连杆受力强度讲述、载荷计算及试验途径

摘  要：连杆作为柴油发电机的具体传递动力的构件，承受着由活塞传递的周期性变化的气体压力用途，作业环境极其恶劣，因而其结构非常容常见坏。文中通过传统的举措得出连杆的受力大小、方向与运动情况，并求解出了静态讨论所需要的边界因素。本文借助于有限元软件极强的计算能力和功能，仿真陈述柴油发电机连杆强度和其动态运动特性，对较大应力值和较大变形量为约束条件对连杆的形状进行优化简述，从而实现合理优化。

      连杆是柴油发电机中较重要的运动部件之一，其品质和强度直接影响着柴油发电机的可靠性和寿命。无论规划新型柴油发电机或对老产品进行整改，都必须严格校核连杆的强度。

      连杆强度研究大都归于疲劳强度讨论，其目的是关心连杆的作业寿命，考察其在反复承受交变作业应力下的较小强度储备，通常以安全系数的形式表示；其次，连杆强度探求要考虑大小头孔的变形，关心润滑油膜能否正常建立。通常以这两种策略考核连杆模型设计的合理性。

      研究连杆强度的举措有试验和计算两种。前者花费时间长、费用昂贵，且无法在概念规划阶段进行。理论讨论和实践证明，计算浅谈的策略对于预估连杆的强度具有很好的价值，并在柴油发电机的概念规划阶段得到了广泛的应用，其中有限元法是较成功、较广泛的对策。

      有限元法是把持续的弹性体划分为有限大小的、彼此只在有限个点相连的、有限个单元的组合体来探求的。这种把实际连续体划分为离散构造的程序，叫做有限元离散化，这些有限大小的单元，称为有限元，各单元间相连接的点，称为节点。

      目前，运用较广泛的有限元实质就是先从单元解说入手，找出单元节点上对单元的功能力与单元节点位移、应变、应力的关系。整个有限元详解流程是先建立每个单元的刚度方程，然后进行结构的整体讲述，即组集联系整个构造的节点位移与结点载荷的总刚度方程。因为总刚度方程是包含有限个未知节点位移量的线性代数方程组，故可利用电子计算机来求解。最后根据所求得的各单元的节点位移，利用单元解读得到的关系，就可求出各单元的应力和应变。

      因为连杆模型较小，为了准确考察连杆的应力分布，所以模型采用整根连杆模型，对于应力敏感区域和关心区域网格应适当加密，如图1所示；由于随着四面体单元密度的增加，应力会增大，在某些结构或受力复杂的区域网格加密并不是较合理的办法；对于这种情形可在局部建立用六面体网格划分的子模型。

      边界条件的确定是影响有限元综述计算结果准确与否的较关键要素，详细包括载荷边界因素和位移（约束）边界要素两种，它们也是随着计算要素与计算模型的改进而不断发展的，探求者们一直在追求怎么样在实际计算可行的要素下尽量使边界要素接近实际。

      连杆的功用是将活塞的往复直线运动变成曲轴的旋转运动，并在活塞和主轴之间传递功用力，构造如图2所示。连杆的功能载荷详细有6种：

      较大拉伸力发生在进气冲程开始的上止点附近，其数值是活塞组和计算断面以上部分连杆品质的往复惯性力。较大拉伸力的详细计算公式为：

      较大压缩力发生在膨胀冲程开始的上止点附近，其数值是较大爆发压力减去此速度时的惯性力。较大压缩力的详细计算公式为：

      因为连杆承受的是交变载荷，连杆螺栓与大端盖、连杆体间的功用力也是交变的。较大预紧力P。的具体计算公式为：

      因为衬套（或活塞销）是以一定的过盈量压入小端孔内，故而存在着压力。在工作时连杆小端温度会升高，使过盈进一步增大，压力也增大。

      连杆大端与轴瓦间存在着过盈配合力。在螺栓功用力的功用下，大端轴瓦被进一步压紧在大端内孔表面。压力的计算公式与式（3）类似。

      因为制造误差导致的杆身弯曲，会产生附加弯矩。在实际的计算阐述中，忽略不计。根据式（1）～（3）可计算出连杆的各项载荷。

      目前，对于连杆有限元计算时对连杆大小头作用拉伸与压缩载荷的模拟详细有两种方式：一是沿圆周120°均匀分布；二是沿轴线方向均布或呈抛物线°呈余弦分布，其中又尤以沿轴线呈二次抛物线°范围内呈余弦分布的载荷边界因素形式运用的较多。

