劳寿命进行估算,在较大程变形与不计入轴瓦变形条件下的安全系数和使用寿命之间 度上弥补了疲劳试验法的不足,为曲轴结构的优化设计与性的关系曲线,从图2可以明显看出,在同一安全系数下计入 能评估提供了有价值的理论依据 由于曲轴形状以及在实际工况下受力较为复杂,在模拟 轴瓦条件明显比不计入轴瓦条件下预测的疲劳寿命短。 曲轴实际工况下寿命预测分析时,需要充分考虑曲轴工作的 刚性轴瓦 实际情况,对模型及边界条件进行设定,增加了曲轴疲劳寿 弹性轴瓦 =140 命预测的难度。何芝仙1对计入曲轴主轴颈倾斜时曲轴 轴承系统动力学摩擦学和弹性力学耦合问题进行了研究,建 弹性曲轴-轴承系统动力学仿真模型,随后探讨了某四缸柴 油机曲轴计入轴瓦(弹性轴瓦)变形的曲轴-轴承系统动力学 和摩擦学分析问题,解释了相比不计入轴瓦(刚性轴瓦)变形 情况,其主轴承轴颈中心振幅增加,最小油膜厚度下降,最大 油膜压力上升问题-。彭禹等[结合有限元以及多体动 力学刚-柔耦合模型分析,充分考虑材料由于自身的弹性所产 图1危险点应力σ随时间变化曲线 生的各类效应,得到零件的工作载荷历程数据。然后通过有hig1 Dangerous point stress ag changing with time curve 限元方法和疲劳分析联合求解,预测部件的多轴疲劳寿命, 并以发动机曲轴部件为例,叙述了设计流程应用的过程 刚性轴瓦 弹性轴瓦 1.2基于疲劳损伤累积计算方法 损伤累积方法研究疲劳失效理论认为材料受到高于疲 劳极限的应力时,每一次循环载荷对材料造成的损伤是可以 累积的,当积累到一定临界值时,就会造成疲劳损伤。曲轴 在外加循环载荷作用下,其材料内部的缺陷数量与分布不断 发生改变,在宏观上即为疲劳损伤的产生与演化[。雷东 等整合前人能量耗散理论,通过A3钢和铝合金LY12CZ 应力循环次数N(x10° 材料进行了一系列的疲劳试验,观察研究其在疲劳过程中的 图2曲轴安全系数随寿命变化曲线 能量耗散现象,利用 Feltner和 Morrow提出的疲劳过程中 Fig. 2 The crankshaft safety coefficient 累积耗散能与循环周次的线性关系与 Kliman等[-2建立 hanging with life curve 的单循环耗散能△W1与疲劳寿命N的关系构建疲劳寿命 守许以四缸发动机曲轴为对象,研究低应力高周疲 预测模型。材料在疲劳过程中,能量不断累积,当循环N周劳寿命时,将 Miner线性损伤法则应用到曲轴疲劳损伤累积 次后失效,可通过式(2)计算临界累计耗散能密度, 计算中,计算出一次循环周期下总的累积损伤情况,并根据 实际的服役时间计算出实际的使用寿命,进而计算出零件的
其核心理念是不同的损伤模型需要不同的应力应变响应"且 利用 6@EL@M修正法修正单轴应力状态"多轴应力状态则采 用 IS900和 5?OOZ900提出的两种修正方法(王青仙*!$+通 过对曲轴材料性能分析"应用传统的疲劳寿命预测方法' G.0@M疲劳损伤积累以及损伤力学理论来预测曲轴剩余疲劳 寿命"即先计算曲轴在最大疲劳载荷作用下的全寿命"再减 去最大疲劳载荷下的使用寿命"两者的差就得到了曲轴的剩 余疲劳寿命(但是以上研究工作并未明确提出剩余寿命预 测理论的具体应用范围( "?" 基于有限元模拟仿真技术 曲轴的疲劳往往出现应力集中较大的位置"曲轴的几何 形状复杂"存在较大的应力集中现象(通过疲劳试验可直观 地分析出曲轴寿命与疲劳失效的模式(但是"疲劳试验却无 法得到曲轴在工作过程中的表面应力分布状态(有限元分 析方法通过建立实体三维几何模型"对曲轴的静态特性与自 由模态进行分析"运用多体动力学仿真技术"综合考虑弯扭 耦合作用下曲轴的疲劳特性"得到实时'实地的应力*!!+"修正 了以往模拟计算将曲轴所受最大弯曲应力和最大扭转应力 同时发生的假设"并对曲轴的疲劳寿命进行估算"在较大程 度上弥补了疲劳试验法的不足"为曲轴结构的优化设计与性 能评估提供了有价值的理论依据( 由于曲轴形状以及在实际工况下受力较为复杂"在模拟 曲轴实际工况下寿命预测分析时"需要充分考虑曲轴工作的 实际情况"对模型及边界条件进行设定"增加了曲轴疲劳寿 命预测的难度(何芝仙*!!"!"+对计入曲轴主轴颈倾斜时曲轴2 轴承系统动力学摩擦学和弹性力学耦合问题进行了研究"建 立弹性曲轴2轴承系统动力学仿真模型"随后探讨了某四缸柴 油机曲轴计入轴瓦!弹性轴瓦$变形的曲轴2轴承系统动力学 和摩擦学分析问题"解释了相比不计入轴瓦!刚性轴瓦$变形 情况"其主轴承轴颈中心振幅增加"最小油膜厚度下降"最大 油膜压力上升问题*!#b!,+(彭禹等*!)