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1、机体-主轴承盖接触结构的微动疲劳试件及装夹机构设计毕 业 设 计 开 题 报 告文 献 综 述一、课题研究的背景和意义 近年来，随着发动机高功率密度化的发展，工作过程中，机体-主轴承盖接触面上经常发生微动疲劳问题。微动是发生在两接触表面间的一种振幅极小的相对运动，资料表明，在发动机工作过程中，不适当的螺栓预紧力和主轴承载荷等均有可能导致机体-主轴承盖接触面上产生严重的相对切向滑移，这将会增加接触面上微动疲劳损伤的可能性【1】。 机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种低频、高频，直接、间接，低幅，高幅的振动，接触件间的循环载荷
2、，以致接触面间呈现较小的相对滑动。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。即使我们在设计过程中满足了其设计要求，机体仍然可能在工作过程中发生失效，究其缘由，大多数失效都是由于机体的微动疲劳导致的，微动疲劳俨然成为了机体疲劳失效的一个主要失效形式。 目前，对于构件的微动疲劳问题，国内外专家学者已经进行了大量的研究分析，而且也取得了一系列的成果，但是，前人的研究对象大多数是简单的接触模型，而很少有人对复杂构件的接触面微动疲劳问题进行研究。机体的结构和应力状态都非常复杂，因此其与主轴承盖接触面上的微动疲劳问题也就成为了一个难点，目前，国内外在这方面的研究非常少见。 二、微动疲劳及其危害性 微动是指在机械
3、振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的振幅极小（通常为微米量级）的相对运动。微动可以造成接触表面摩擦磨损，能使裂纹的萌生和扩展加速，会大大降低零件的疲劳寿命。微动损伤是微动条件下机械零件的一种损伤方式，Hoeppner.D.W.将微动损伤定义为：对有一定的法向载荷作用于其上的两个相互接触的表面，若两表面之间存在幅度较小的相对振动运动（一般认为相对振动幅300m），则这两个接触表面上出现的损伤现象就叫做微动损伤。按损伤模式的不同，微动损伤可分为三种基本形式：微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀。 微动磨损，微动疲劳和微动腐蚀这三种基本形式在在微动损伤的发展过程中有可能同时发生
4、，但作用是不一样的，当某一种形式占主导地位时，微动损伤最终表现为这种形式。因此，三种失效模式是随着微动条件的变化而变化的【2】。 在交变应力或振动作用下，各种压配合或收缩配合构件的主要疲劳破坏形式就是微动疲劳损伤，摩擦磨损、疲劳、腐蚀三种失效形式同时存在于这种疲劳破坏形式当中，而且很大程度上影响了构件的疲劳寿命，严重的还能造成灾难性的事故，研究表明，微动作用通常使材料疲劳极限降低 2050【2】，甚至可能高达 80。微动疲劳现象普遍存在于在各种机械部件当中，它能造成飞机，汽车，船舶，核能、建筑、化工、电信装备、海洋工程、铁路电力、桥梁工程人工植入器官等疲劳失效。因此，微动疲劳被称为“工业癌症”
5、【3】。 三、微动疲劳研究的现状微动疲劳被认为是微动磨损和疲劳的共同作用的过程。微动疲劳过程的影响因素很多，据统计其影响因素多达 50 多个。其中主要的有：微动振幅、接触压力、循环应力、应力比、微动循环数、微动块形状和接触宽度。很多的实验表明，任何一个因素都不是单一的影响，而是存在一定的内在联系。微动振幅：Vingsbo 和 Soderberg 在研究位移幅和剪应力对低碳钢的影响时，引入了微动图，他们把微动分为三个区域：粘着区、部分滑移区和滑移区。研究发现：低碳钢的疲劳寿命在实验初期都会随着微动振幅的增加而下降，到达一定值时，寿命将至最低点，而这个点被认为是滑移区和部分滑移区的分界点。当振幅继
