连杆孔颈再制造修复后的疲劳寿命研究

王 晓, 柯庆镝, 赵伦武, 路苏君

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

曲轴连杆作为汽车的核心零部件,通过燃烧室内空气的剧烈膨胀推动活塞在活塞缸内往复运动,并将活塞的往复运动转变为主轴的回转运动对外界做功。在活塞的往复运行过程中,连杆大端孔颈和曲轴不断产生疲劳冲击导致磨损和疲劳裂纹,引起发动机整体振动破坏失效,因此针对连杆进行再制造修复,使得连杆的性能得到恢复很有必要[1]。

常见的再制造修复手段有等离子喷焊、电镀、激光熔覆、冷焊等增材修复技术[2-3]。等离子喷焊使用等离子弧作为热源,合金粉末作为填充材料,能够达到一个较高的修复质量[4];而电镀、激光熔覆、冷焊等其他技术不合适用于修复连杆孔颈[5-7]。修复后的检测手段有涡流检测、弱磁检测、超声检测等。涡流检测[8]是以电磁感应原理为基础,仅仅能够检测出工件近表面缺陷的存在,有较大的局限性;弱磁检测[9]对于裂纹尖端的检测效率较高,适用于微裂纹的检测,对于裂纹的长度和宽度无法定量;超声检测[10-12]是指采用超声波作为载体,在传播中遇到缺陷时反射波能量的衰减等线性特征进行评价,经过信号算法处理,在C扫显示屏上呈现缺陷的具体形状和大小,比较适合铁基材料连杆的缺陷检测。

目前已有许多关于发动机连杆的研究。文献[13]使用Workbench对曲轴连杆进行建模和有限元接触分析,对曲轴连杆机构进行结构改进包括沉割圆角、柱销孔偏心距等;文献[10]采用小波分析方法配合指数函数对其进行拟合,初步实现缺陷定量的无损评价;文献[14]使用ANASYS仿真得到连杆的局部应力应变分布,基于Miner疲劳损伤理论分析出连杆的极限疲劳强度,并对其剩余疲劳寿命进行了预测;文献[15]运用非线性多体动力学软件Avl-Exctte建立曲轴的主动再制造时机选择流程,确定了曲轴的最佳再制造时机;文献[16]分析发电柴油机连杆大端内孔在使用中圆度误差变大的原因,并检验该实践证明效果良好;文献[17]分析了不同工序对工件加工变形影响最小的最佳方案,并找出该最佳方案下表面压应力和最大变形的出现位置;文献[18]确定了所有接触表面之间的接触应力情况,得出连杆失效机理;文献[19]研究了对连杆体大端孔、轴瓦的加工修复和使用。

上述研究和实践探索说明，曲轴连杆组件的使用寿命预判、曲轴连杆的再制造修复、曲轴连杆机构的结构改进、曲轴连杆的最大应力分布和薄弱区域、超声设备对曲轴连杆的缺陷检测等在实际工程中的可行性。本文对连杆进行力学建模,分析出应力集中区域并进行再制造修复,以不同的修复层深度为控制变量,以修复后的疲劳寿命来判断修复质量。借助超声相控阵设备,检测不同运行时间后连杆孔颈可能存在的微裂纹和磨损缺陷。

本文试验以不同的疲劳周次和缺陷信号为指标,表征不同深度再制造修复层对连杆大端孔颈疲劳寿命的影响规律,建立修复层深度与缺陷占比、疲劳寿命之间的线性回归方程,实现再制造修复技术在发动机连杆大端孔颈方面的应用,为科学预测零件的剩余运行周期提供一定的参考。

1 力学分析与建模仿真

1.1 结构力学分析

对曲轴连杆机构进行力学建模分析,如图1所示,其中F1为气体燃烧膨胀对活塞施加的力。

图1 理论力学分析简图

由图1分析可知:

(1)

其中:F为连杆受到的外力大小;F1为气体燃烧膨胀对活塞的内燃压力大小,并取一个运行周期内的平均值;α为连杆与活塞运动方向的夹角。由(1)式可以得出连杆所受外力与活塞内燃压力成挤压交变应力的关系。