+结合有限元以及多体动 力学刚2柔耦合模型分析"充分考虑材料由于自身的弹性所产 生的各类效应"得到零件的工作载荷历程数据(然后通过有 限元方法和疲劳分析联合求解"预测部件的多轴疲劳寿命" 并以发动机曲轴部件为例"叙述了设计流程应用的过程( "?# 基于疲劳损伤累积计算方法 损伤累积方法研究疲劳失效理论认为材料受到高于疲 劳极限的应力时"每一次循环载荷对材料造成的损伤是可以 累积的"当积累到一定临界值时"就会造成疲劳损伤(曲轴 在外加循环载荷作用下"其材料内部的缺陷数量与分布不断 发生改变"在宏观上即为疲劳损伤的产生与演化*!&+(雷东 等*!%+整合前人能量耗散理论"通过 *#钢和铝合金 K8!"B4 材料进行了一系列的疲劳试验"观察研究其在疲劳过程中的 能量耗散现象"利用Y@SN0@M和 G?MM?D*"$+提出的疲劳过程中 累积耗散能与循环周次的线性关系与 IS.Z90等*"!b"'+建立 的单循环耗散能/BO 与疲劳寿命4O 的关系"构建疲劳寿命 预测模型(材料在疲劳过程中"能量不断累积"当循环 4 周 次后失效"可通过式!"$计算临界累计耗散能密度( BP % 34 <%! +!<$ P !"$ 式中%+!<$ P 是第<个循环的耗散能密度"通过临界耗散能密度 测量计算对试样疲劳寿命进行预测( 文献*"1+针对传统准静态疲劳分析方法只考虑曲轴在 一个工作周期内应力最大值对疲劳寿命影响的不足"提出采 用较为广泛的线性T9SZ:M@02G.0@M疲劳累积损伤理论与有 限元分析软件结合对曲轴的疲劳寿命进行评估(根据 G.0@M 假设得出某一循环数"! 与试样吸收能量B! 的关系为% B! B %"! 4 !#$ 式中%4 为试样破坏前的总循环次数#B 为破坏前可吸收的 能量(由此假设曲轴在一个循环周期内所受载荷过程由(!" ("2(C 等C个不同应力水平"采用>9/\E.0疲劳计算法计算出 相对应的疲劳寿命依次为 4!"4"24C"随后根据T9SZ:M@02 G.0@M法则"!&4 % 3C <%! !&4< "可预测出曲轴疲劳寿命( 在采用 G.0@M线性疲劳损伤累积理论*",b"&+计算曲轴轴 颈表面应力时"何芝仙等*!!"!"+通过分析计算"得出其危险截 面位于第"连杆轴颈的左截面上"并绘出危险点应力(@\#在 一个工作循环内的变化曲线"如图!所示#并得出计入轴瓦 变形与不计入轴瓦变形条件下的安全系数和使用寿命之间 的关系曲线"从图"可以明显看出"在同一安全系数下计入 轴瓦条件明显比不计入轴瓦条件下预测的疲劳寿命短( 图@ 危险点应力"%`M随时间变化曲线 A4-?@ !'0-%(,6&1,402&2(%&&"%`M)*'0-40->42*24B%)6(C% 图D 曲轴安全系数随寿命变化曲线 A4-?D /*%)('0U&*'.2&'.%29),%..4)4%02 )*'0-40->42*54.%)6(C% 宋守许*"%+以四缸发动机曲轴为对象"研究低应力高周疲 劳寿命时"将 G.0@M线性损伤法则应用到曲轴疲劳损伤累积 计算中"计算出一次循环周期下总的累积损伤情况"并根据 实际的服役时间计算出实际的使用寿命"进而计算出零件的 曲轴剩余疲劳寿命评估方法研究进展$刘慎水等 )!!))
材料导报A:综述篇2015年10月(上)第29卷第10期 剩余寿命,最终实现了基于裂纹萌生的剩余寿命预测。随后结构参数差别很大,因此各种寿命预测方法都有特定的适用 张莉等ω利用有限元法和疲劳损伤累积理论建立了一种幂范围。尤其各研究者所加的载荷、支承状况、处理方法等都 指数形式的损伤演化方程,用以估算疲劳寿命。王旭亮等不尽相同,结果就颇不一致。 则在修正 Miner线性损伤法则方面,提出应用模糊数学方 法,可使疲劳寿命的预测误差由原来的63%减小到14.7%。 基于疲劳寿命分析试验技术的研究 朱永梅则考虑了应力的先后次序对疲劳的影响,引入了 运用试验的手段对曲轴进行疲劳寿命评估,即模拟实际 Certon-Dolan非线性疲劳累积损伤理论对线性 Miner进行工况条件来对零件进行试验研究,是比较直接可靠的一种方 修正,模拟得出曲轴在不同载荷下其工作部位应力应变随时法。曲轴疲劳强度的试验研究可分为光弹性试验、动/静态 间变化趋势,更有效地预测曲轴的疲劳寿命 电测试验法和曲轴本体动态疲劳试验法[。 1.3基于数学模型疲劳分析方法 光弹性试验法通常采用环氧树脂在蜡模中浇铸制作 在构建寿命预测公式时,需要分析大量疲劳试验数据得岀实际曲轴形状成比例的曲轴模型后,按照实际的工况条件 到其解析解。而 Weibu!分布是目前应用较为广泛的一种数对该模型进行加载,随后将承载的模型置于偏振光场中,由 据处理方法,具有覆盖面广、实用性强的特点,D.Shan在于不同应力状态产生的条纹不同,利用这些条纹并运用相似 对疲劳数据处理研究中,得出疲劳数据服从 Weibul!