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零件剩余疲劳寿命预测方法与产品可再制造性评估研究

张国庆  
【摘要】: 目前,随着经济的飞速发展和人口的迅猛增长,水、土地、能源和矿产资源的缺乏将会越来越严重,迫切需要节约能源和环境保护。这就意味着大力发展循环经济,加速构建节约型社会的显得尤为重要和迫切。 绿色再制造工程是以产品的全生命周期设计和管理为指导,以优质、高效、节能、环保为目标,以先进技术和产业化生产为手段,对废旧产品进行修复和改造等一系列技术措施和工程活动的总称。它是发展循环经济和构建节约型社会的重要途径之一。 产品再制造的可行性和可行度是发展再制造产业首要面临的问题,特别是产品附加值(人力、能源等)高的关键零件是否可以修复而不需要替换。零件失效的主要形式有断裂、磨损、腐蚀和变形,其中,磨损、腐蚀和变形比较直观或者易于检测,只有引起断裂的疲劳寿命不易检测,因此研究再制造产品关键零件剩余疲劳寿命和产品的再制造性对我国再制造产业的发展具有重要的意义。 本文围绕再制造零件(退役零件)剩余疲劳寿命预测及其可再制造性两个方面,以再制造汽车发动机曲轴为例进行剩余疲劳寿命预测;以汽车发动机为例进行产品可再制造性评估。主要包括以下工作: 1、研究了再制造零件剩余疲劳寿命评估方法,即先利用基于有限元的疲劳寿命预测模型,预测零件在最大载荷下的疲劳寿命,再减去利用已知的服役疲劳损伤积累得到最大载荷下的当量寿命,即可得到再制造零件的剩余疲劳寿命。 2、对曲轴进行了动态仿真,该模型不仅考虑了曲轴上作用的弯矩、扭矩及支承的弹性,而且还考虑了多缸连续点火时的相互影响。 3、建立了考虑弹性支撑及相邻曲拐相互影响的曲轴有限元模型,将发动机一个工作循环中的一次点火作为一个工况,每个工况的约束载荷由动力学计算获得,一共六个工况,六组载荷,先后施加到曲轴有限元模型的节点上,求解得出多工况下的曲轴应力分布规律。 4、对曲轴材料48MnV及其具有3Cr13电弧喷涂涂层疲劳行为进行了研究,根据试验结果提出了一个电弧喷涂修复再制造后寿命预测修正系数。 5、分别利用单轴损伤模型S-N法和多轴损伤模型正应变法、SWT– Bannantine、剪应变法、Fatemi-Socie法对发动机曲轴再制造前后的寿命进行了估算。 6、检验旧零件再制造其剩余寿命是否足够,最直接和最有效的方法是曲轴实物的疲劳强度试验,这也可以验证理论分析的正确性。先对新曲轴分别进行500、1000和3000小时发动机台架强化试验,然后对强化试验后的曲轴截成单拐,进行单拐疲劳试验,最后对试验结果进行分析。 7、本文发展了产品可再制造性评价的模型,模型包括技术性、环境性和经济性三大模块。技术性模块用来评价产品可再制造在技术上的可行性和可行度。环境性指数或经济性指数只取0和1,代表环境压力度是否适度或再制造在经济上是否可行。可再制造性指数由技术性指数、环境性指数和经济性指数相乘得到。在收集大量数据和试验的基础上,对某型发动机的可再制造性进行系统的研究和评价。 通过以上研究工作,本文得到以下结论: 1、本文提出的再制造零件疲劳寿命预测方法和模型,对于初步判断零件剩余疲劳寿命是否足够维持下一个生命周期具有示范意义。 2、曲轴主轴颈与轴承座之间是刚性支承和弹性支撑时的仿真结果表明支承条件不同,计算结果会有较大差异,弹性支撑更符合实际。 3、有限元计算结果表明发动机工作过程中曲轴第3拐连杆颈上油孔附近应力集中最大,其维氏应力最大值为208Mp。只有单拐模型计算的结果的1/2。这是由于曲轴约束载荷计算比较准确,且考虑相邻缸点火的影响导致应力计算值降低。 4、基体材料为48MnV具有3Cr13电弧喷涂层的材料在轴向载荷下的疲劳性能有相当程度的降低。涂层越厚,疲劳性能越差,疲劳极限越低。涂层厚度为0.1mm,0.2mm和0.3mm的试样,疲劳极限分别降低了9%,11.8%和14%。疲劳性能降低的主要原因是涂层的结合强度较低,以及喷砂时残留的铝氧化物引起疲劳裂纹萌生。 5、曲轴再制造前后疲劳寿命计算结果以及疲劳试验结果说明传统的计算过于保守,说明再制造发动机时直接利用曲轴、采用“减材料”或“加材料”即电弧喷涂3Cr13,其寿命是可靠的,足以维持下一个生命周期。 6、经500小时冷热冲击可靠性试验后和1000小时和3000小时可靠性循环试验后的试样较少,试验结果可能会有偏差,但是其变化趋势很清楚。极限弯矩和安全系数随曲轴台架强化试验的时间有所减小,即台架试验时间越长,单拐试验得到的极限弯矩和安全系数越小,但变化量很小。因为1000小时曲轴台架强化试验相当于曲轴的一个生命周期,所以本文试验的结果表明,曲轴疲劳寿命最少可以维持三个生命周期,即理论上可以再制造三次以上。这和理论计算的结果相吻合,表明再制造疲劳寿命模型和寿命预测的正确性。 7、本文提出了一种产品可再制造性模型和评价方法,并通过对发动机可再制造性的评价验证了该模型的有效性和实用性。但是该评价模型具有一定的局限性。 (1)它只适合于产品设计具体化以后,即产品的零件数要已知; (2)模型是在目前常用的生产条件下发展的,不适合相差比较大的生产条件。


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