在初始安装时连杆孔颈与曲轴为柱面结合,如图2a所示,服役后如图2b所示。

图2 接触分析简图

在服役过程中由于长期磨损,使得轴瓦与连杆孔颈之间的结合精度下降,产生尺寸空隙，从柱面结合演变成线结合,导致疲劳磨损进一步加重,见图2b；同时曲轴与连杆间存在极大的瞬时接触应力，容易导致极压油膜侵入连杆表面微小裂纹和凹坑处并使其进一步扩展,最终疲劳破坏突然发生,连杆表面材料脱落，引发整个发动机的振动破坏。

1.2 连杆简化分析

根据图2的接触分析,建立以连杆径向尺寸为延伸方向的力学示意图,如图3所示。

图3 径向应力分析

连杆在服役后,结合性能下降,连杆大端孔颈内侧的最底处持续受到较大挤压交变应力,对此时连杆与轴瓦的结合面状态进行力学建模,如图4所示。

图4 服役后连杆与轴瓦工程实际力学建模

由图4的最终演化力学模型可知:

其中:F为曲轴对连杆的力;F′为燃烧室内燃压力的引出力;Fi(i=1,2,…,n)为分散在连杆大端的不均匀反作用力。

上述理论阐明了连杆与曲轴之间的受力形式,明确了研究对象的受力状态。因此对连杆和曲轴进行建模和仿真来验证缺陷演化机理,找出连杆大端孔颈的薄弱区域。

1.3 仿真分析

采用模拟仿真来验证上文理论的正确性。取服役后的连杆和曲轴为研究对象,建立仿真模型,如图5所示。由于曲轴四周为均匀磨损,将曲轴视为刚体。

图5 曲轴连杆仿真分析

从仿真结果可以清楚地看出连杆最底端为应力集中区域，连杆的侧面显示较低的压应力。这验证了上文的缺陷演化理论，也为下文的装机运行提供了基础,具体缺陷演生形式在缺陷检测章节详细描述。

2 试样制备

2.1 制备试样

由上述理论分析可知，连杆大端的应力集中在大端孔颈最底处,此区域在承受最大往复径向交变应力的同时,还与轴瓦间不断产生横向摩擦磨损。

以连杆大端孔颈最底处为研究对象,人工模拟孔颈表面存在的微小缺陷,再通过线切割加工去除该区域微小缺陷。

使用等离子喷焊进行再制造修复,之后采用机加工和研磨技术,去除表面多余材料,恢复连杆大端的尺寸精度、表面粗糙度、应力分布,以及确认连杆体的无缺陷状态。

采用数控电火花线对连杆大端孔颈应力集中区切割出不同深度的凹槽,精度可达0.1 mm。凹槽深度h数据见表1 所列,制备试样如图6所示(单位为mm),将以上不同深度凹槽试样分别编号为A、B、C、D共4组。

表1 试样编号与深度关系

图6 制备试样

2.2 缺陷的修复

在目前的等离子喷焊修复技术领域中,根据基材的属性选择不同的合金粉末,该合金粉末应自溶性好、熔点较低。本文试验中基材连杆为45钢,故采用Ni60合金粉末,该粉末具有良好的耐腐蚀、耐高温氧化、耐磨粒磨损和冲击磨损等优点。

对于等离子喷焊设备的工艺参数,采用预试验研究成果,为了使喷焊层具有较好的耐磨性和较高的硬度,选择的工艺参数见表2所列,再制造修复后效果如图7所示。

表2 喷焊工艺参数

图7 试样喷焊效果

2.3 机加工工艺

机加工为余量切除,保证孔颈的尺寸精度和表面质量、连杆体的无缺陷状态,消除不均匀的内应力。

在应力方面,采用喷焊前加热焊后缓冷的方式尽可能降低。在尺寸精度和表面粗糙度方面，采用粗加工,半精加工再精加工3段工序。粗加工采用线切割工艺，以连杆小头为定位基准去除大端孔颈多余材料,精度可达0.1 mm;半精加工使用800 目的外圆砂轮进行磨削处理,精度可达0.04 mm;精加工采用2 000目的外圆砂轮进行珩磨处理,精度可达0.02 mm。