分布。原理,可由模型的应力换算出实际曲轴构件中的应力。动/ 目前 Weibul分布常用于分析表达疲劳的强度及寿命分静态电测试验法[可在曲轴本体上进行,能反映出实体曲轴 的真实应力状态。但是受应变片结构的制约,动/静态电测 DorHyun Jung等[基于 Weibull概率分布理论分析,试验法只能研究曲轴本体上若干离散点的应力状态 建立曲轴形状参数与尺度参数模型函数。他们根据 Weibu 光测弹性力学法和动/静态电测试验法可以全面地研究 概率分布函数得出曲轴疲劳失效概率与循环时间的关系,通曲轴应力的分布情况。但是以上两种方法仅适用于曲轴静 过拟合得出不同载荷条件下曲轴在各时间点对应的疲劳失强度的研究,而曲轴本体动态疲劳试验法可以对曲轴在实际 效概率分布曲线。由PN寿命曲线可以较准确地预测曲轴受力、支撑和润滑条件下的强度作出准确评价,是目前研究 在给定载荷条件下其不同循环时间点(如B10寿命、MTTF曲轴疲劳强度最为可靠而实用的技术途径,常用的疲劳试验 等)对应的疲劳失效概率。 Zhigang tian根据广义 Weibull法可分整车疲劳试验法、零部件疲劳试验法。由于整车疲 概率分布理论,在提高产品疲劳寿命评估精确性的前提下,劳试验法费用较高,一般多用于少量抽样检测,因此目前曲 通过改良WuSJ的神经网络研究理论,提出了一种新型轴疲劳试验技术法还主要以模拟疲劳试验法为主。 人工神经网络剩余寿命评估检测系统。该检测网络通过监 模拟疲劳试验法通常在专用的试验设备上进行,通过理 测早期阶段与复合条件下的状态,收集并分析大量实验数论分析与试验结果表明,弯曲疲劳与扭转破坏是发动机曲轴 据,作为基准来预测产品的寿命状况,从而提前对产品进行失效破坏的主要形式,因此通常采用弯曲和扭转疲劳试验来 保养与维修,使之达到最佳状态,避免因曲轴疲劳失效而引评估曲轴的疲劳寿命。常用的曲轴模拟疲劳试验法分别有 起的灾难事故,但却需要进行大量试验得出数据并进行归纳东风汽车有限公司的QC/T637-2000《汽车发动机曲轴弯曲 总结,得出规律。陈晓平等则针对传统成组试验数较多,疲劳试验方法》、德国FEV内燃机测试标准和奥地利李斯特 成本较高等情况,提出了利用极大似然法测定曲轴的弯曲疲(AV)内燃机测试标准:。 劳性能PSN曲线。虽然此方法有一定的误差,但属于偏安弯曲疲劳试验是目前国内外应用较为广泛的曲轴寿命 全的设计曲线 评估方法。据统计分析结果显示,曲轴的疲劳破坏80%左右 周迅[详细论述并对比了几种分布函数形式与参数是由弯曲疲劳引起的。因此,曲轴弯曲疲劳评估变得尤为 评估方法在曲轴失效处理方面的应用;以曲轴弯曲疲劳试验重要。2004年,俞小莉[开发的新一代智能型曲轴弯曲疲 的实测数据为例,进行了正态分布等多种形式的数据统计回劳试验系统,解决了国内曲轴弯曲疲劳试验存在的精度差与 归分析,并对比分析数据统计结果,得出三参数威布尔分布效率低等问题。试验机一般采用了加速度传感器检测曲轴 较正态分布和对数正态分布更贴合实际的累积失效概率。疲劳过程中的裂纹的萌生与扩展[3。周迅等[针对曲轴 随后他们应用蒙特卡罗实质分析方法对试件实际工作可靠裂纹扩展过程其系统频率下降特性,首先应用扫频法对曲轴 性进行分析,获得了更高的预测精度 疲劳试验过程中谐振台架的振动进行了测录,通过分析pN 综合以上研究结果可知,模拟仿真方法是通过实际工况和a-N两曲线图,进而得出试件裂纹动态扩展的αN曲线」 参数模拟得出曲轴表面层或内部的应力状态,对疲劳试验法最终得到裂纹的扩展速率曲线da/dN-△K。他们采用基于 中导致曲轴疲劳失效的部分影响因素进行探究。虽然各研复杂系统隐含模式发现的异常检测算法(ε机)对这一监测信 究者开展了大量的有关发动机曲轴剩余寿命预测工作,但是号进行分析,计算了其在各个时间段中的异常度曲线;并与 所运用的理论和计算方法与新品基本相同,即无限寿命理论实测的疲劳裂纹扩展速率曲线相对比,初步探究了ε机在曲 基于应力/应变的疲劳寿命预测方法(SN曲线和eN曲线)轴疲劳裂纹扩展方面的跨区段形态预测性识别能力。 和累积疲劳损伤理论损伤(Mner线性理论),裂纹扩展寿命 随着汽车和发动机行业的发展、发动机转速及气缸内爆 采用断裂力学理论进行分析。但是各研究者所研究的曲轴发压力的提高,曲轴受到的扭转载荷与激振力随之也越来越
