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大型曲轴TR法成形及TR装置结构强度研究

胡锋涛  
【摘要】: 大型曲轴是柴油机的关键部件之一。工作时曲轴的受力状况极其复杂,其制造质量的好坏是影响柴油机性能和可靠性的重要因素。随着近年世界造船、石油、发电、内燃机车的快速发展,对大中型柴油机曲轴质量要求越来越高,大中型全纤维曲轴市场很大。国内目前的状况依然是供不应求,依靠从国外进口大型全纤维曲轴。 曲轴将连杆传来的气体压力转变为扭矩,作为动力而输出做功,它的工作情况极其复杂,主要承受着周期性变化的扭转、弯曲、压缩和拉伸等复杂应力。因此,要求曲轴具有较好的强度和刚度;耐磨耐疲劳,耐冲击;平衡性好;有较高的尺寸、形状、位置精度,较低的表面粗糙度。曲轴要求内部及表面的缺陷尽可能少,纤维分布合理,而这些要求又与材质及加工工艺有密切关系。 目前大型曲轴的锻造工艺主要有自由锻造法和全纤维弯曲镦锻法。全纤维弯曲镦锻工艺大大改善了曲轴疲劳强度,提高了金属利用率和机加工效率,明显优于自由锻造法。曲轴全纤维弯曲镦锻成形技术的RR法和TR法国外已广泛应用,但在工艺上存在一些固有问题待解决。目前国内外RR法曲轴锻造工艺及数值模拟仿真研究已较多,且取得实质性的进展。但是对于TR法进行深入研究的尚少,且大多局限于对成形过程的研究。 本文以南车资阳机车有限公司的3600吨水压机配备的TR装置为例,用解析法从力学和运动学两个方面对TR法装置进行研究,剖析了该装置的特点及运动规律。然后结合生产实践,着重对大型曲轴的法兰、曲拐进行了成形分析,预测成形力、成形效果、成形缺陷,并根据缺陷产生的机理提出一系列避免缺陷的有效措施并进行了分析验证。针对L27/38曲轴锻件折叠缺陷进行了模具关键参数优化,通过对比分析得出合理的参数选取范围。基于6G32曲轴锻件成形分析的结果,对TR装置进行了结构强度分析,得出成形结束时刻应力应变状况,解释模座破坏原因,并提出结构优化建议。 通过本课题的研究,把TR法曲轴成形过程、有限元理论、数值模拟仿真技术及模具CAD技术结合起来,可达到缩短产品开发周期、提高模具寿命、降低成本等目的。本课题的研究成果对TR法曲轴成形的模具关键参数选取、缺陷预防等提供了理论和实践依据,并可直接用于生产指导。


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