最终成品与原件相比无明显差别,成品效果如图8所示。

图8 试样机加工效果

3 试验与数据分析

3.1 超声弧面检测分析

电流通过探头经过晶振转化为超声波脉冲,超声波透过圆弧楔块上表面后无偏转,进入楔块中沿原路径继续传播。当声波经过楔块圆弧面时,折射声波将呈不同角度的扩散。取一个极小的角度对声波进行微分分析,当角度极小时，将此角度所对应的圆弧视为直线,忽略声波的偏转,具体如图9所示。当声波穿过圆弧面通过耦合剂第1次作用在孔颈熔覆层表面上被分为2个部分:一部分反方向传播，称为反射波,当反射波被探头接收后便形成一次回波,反应了连杆孔颈的熔覆层表面质量;另一部分穿过熔覆层，称透射波,作用在连杆体外壁上并被反射回来，被探头接收后称一次底波。

图9 声波分析

3.2 工况分析

本文所研究的发动机连杆在初期磨合阶段包括空载和低负载,逐渐加高负载到3.0 N·m,转速稳定在2 000 r/min;当度过初期磨合阶段后,转速稳定在2 200 r/min,通过慢慢增加负载来加大发动机输出的功率。鉴于发动机安全许用负载,取励磁制动20 N·m,如图10所示。

图10 功率与负载分析

连杆在正常磨损阶段就会产生不同程度的点蚀和微裂纹,上文已经分析过产生的原因和生长规律。因此在正常磨损阶段中后期,理论上用灵敏度较高的仪器就可以定性检测出一定程度的缺陷,在从正常磨损过渡到剧烈磨损阶段就能检测出可能存在的宏观缺陷并进行定量化分析。

在本次试验中,有2个缺陷质变的检测节点可以作为失效判据:

(1)运行时间。最初出现磨损、点蚀、微裂纹所运行的时间,这是由连杆表面材料本身的性质决定的。当长期受到交变应力的挤压和刮擦导致材料表面金属温度升高,在压力和温度等多重因素的作用下,连杆表面金属原子和轴瓦之间发生原子扩散和黏结,连杆表面出现轻微点蚀、划痕和磨损,连杆孔颈近表面内部结合强度较低的区域出现空穴移动、塌陷等肉眼不可见缺陷。

(2)缺陷信号强度。由于出现多个同种类型磨损,原有点蚀缺陷面积扩大并伴随部分材料脱落,微裂纹进一步扩大成为裂纹和缝隙。缺陷产生的根本原因仍然是长期受到挤压交变应力和刮擦,连杆接触表面局部金属温度较高,导致同一个区域多个地方产生点蚀。其中一部分点蚀区域相互融合成为肉眼可见的缺陷,另一部分点蚀区域和微裂纹融合成为肉眼可见裂纹,近表面以下的空穴和塌陷等缺陷进一步扩大,超声检测缺陷信号更为明显。

3.3 试验设计和数据标定及分析

在本次试验中,一共有4组连杆对应不同再制造修复层深度。以试验发动机顺利渡过磨合期后的试验时间节点为基准,对每支连杆进行试验,每磨合72 h后拆卸检测标定一次,一共磨合720 h,检测10次,每支连杆得到不少于9次的数据集合。发动机试验装备如图11所示。

图11 试验设备

现以A号连杆为例:记录A号连杆磨合时间结束为0天0时,在转速2 200 r/min,转矩20 N·m的工况下连续运转72 h后拆卸检测得到数据A1,并标定缺陷位置、尺寸、深度;再将A号连杆安装到发动机上,调试到正常状态,同样的工况负载下再次检测标定得到数据A2。将此试验步骤重复10次以上,去除异常检测数据后得到9次以上的有效检测数据集合{A1,A2,A3,…,A8,A9}。