剩余寿命"最终实现了基于裂纹萌生的剩余寿命预测(随后 张莉等*#$+利用有限元法和疲劳损伤累积理论建立了一种幂 指数形式的损伤演化方程"用以估算疲劳寿命(王旭亮等*#!+ 则在修正 G.0@M线性损伤法则方面"提出应用模糊数学方 法"可使疲劳寿命的预测误差由原来的,#e减小到!'+)e( 朱永梅*&+则考虑了应力的先后次序对疲劳的影响"引入了 B@MN?02_?S90非线性疲劳累积损伤理论对线性 G.0@M进行 修正"模拟得出曲轴在不同载荷下其工作部位应力应变随时 间变化趋势"更有效地预测曲轴的疲劳寿命( "?$ 基于数学模型疲劳分析方法 在构建寿命预测公式时"需要分析大量疲劳试验数据得 到其解析解(而 A@.LESS分布是目前应用较为广泛的一种数 据处理方法"具有覆盖面广'实用性强的特点"_+VC90*#"+在 对疲劳数据处理研究中"得出疲劳数据服从 A@.LESS分布( 目前 A@.LESS分布常用于分析表达疲劳的强度及寿命分 布*##"#'+( _?25JE0=E0:等*#1+基于 A@.LESS概率分布理论分析" 建立曲轴形状参数与尺度参数模型函数(他们根据 A@.LESS 概率分布函数得出曲轴疲劳失效概率与循环时间的关系"通 过拟合得出不同载荷条件下曲轴在各时间点对应的疲劳失 效概率分布曲线(由$D4 寿命曲线可以较准确地预测曲轴 在给定载荷条件下其不同循环时间点!如 >!$寿命'GWWY 等$对应的疲劳失效概率(4C.:90:W.90*#,+根据广义 A@.LESS 概率分布理论"在提高产品疲劳寿命评估精确性的前提下" 通过改良 AEV=*#)+的神经网络研究理论"提出了一种新型 人工神经网络剩余寿命评估检测系统(该检测网络通过监 测早期阶段与复合条件下的状态"收集并分析大量实验数 据"作为基准来预测产品的寿命状况"从而提前对产品进行 保养与维修"使之达到最佳状态"避免因曲轴疲劳失效而引 起的灾难事故"但却需要进行大量试验得出数据并进行归纳 总结"得出规律(陈晓平等*#&+则针对传统成组试验数较多" 成本较高等情况"提出了利用极大似然法测定曲轴的弯曲疲 劳性能$D=D4 曲线(虽然此方法有一定的误差"但属于偏安 全的设计曲线( 周迅*#%"'$+详细论述并对比了几种分布函数形式与参数 评估方法在曲轴失效处理方面的应用#以曲轴弯曲疲劳试验 的实测数据为例"进行了正态分布等多种形式的数据统计回 归分析"并对比分析数据统计结果"得出三参数威布尔分布 较正态分布和对数正态分布更贴合实际的累积失效概率( 随后他们应用蒙特卡罗实质分析方法对试件实际工作可靠 性进行分析"获得了更高的预测精度( 综合以上研究结果可知"模拟仿真方法是通过实际工况 参数模拟得出曲轴表面层或内部的应力状态"对疲劳试验法 中导致曲轴疲劳失效的部分影响因素进行探究(虽然各研 究者开展了大量的有关发动机曲轴剩余寿命预测工作"但是 所运用的理论和计算方法与新品基本相同"即无限寿命理论 基于应力&应变的疲劳寿命预测方法!=D4 曲线和*D4 曲线$ 和累积疲劳损伤理论损伤!G.0@M线性理论$"裂纹扩展寿命 采用断裂力学理论进行分析(但是各研究者所研究的曲轴 结构参数差别很大"因此各种寿命预测方法都有特定的适用 范围(尤其各研究者所加的载荷'支承状况'处理方法等都 不尽相同"结果就颇不一致( # 基于疲劳寿命分析试验技术的研究 运用试验的手段对曲轴进行疲劳寿命评估"即模拟实际 工况条件来对零件进行试验研究"是比较直接可靠的一种方 法(曲轴疲劳强度的试验研究可分为光弹性试验'动&静态 电测试验法和曲轴本体动态疲劳试验法*##+( 光弹性试验法*'!+通常采用环氧树脂在蜡模中浇铸制作 出实际曲轴形状成比例的曲轴模型后"按照实际的工况条件 对该模型进行加载"随后将承载的模型置于偏振光场中"由 于不同应力状态产生的条纹不同"利用这些条纹并运用相似 原理"可由模型的应力换算出实际曲轴构件中的应力(动& 静态电测试验法*'"+可在曲轴本体上进行"能反映出实体曲轴 的真实应力状态(但是受应变片结构的制约"动&静态电测 试验法只能研究曲轴本体上若干离散点的应力状态( 光测弹性力学法和动&静态电测试验法可以全面地研究 曲轴应力的分布情况(但是以上两种方法仅适用于曲轴静 强度的研究"而曲轴本体动态疲劳试验法可以对曲轴在实际 受力'支撑和润滑条件下的强度作出准确评价"是目前研究 曲轴疲劳强度最为可靠而实用的技术途径"常用的疲劳试验 法可分整车疲劳试验法'零部件疲劳试验法*'#+(由于整车疲 劳试验法费用较高"一般多用于少量抽样检测"因此目前曲 轴疲劳试验技术法还主要以模拟疲劳试验法为主( 模拟疲劳试验法通常在专用的试验设备上进行"通过理 论分析与试验结果表明"弯曲疲劳与扭转破坏是发动机曲轴 失效破坏的主要形式"因此通常采用弯曲和扭转疲劳试验来 评估曲轴的疲劳寿命(常用的曲轴模拟疲劳试验法分别有 东风汽车有限公司的 ;B&W,#)2"$$$,汽车发动机曲轴弯曲 疲劳试验方法-'德国YHf内燃机测试标准和奥地利李斯特 !