6、续增大，疲劳寿命开始增加，当振幅到达一个特殊值的时候疲劳寿命曲线开始趋于一个稳定值，继续增大振幅，对疲劳寿命已经没有明显的影响。Jin 等研究人员在对钛合金 Ti-6Al-4A 的研究中发现，最小的疲劳寿命发生在振幅为50 60m时，并指出一旦出现滑移，微动磨损在微动损伤过程中就会起到主要的影响作用，导致微动疲劳寿命逐渐上升【4-6】。 1）微动桥-试样微动疲劳国外研究现状 微动疲劳试验和仿真模型有很多种形式，最早用于微动疲劳试验的接触模型主要是桥式微动块-平板试样接触【7】，一直到本世纪初国外学者对方足桥模型的研究都非常多。1998年，Eric H. Jordan等提出了平面-平面方足桥接触
7、表面应力分布的表达式，并通过有限元分析加以验证，结果表明，公式计算结果与有限元分析结果相对误差为4；1999年，Michael R等研究了循环载荷对二维平面-平面接触方足桥表面应力强度因子SIF的影响规律，提出了一种新的疲劳寿命估算方法；2001年A.L.Hutson等以两个相同材料Ti-6Al-4V薄板组成的平面-平面接触方足桥为研究对象，分别采用试验和有限元分析两种手段研究了厚度、循环应力比、摩擦系数对方足桥接触面微动疲劳的影响，结果表明，有限元分析所得应力场和位移场与试验结果有较大差异，且应力场和位移场对摩擦系数非常敏感；2006年，Prithvi Raj Arora等设计了一种实验装置
8、，研究了接触压力和轴向循环载荷对7075-T6铝合金方足桥疲劳寿命的影响，试验表明，当保持轴向载荷不变，接触压力增大时，疲劳寿命减小，当接触压力不变，而轴向载荷增大时，疲劳寿命也明显减小。方足桥模型的最大优点是可以使用标准的疲劳试件，不管试件是处于弯曲还是轴向力作用下。这种简单的装置也有一些不利因素，如桥足的接触状况很难确定，而且每个桥足的滑移状况也是不同的。 圆柱形微动块-平板试样接触也是一种广泛用应于微动疲劳试验和仿真计算的接触模型。1996年，Matthew等研究了圆柱形微动块-平板试样表面微动疲劳裂纹形成的机理，并研究了摩擦系数对其接触面微动疲劳寿命的影响规律，结果表明，摩擦系数增大，
9、疲劳寿命降低；2006年，M.Massingham等研究了圆柱面接触条件下变幅加载对微动疲劳应力分布的影响。此结构的优点是接触应力能通过传统的分析方法得到，且应力分析中的正应力P，切向应力Q等参数均可以较容易的测量和控制【8】。 目前，为了更好的模拟实际的接触模型，研究者们提出了另外一种接触模型，即楔形接触。Ruiz，Papaniknos和Meguid，Conner和Nicholas都使用楔形接触进行了微动疲劳研究【9】。 2）发动机零部件微动疲劳国外研究现状 在发动机零部件微动疲劳研究方面，2004年，David Merrltt基于有限元计算结果，运用Ruiz法则预测了连杆大头孔内微动疲劳裂
10、纹萌生的位置，并通过实验加以验证，结果表明，论文所预测的结果是正确的；Badding，Bruce等运用ABSQUS软件对发动机工作过程中连杆大头与其轴承之间的接触问题进行了分析，并在此基础上提出了一种预测连杆大头与大头轴瓦接触面上微动疲劳寿命的方法【10】；2007年，Kim，Tae-Gyu等研究了微动磨损对汽车发动机连杆材料SMA40疲劳极限的影响，经研究表明，在微动作用下，SMA40疲劳极限由437MPa减小至350MPa，约下降了20【11】；2010年，韩国的Jung Ho Son等分析了某船用柴油机连杆微动疲劳失效现象，在分析过程中，采用多体柔性动力学模拟了发动机一个工作循环过程中连