依次进行B、C、D连杆的试验,得到数据如图12所示。

现对图12的C扫数据呈现的缺陷进行尺寸标定,采用缺积占比来反应缺陷的面积大小,取黄色圈(R113±15,G170±15,B233±15)及其内部为特征进行测量。缺陷占比标点如图13所示,将以上A组、B组、C组、D组图示缺陷面积大小用以下公式来计算:

图12 C扫图

图13 缺陷占比标定

(2)

其中:p为缺陷占比;s为缺陷面积;l为连杆周长的1/2;h为连杆的轴向深度。

由(2)式得出A、B、C、D各分组缺陷面积占比的总数据集合，绘制缺陷占比演化随运行时间的关系,如图14所示。

图14 运行时间与缺陷占比演化图

由图12和图14可知,A号试样从A1到A9缺陷面积的占比和缺陷程度不断增加。从A1可以看出此时缺陷已经萌生,缺陷信号比较微弱,连杆处于存在轻度点蚀情况,表面组织材料处于结合状态；当经过更长时间的运行,如A9,表面组织材料已经产生肉眼可见的空隙,在极压油膜和交变应力的双重作用下近表面材料和连杆体发生脱离形成宏观缺陷，并且由原本的3个独立缺陷融合成1个大缺陷导致连杆表面局部脱落。

对比数据A1、B1、C1、D1可以明显看出，连杆孔颈产生了不同形式的缺陷,但是再制造连杆的缺陷面积大小得到一定抑制。其中：C号和D号连杆多处缺陷萌生的现象已经消失,准确体现了再制造修复抑制缺陷产生的效果；从B号试样的缺陷演化来看,存在3处缺陷萌生,结合对比A9的缺陷演化,B9的缺陷只是有扩大趋势并未融合,验证了再制造修复技术对连杆表面质量的加强作用。

通过对比B组、C组、D组同期试样可以发现，C号和D号试样的缺陷面积相较于B号试样要小,间接反应了更深的修复层相较于浅的修复层对表面缺陷抑制作用更强。

现对各连杆性能的改进进行比较:

(1)以运行720 h为指标,研究缺陷面积占比的演化率,结果如图15所示。

图15 不同缺陷占比

(2)以缺陷面积占比达到0.73%为指标,研究不同型号连杆的运行时间,结果如图16所示。

图16 不同运行时间

运行时间改良指标为:

(3)

缺陷占比改良指标为:

(4)

其中，i表示B、C、D。

由(3)式和(4)式得到的数据见表3所列。将表3进行总结，绘制得到再制造修复深度改良指标分析,如图17所示。

表3 缺陷改良指标 %

图17 改良指标分析

由图17可知,缺陷面积占比和运行时间改良率分别与再制造修复层深度在一定范围内呈近似线性关系。

对2项指标建立回归方程,并对数据点进行曲线拟合，得到的曲线C1和C2分别与(5)式、(6)式对应，即

C1:y1=-14.3x-4.31

(5)

C2:y2=121.1x-10.9

(6)

其中，(5)式、(6)式横坐标x的取值区间为[0.3,0.9],对应再制造修复深度范围。

由(5)式可知，曲线C1的斜率近似于-14.3,即再制造修复平均每增加0.1 mm,样件的缺陷面积占比降低1.43%。

由(6)式可知,曲线C2的斜率近似于121.1,即再制造修复平均每增加0.1 mm,样件的相对运行寿命增加12.1%。

4 结 论

本文借助超声相控阵技术,通过拟合线性回归方程,建立了修复连杆疲劳寿命、磨损缺陷占比和再制造修复深度的相互关系，即再制造修复深度平均每增加0.1 mm,连杆的相对疲劳寿命增加12.1%,磨损缺陷占比率降低1.43%。鉴于再制造修复面向近表层,对较深实体不做处理,故上述结果适用于连杆材料近表面1 mm。本文方法实现了再制造修复在发动机连杆大端孔颈修复方面的应用,提高了零部件的耐磨性,为科学预测零件的剩余运行周期提供了一定的参考。