*fK$内燃机测试标准*''"'1+( 弯曲疲劳试验是目前国内外应用较为广泛的曲轴寿命 评估方法(据统计分析结果显示"曲轴的疲劳破坏&$e左右 是由弯曲疲劳引起的*',+(因此"曲轴弯曲疲劳评估变得尤为 重要("$$'年"俞小莉*')+开发的新一代智能型曲轴弯曲疲 劳试验系统"解决了国内曲轴弯曲疲劳试验存在的精度差与 效率低等问题(试验机一般采用了加速度传感器检测曲轴 疲劳过程中的裂纹的萌生与扩展*""#+(周迅等*'&"'%+针对曲轴 裂纹扩展过程其系统频率下降特性"首先应用扫频法对曲轴 疲劳试验过程中谐振台架的振动进行了测录"通过分析ED4 和,D4 两曲线图"进而得出试件裂纹动态扩展的,D4 曲线" 最终得到裂纹的扩展速率曲线P,&P42/F(他们采用基于 复杂系统隐含模式发现的异常检测算法!,机$对这一监测信 号进行分析"计算了其在各个时间段中的异常度曲线#并与 实测的疲劳裂纹扩展速率曲线相对比"初步探究了,机在曲 轴疲劳裂纹扩展方面的跨区段形态预测性识别能力*1$+( 随着汽车和发动机行业的发展'发动机转速及气缸内爆 发压力的提高"曲轴受到的扭转载荷与激振力随之也越来越 )!!&) 材料导报 *'综述篇 "$!1年!$月%上&第"%卷第!$期
曲轴剩余疲劳寿命评估方法研究进展/刘慎水等 119 大,导致曲轴扭转破坏的案例逐渐增多,使扭转疲劳成为 (1)金属磁记忆检测方法 个不可忽视的因素[3,尤其是多缸发动机曲轴。但目前各 金属磁记忆技术(MMMT)是在漏磁技术基础上发展起 主机厂和曲轴生产厂对扭转疲劳试验工作开展得还不多。来的一种金属构件早期诊断方法。磁记忆信号不仅对应力 孙海涛利用电动谐振式曲轴扭转疲劳试验装置在对变化较为敏感,而且可以检测宏观裂纹的变化,因此通常被 国外一款新型发动机曲轴进行扭转疲劳试验时发现非正常用来对应力集中部位进行诊断和评估。董丽虹在金属磁 裂纹,进行分析得出该曲轴扭转疲劳强度达不到设计要求,记忆技术应用到再制造毛坯寿命预测方面作了初步的探索。 并提出了解决办法。舒歌群等研究了高速柴油机轴系的他们在对疲劳试验件进行高温热处理,使试验件具有异常纯 扭转-纵向耦合振动的机理和计算方法,并与实际新设计的净的初始磁信号的情况下,对试验件进行拉拉疲劳试验。通 纵/弯/扭三维振动测量仪对某直列六缸柴油机曲轴自由端过观察磁曲线斜率K与疲劳循环周次数N的关系曲线,得 的纵振测量值相比较,结果较为吻合,证明了该方法应用的出磁信号表征疲劳裂纹萌生寿命的公式: 可行性。李玩幽等:提出了一种开闭型柴油机曲轴裂纹 的刚度变化模型,利用柴油机轴系扭转振动信号的峭度和谐式中:系数a、b是由载荷控制的参量。这一研究证实了金属 次分析来诊断曲轴的裂纹;并验证了其方法的可行性。但由磁记忆技术应用于曲轴寿命评估的可行性。李寒林等将 于曲轴出现裂纹早期阶段,刚度变化不明显,较难进行诊断。金属磁记忆设备应用于船舶柴油机曲轴裂纹的诊断,提出应 3基于无损检测技术的曲轴寿命评估 用磁记忆结合扭振信号对曲轴裂纹进行在线诊断的方案。 王翔[在对退役曲轴毛坯剩余寿命评估时,采用了基于涡流 随着科技的进步,曲轴寿命评估系统不断完善。研究人和金属磁记忆综合检测方法,在此基础上开发了一种偏心卡 员发现应用疲劳损伤累积和有限元模拟方法对曲轴前期损盘装置,从而实现主轴颈与连杆轴颈的同时检测,并对S95 伤评估存在较大误差,曲轴由于服役历史原因本身存在大量单缸柴油机曲轴进行检测,验证了装置的可行性。随后董丽 缺陷与微裂纹,其剩余寿命虽然可以利用某些经验公式或有虹将MMMT技术应用于再制造毛坯寿命评估方面,主要 限元、光弹等方法进行估算,但要准确地做出评价还十分困对曲轴R角应力集中部位采集疲劳损伤过程中的电磁损伤 难。运用试验结合无损检测技术对曲轴进行疲劳寿命评估信息进行监测,对比分析了新品曲轴与废旧曲轴疲劳试验过 是比较直接可靠的一种方法,而且国内外研究学者也做了程中磁信号的变化曲线(见图3)。从图3可以明显看出,采 大量的探索研究[,, 集到的废旧曲轴信号较新品曲轴有较大差异。他们通过大 由于加速度传感器对裂纹敏感度较低,只有当裂纹发生量数据模拟分析得出废旧曲轴在各工作状态的信号特征;建 显著变化时才能预警。针对曲轴裂纹萌生扩展过程的复杂立神经网络评估模型,研发曲轴早期疲劳损伤的评估设备 性与试验机传感器敏感度低的问题,国内外学者做了深入探 由于磁记忆对应力、缺陷和裂纹等具有较强的灵敏度 究。无损检测作为一种更有效的检测技术逐渐受到人们的因此磁记忆无损检测技术被广泛的应用于工程在役检测方 广泛关注。该技术能够真实反映曲轴疲劳裂纹的位置和大面。该技术还存在诸多问题:首先磁记忆技术起步较晚, 小,是曲轴制造服役阶段质量控制的重要手段。