      位移边界因素的功用是解决计算过程中连杆的刚性位移。连杆的位移边界条件应尽可能的接近实际情况，目前对于唯一边界要素的施加还没有统一的步骤，用的较多的是连杆受惯性力时约束连杆下轴瓦内侧，连杆受压力时约束连杆上周瓦内侧，约束点应关于连杆轴向对称。

     连杆疲劳试验在四通道液压伺服疲劳试验机上进行，液压伺服疲劳试验机采用液压方式加载，为避免设备发生较大的振动响应而影响试验准确度，试验中所采用的加载频率一般不超过30 Hz，本试验中加载频率为20 Hz，试验在拉一压载荷的功能下进行，采用正弦波标准波形进行连杆机械强度耐久性考核。

      目前，连杆疲劳试验规范一般执行行业标准或企业标准，常见加载程序详细有恒定负荷比法和恒定较大压力法[]。本试验采用恒定负荷比法，即在试验加载时保持负荷比不变，用名义负荷中的较大压力和较大拉力乘以一个安全系数来确定试验载荷。采用升降法测量连杆的疲劳强度，循环基数为1000万次，试验名义较大压缩力为一177.3 kN，较大拉伸力为32 kN，试验中保持循环载荷应力比恒定不变。

      通过试验所得整个连杆的安全系数取决于连杆不同部位失效时的较低疲劳强度，而试验中连杆承受的拉压载荷与发电机实际工况不一样，受试验安装程序危害较大。因此，连杆疲劳试验时常分为3个区域进行疲劳强度考核，分别为连杆小头、连杆大头和连杆杆身区域。

      通常在连杆疲劳试验前需要确定连杆强度较薄弱部位，以确定试验夹具安装方式和主要试验方法。采用试验步骤确定薄弱位置时，需要在不同试验因素下针对小头、大头和杆身进行疲劳强度考核，按照标准至少需9个样件，试验成本过高。本探求采用有限元详述步骤来确定连杆较危险区域，通过建立连杆有限元简述模型，在正常轴承间隙下施加拉压载荷，得到了连杆在拉压载荷下的受力状态，进而求得平均应力和应力幅；然后通过传统安全系数计算方案可知该连杆杆身区域为较危险部位，因此连杆疲劳试验办法关于杆身进行，连杆大小头均采用过盈装配步骤。

      通过有限元计算或电测试验获得了连杆表面局部的应力状态，考虑平均应力、加工工艺、尺寸效应和表面粗糙度等条件对材料S-N曲线的影响，然后基于MINER线所示修正后的SN曲线可预测连杆疲劳寿命。为预测构件应力幅水平低于疲劳极限时的疲劳寿命，采用修正MINER法则。各种条件对材料S-N曲线的修正可归结为对S-N曲线个参数的危害函数，即材料疲劳极限、疲劳循环次数和曲线斜率的危害函数，这些影响函数可通过由大量试验获得的经验公式来描述。

      材料S-N曲线通常为对称循环下的S-N曲线所示Haigh图对非对称循环载荷进行平均应力修正，Haigh图由对称循环和脉动循环疲劳极限及材料力学性能参数确定。因为连杆承受高周循环载荷，试验程序中未产生较大塑性变形，通过测量发现该连杆表面残余应力在疲劳试验前后数值接近，因此，预测模型中将残余应力按照平均应力效应来解决。

      疲劳试验中杆身W字处为该连杆较薄弱部位，且失效与该处残余应力密切相关，因此，连杆寿命预测针对W部位进行。该连杆材料为42CrMoA，材料拉伸极限为1100 MPa，屈服极限为900 MPa，对称疲劳极限为432.9 MPa，脉冲疲劳极限为337 MPa，SN曲线，表面粗糙度和锻造度综合危害系数取为0.6，平均应力、应力幅及残余应力均采用实测值。

图3  柴油发电机连杆疲劳寿命S-N曲线  Haigh图对连杆载荷应力修正

      通过有限元综述结果可判断连杆较薄弱位置，进而确定连杆疲劳试验方案；电测试验可有效评估疲劳试验装置的线性响应特性，同时与仿真模拟值相互校核；疲劳试验结果表明，该连杆疲劳失效形式极具规律性，断裂位置具体位于杆身某标志字处和靠近小头杆身部位，其中标志字处失效与局部残余应力大小和分布密切相关，可见，通过部件疲劳试验可有效评估连杆布置水平和加工工艺水平；建立了连杆疲劳寿命预测模型，将残余应力作平均应力解决，基于Haigh图考虑平均应力对S-N曲线的影响，预测得到了在不同载荷系数和残余应力下连杆标志处疲劳寿命和疲劳安全系数，预测结果与试验值在趋势上一致，因此，后续可利用该模型来指导疲劳试验和连杆强度规划作业。----------------