11、杆的实受力情况，通过分析连杆大头盖与螺栓接触面上的相对滑移、切向应力、剪切应力，运用Ruiz法则预测了连杆大头盖上微动疲劳发生的可能性以及发生的位置，并与工作20000小时后的柴油机连杆进行对比，验证了分析的正确性；2011年，韩国Hongik University的Sangwoo Cha等对发动机机体-主轴承盖接触面上的微动疲劳现象进行了分析研究，在分析过程中，运用ABSQUS软件对发动机的两个工作循环过程做了瞬态计算分析，在计算结果的基础之上，分别通过计算临界面疲劳参数SWT（Smith，Watson与Topper）和FS（Fatemi与Socie）的最大值，预测了机体-主轴承盖接触面微动
12、疲劳裂纹萌生的位置，并与试验结果进行对照，结果表明，FS参数预测所得疲劳裂纹萌生位置与实际结果有着良好的一致性，然后结合FS参数研究了发动机转速、轴瓦装配过盈量、螺栓预紧力以及平衡轴系统对机体-主轴承盖接触面微动疲劳发生概率的影响规律，预测了机体横隔板上微动疲劳裂纹萌生的位置，并与实验结果对照，两者取得了良好的一致性。 微动疲劳国内研究现状 国内微动摩擦学的研究起步较晚，20世纪70年代，国内才开始出现微动一词，真正的研究直到80年代才开始，但也缺乏系统深入的研究。目前，国内微动疲劳研究走在最前沿的主要是西南交通大学的周仲荣教授等。 微动疲劳国内研究现状。 1）微动桥-试样微动疲劳国内研究现状
13、 在方足桥-试样微动疲劳研究方面，国内有不少的学者作了大量的研究。1993年，西安石油学院的高护生等研究了接触压力对微动疲劳强度的影响，结果表明，接触压力增大，微动疲劳极限下降，当下降到一定程度时不再变化【12】；1996年，朱如鹏等以桥式试件和榫联接试件为研究对象，在高低周复合载荷作用下进行了微动疲劳试验，提出了将微动疲劳中的力学参数分为应力状态参数和微动摩擦参数两类的新设想，并建立了构件在受高低周复合载荷和受微动作用时的微动疲劳寿命预测公式；2003年，西南交通大学的赵华、周仲荣等应用有限元方法，分析了圆柱/平面接触区域内的应力分布【13】；2006年，西北工业大学的刘军、刘道新等应用AN
14、SYS软件研究了方足桥-试样表面上的应力分布状态，以及名义接触压力、循环载荷、摩擦因数等影响因素对接触面接触状态和接触应力分布的影响规律，成功预测了微动疲劳裂纹萌生的位置，研究了磨损程度对微动区接触状态和接触应力的影响，提出了基于断裂力学基础的微动疲劳裂纹扩展寿命估算方法【14】；2007年，浙江工业大学的周文等研究了摩擦系数对微动疲劳的影响规律【15】；2009年，空军工程大学的李启鹏等运用ANSYS软件分析了平面/平面接触的微动疲劳，考察了微动疲劳受刚度系数、材料特性等的影响【16】；同年，河南理工大学的孙明俊等提出了在进行有限元分析时，接触区域微动接触状态的判定方法【17】；2010年，
15、西南交通大学的沈火明、刘娟等主要分析了径向微动磨损过程中的力学行为和损伤机理，通过数值模拟，得到了微动疲劳受材料副、摩擦系数的影响规律【18】；同年，海军航空工程学院的杨茂胜等以圆柱/平面接触模型为研究对象，对其进行了有限元分析，得到了不同影响因素下应力强度因子（SIF）随裂纹扩展历程变化规律的曲线【19】。 2）、机体-主轴承盖接触面国内研究现状 2002年，北方发动机研究所的马玉生等以某高速大功率柴油机为研究对象，针对在样机强度考核试验中出现的横隔板断裂问题，采用多种手段对断裂原因进行了分析研究，得出结论，同样认为微动疲劳是机体横隔板失效的主要原因，并有针对性地提出了以下几条改进措施：增加主轴承盖的宽度和长度；提高铸造和机械加工的质量；适当加大曲轴平衡重，最大限度地减小曲轴的内力矩，避免或减小工作时因曲轴弯曲变形对机体横隔板扇动的影响；增大箱体下沉量或主轴承盖采用框架结构，以提高箱体的刚度【20】；2006年，北方发动机研究所的魏志明、谭建松等采用有限元计算、断口分析、试验等多种手段对机体-主轴承盖接触面上的微动疲劳进行了分析，从微观角度揭示了微动磨损对机体可靠性的影响，并提出了采用框架式主轴承盖和减磨衬垫来改善该处的微动疲劳21；2009年，北方发动机研究所的王建平等研究了机体横隔板断裂的原因和机理，认为是微动疲劳导致了机体横隔板疲劳失效，并提出了以下几点措施：在横隔板与