现代无损检前虽然取得了一定的成果,但对磁记忆现象的微观机理还得 测技术还囊括了计算机数据和搜集、处理,图片的识别与合不到较深入的理解;其次磁记忆信号容易受外界电磁信号干 成以及自动化检测功能。目前应用于曲轴寿命评估的无扰,而导致结果偏差。因此需要对试件进行退磁处理,这为 损检测技术手段主要有金属磁记忆检测ω、涡流检测、磁废旧毛坯的前期处理带来困难。磁记忆无损检测对裂纹与 粉探伤、光纤传感等 应力变化都较为敏感,故试验信号分析起来较为复杂 界 三 三 (b)表面状态较好的退役曲轴 (c)表面严重磨损的退役曲轴 图3不同曲轴的磁记忆检测信号 Fig 3 Magnetic signals from different crankshaft (2)涡流检测方法 流(振幅、相位等)的变化,来对物件进行探伤或物理特性判 涡流技术是通过测量导电物体在交变磁场中的感应 断的一种无损检测方法。涡流检测对导电材料表面和近表
大"导致曲轴扭转破坏的案例逐渐增多"使扭转疲劳成为一 个不可忽视的因素*1!"1"+"尤其是多缸发动机曲轴(但目前各 主机厂和曲轴生产厂对扭转疲劳试验工作开展得还不多( 孙海涛*1#+利用电动谐振式曲轴扭转疲劳试验装置在对 国外一款新型发动机曲轴进行扭转疲劳试验时发现非正常 裂纹"进行分析得出该曲轴扭转疲劳强度达不到设计要求" 并提出了解决办法(舒歌群等*1'+研究了高速柴油机轴系的 扭转2纵向耦合振动的机理和计算方法"并与实际新设计的 纵&弯&扭三维振动测量仪对某直列六缸柴油机曲轴自由端 的纵振测量值相比较"结果较为吻合"证明了该方法应用的 可行性(李玩幽等*11"1,+提出了一种开闭型柴油机曲轴裂纹 的刚度变化模型"利用柴油机轴系扭转振动信号的峭度和谐 次分析来诊断曲轴的裂纹#并验证了其方法的可行性(但由 于曲轴出现裂纹早期阶段"刚度变化不明显"较难进行诊断( $ 基于无损检测技术的曲轴寿命评估 随着科技的进步"曲轴寿命评估系统不断完善(研究人 员发现应用疲劳损伤累积和有限元模拟方法对曲轴前期损 伤评估存在较大误差"曲轴由于服役历史原因本身存在大量 缺陷与微裂纹"其剩余寿命虽然可以利用某些经验公式或有 限元'光弹等方法进行估算"但要准确地做出评价还十分困 难(运用试验结合无损检测技术对曲轴进行疲劳寿命评估 是比较直接可靠的一种方法*1)+"而且国内外研究学者也做了 大量的探索研究*1&"1%+( 由于加速度传感器对裂纹敏感度较低"只有当裂纹发生 显著变化时才能预警(针对曲轴裂纹萌生扩展过程的复杂 性与试验机传感器敏感度低的问题"国内外学者做了深入探 究(无损检测作为一种更有效的检测技术逐渐受到人们的 广泛关注(该技术能够真实反映曲轴疲劳裂纹的位置和大 小"是曲轴制造服役阶段质量控制的重要手段(现代无损检 测技术还囊括了计算机数据和搜集'处理"图片的识别与合 成以及自动化检测功能*,$+(目前应用于曲轴寿命评估的无 损检测技术手段主要有金属磁记忆检测*,!+'涡流检测*,"+'磁 粉探伤'光纤传感等( !!$金属磁记忆检测方法 金属磁记忆技术!GGGW$是在漏磁技术基础上发展起 来的一种金属构件早期诊断方法(磁记忆信号不仅对应力 变化较为敏感"而且可以检测宏观裂纹的变化"因此通常被 用来对应力集中部位进行诊断和评估(董丽虹*1+在金属磁 记忆技术应用到再制造毛坯寿命预测方面作了初步的探索( 他们在对疲劳试验件进行高温热处理"使试验件具有异常纯 净的初始磁信号的情况下"对试验件进行拉拉疲劳试验(通 过观察磁曲线斜率F/ 与疲劳循环周次数 4 的关系曲线"得 出磁信号表征疲劳裂纹萌生寿命的公式% F/p,4- !'$ 式中%系数,'-是由载荷控制的参量(这一研究证实了金属 磁记忆技术应用于曲轴寿命评估的可行性(李寒林等*,#+将 金属磁记忆设备应用于船舶柴油机曲轴裂纹的诊断"提出应 用磁记忆结合扭振信号对曲轴裂纹进行在线诊断的方案( 王翔*,'+在对退役曲轴毛坯剩余寿命评估时"采用了基于涡流 和金属磁记忆综合检测方法"在此基础上开发了一种偏心卡 盘装置"从而实现主轴颈与连杆轴颈的同时检测"并对V!%1 单缸柴油机曲轴进行检测"验证了装置的可行性(随后董丽 虹*1+将 GGGW技术应用于再制造毛坯寿命评估方面"主要 对曲轴(角应力集中部位采集疲劳损伤过程中的电磁损伤 信息进行监测"对比分析了新品曲轴与废旧曲轴疲劳试验过 程中磁信号的变化曲线!见图#$(从图#可以明显看出"采 集到的废旧曲轴信号较新品曲轴有较大差异(他们通过大 量数据模拟分析得出废旧曲轴在各工作状态的信号特征#建 立神经网络评估模型"研发曲轴早期疲劳损伤的评估设备( 由于磁记忆对应力'缺陷和裂纹等具有较强的灵敏度" 因此磁记忆无损检测技术被广泛的应用于工程在役检测方 面(该技术还存在诸多问题%首先磁记忆技术起步较晚"目 前虽然取得了一定的成果"但对磁记忆现象的微观机理还得 不到较深入的理解#其次磁记忆信号容易受外界电磁信号干 扰"而导致结果偏差(因此需要对试件进行退磁处理"这为 废旧毛坯的前期处理带来困难(磁记忆无损检测对裂纹与 应力变化都较为敏感"故试验信号分析起来较为复杂( 图M 不同曲轴的磁记忆检测信号 A4-?M 3'-0%24)&4-0'5&.(,B<4..%(%02)('0U&*'.2 !"$涡流检测方法 涡流技术是通过测量导电物体在交变磁场中的感应涡 流!振幅'相位等$的变化"来对物件进行探伤或物理特性判 断的一种无损检测方法(涡流检测对导电材料表面和近表 曲轴剩余疲劳寿命评估方法研究进展$刘慎水等 )!!%)
120 材料导报A:综述篇2015年10月(上)第29卷第10期 面缺陷的检测灵敏度较高且无需耦合,易于实现高速、自动测外,超声相控阵、磁粉探伤、Ⅹ射线衍射、机器视觉等传统 化检测。薛楠砢应用四通道多频涡流信号幅值的变化对曲的无损技术也普遍应用于再制造曲轴寿命评估中。闫晓玲 轴R角裂纹状态进行检测,通过观察得出涡流信号在经过曲等对废旧曲轴缺陷检测时,提出了基于超声相控阵技术的 轴下止点疲劳裂纹区时发生明显变化,并依据四通道信号幅再制造曲轴连杆轴颈内侧过渡圆角处裂纹缺陷的无损检测 值变化和缺陷深度的回归方程反演出裂纹深度。图4为曲方法,并采用 Multi x系列超声相控阵检测系统对旧曲轴连 轴不同位置的四通道信号幅值的变化 杆轴颈内侧过渡圆角处真实疲劳裂纹进行了检测,试验结果 运用多通道涡流检测手段目前可检测得到裂纹的位置表明,采用该工艺方案,可较为便捷准确的对裂纹缺陷进行 及深度,但无法得到裂纹的扩展方向及趋势。 辨识和定位、定量分析。其他无损检测技术应用如表1所 表1几种无损检测方法比较 Table 1 The comparison among several kinds of 4结语 nondestructive testing methods 名称 优点 缺点 综上所述,随着曲轴疲劳实验原理的进一步探究、计算 机信息软件工程的发展与各类无损检测手段的研发,废旧曲 能检测出工件各个方 无法在线监测;只能检 磁粉探伤向的缺陷,方便快捷,测已经形成的缺陷, 轴毛坯的疲劳寿命检测系统研究得到不断的发展并趋于完 法对缺陷形成的位置 善。虽然取得了一些进展,但目前仅实现了半定量分级评 检测精度达到0.1m进行早期诊断 估,仍有部分问题急需解决。具体问题有: 检测表面的残余应力 (1)先进无损检测技术是最直接可靠的曲轴寿命检测方 射线检测状况判断工件是否存 只能测定试件浅表层法,其优点在于保证结构完整性的情况下精密测量损伤程 在缺陷及缺陷的位置 的应力,对试件形状要度,适于成品检验。但运用多无损检测融合技术对发动机曲 求苛刻 轴评估技术目前还处于起步阶段,还没有完善的理论体系, 便于携带;可直观地显 仍需要进行大量试验,深入研究各检测信号与曲轴疲劳失效 渗透检测示缺陷裂纹;不受工件只能检测表面开口的 过程的相关性。 几何形状和缺陷的影 缺陷,对内部缺陷无能 (2)模拟仿真方法是通过实际工况参数模拟得出曲轴表 为力 响 面层或内部的应力状态,对疲劳试验法中导致曲轴疲劳失效 能直观地检测出裂纹 的部分影响因素进行探究,弥补了疲劳试验周期长的不足。 机器视觉表层裂纹状态,分辨率 无法检测裂纹深度扩但由于曲轴在实际工作环境中受载情况复杂,目前对模型 较高:在线检测 展情况;数据量较大界条件与载荷设定和实际工况条件还有一定的差距而且曲 模拟出其扩展动态。 无损检测技术的检测与分析技术,需要进一步加强基础 理论试验,深入了解其信号产生微观机理和传播机理,完善 理论体系,解决检测废旧曲轴毛坯疲劳情况精确性问题。加 强对实际工况下曲轴受载的分析研究,提高有限元模拟边界 载荷条件精度。增加声、光、磁等损伤信息,利用多信息融合 技术对曲轴疲劳寿命进行协同检测评估,实现高精度、高智 能化控制,实现精确测量曲轴疲劳裂纹萌生扩展动态,使曲 轴疲劳剩余寿命预测达到定量化水平 参考文献 1张志强,张国胜,张金兴,等.再制造毛坯和产品疲劳寿命评 估技术研究[]机械强度,2014,36(1):121 2顾平,贾纪德.全自动曲轴弯曲疲劳测试设备的研制[J].华 东船舶工业学院学报,1995,9(4):45 3周迅.曲轴弯曲疲劳试验系统的研究与开发[D].杭州:浙江 图4涡流检测曲轴R角区域信号 大学,2008 ig. 4 The signal of crankshaft R angle area 4张国庆零件剩余疲劳寿命预测方法与产品可再制造性评 esting by eddy current 估研究[D].上海:上海交通大学,2007 (3)其他方法 5董丽虹.曲轴再制造毛坯剩余寿命评估技术研究取得重要 当前研究较多的无损检测技术除金属磁记忆与涡流检 进展[刀.中国表面工程,2013,26(5):126
面缺陷的检测灵敏度较高且无需耦合"易于实现高速'自动 化检测(薛楠*,1+应用四通道多频涡流信号幅值的变化对曲 轴(角裂纹状态进行检测"通过观察得出涡流信号在经过曲 轴下止点疲劳裂纹区时发生明显变化"并依据四通道信号幅 值变化和缺陷深度的回归方程反演出裂纹深度(图'为曲 轴不同位置的四通道信号幅值的变化( 运用多通道涡流检测手段目前可检测得到裂纹的位置 及深度"但无法得到裂纹的扩展方向及趋势( 表@ 几种无损检测方法比较 W9LS@! WC@R?ZU9M./?09Z?0:/@Q@M9S`.0P/?O 0?0P@/NMERN.Q@N@/N.0:Z@NC?P/ 名称 优点 缺点 磁粉探伤 能检测出工件各个方 向的缺陷"方便快捷" 检测精度达到$+!#Z 无法在线监测#只能检 测已经形成的缺陷"无 法对缺陷形成的位置 进行早期诊断 射线检测 检测表面的残余应力 状况#判断工件是否存 在缺陷及缺陷的位置' 大小 只能测定试件浅表层 的应力"对试件形状要 求苛刻 渗透检测 便于携带#可直观地显 示缺陷裂纹#不受工件 几何形状和缺陷的影 响 只能检测表面开口的 缺陷"对内部缺陷无能 为力 机器视觉 能直观地检测出裂纹 表层裂纹状态"分辨率 较高#在线检测 无法检测裂纹深度扩 展情况#数据量较大 图S 涡流检测曲轴#角区域信号 A4-?S /*%&4-0'5,.)('0U&*'.2#'0-5%'(%' 2%&240-89%<<9)6((%02 !#$其他方法 当前研究较多的无损检测技术除金属磁记忆与涡流检 测外"超声相控阵'磁粉探伤'3射线衍射'机器视觉等传统 的无损技术也普遍应用于再制造曲轴寿命评估中(闫晓玲 等*,,+对废旧曲轴缺陷检测时"提出了基于超声相控阵技术的 再制造曲轴连杆轴颈内侧过渡圆角处裂纹缺陷的无损检测 方法"并采用 GESN.3 系列超声相控阵检测系统对旧曲轴连 杆轴颈内侧过渡圆角处真实疲劳裂纹进行了检测"试验结果 表明"采用该工艺方案"可较为便捷准确的对裂纹缺陷进行 辨识和定位'定量分析(其他无损检测技术应用如表!所 示( % 结语 综上所述"随着曲轴疲劳实验原理的进一步探究'计算 机信息软件工程的发展与各类无损检测手段的研发"废旧曲 轴毛坯的疲劳寿命检测系统研究得到不断的发展并趋于完 善(虽然取得了一些进展"但目前仅实现了半定量分级评 估"仍有部分问题急需解决(具体问题有% !!$先进无损检测技术是最直接可靠的曲轴寿命检测方 法"其优点在于保证结构完整性的情况下精密测量损伤程 度"适于成品检验(但运用多无损检测融合技术对发动机曲 轴评估技术目前还处于起步阶段"还没有完善的理论体系" 仍需要进行大量试验"深入研究各检测信号与曲轴疲劳失效 过程的相关性( !"$模拟仿真方法是通过实际工况参数模拟得出曲轴表 面层或内部的应力状态"对疲劳试验法中导致曲轴疲劳失效 的部分影响因素进行探究"弥补了疲劳试验周期长的不足( 但由于曲轴在实际工作环境中受载情况复杂"目前对模型边 界条件与载荷设定和实际工况条件还有一定的差距"而且曲 轴的裂纹扩展特征较为复杂"通过模拟仿真技术还难以准确 模拟出其扩展动态( 无损检测技术的检测与分析技术"需要进一步加强基础 理论试验"深入了解其信号产生微观机理和传播机理"完善 理论体系"解决检测废旧曲轴毛坯疲劳情况精确性问题(加 强对实际工况下曲轴受载的分析研究"提高有限元模拟边界 载荷条件精度(增加声'光'磁等损伤信息"利用多信息融合 技术对曲轴疲劳寿命进行协同检测评估"实现高精度'高智 能化控制"实现精确测量曲轴疲劳裂纹萌生扩展动态"使曲 轴疲劳剩余寿命预测达到定量化水平( 参考文献 ! 张志强"张国胜"张金兴"等+再制造毛坯和产品疲劳寿命评 估技术研究*=++机械强度""$!'"#,!!$%!"! " 顾平"贾纪德+全自动曲轴弯曲疲劳测试设备的研制*=++华 东船舶工业学院学报"!%%1"%!'$%'1 # 周迅+曲轴弯曲疲劳试验系统的研究与开发*_++杭州%浙江 大学""$$& ' 张国庆+零件剩余疲劳寿命预测方法与产品可再制造性评 估研究*_++上海%上海交通大学""$$) 1 董丽虹+曲轴再制造毛坯剩余寿命评估技术研究取得重要 进展*=++中国表面工程""$!#"",!1$%!", )!"$) 材料导报 *'综述篇 "$!1年!$月%上&第"%卷第!$期