柴油机连杆工作过程中啮合齿形静力学试验研究

唐明军，侯勇俊，杨建坤，刘卫东

● （1．西南石油大学 机电工程学院，四川成都 610500；2．中海油能源发展油田建设工程公司，天津 300452）

柴油机连杆工作过程中啮合齿形静力学试验研究

唐明军1，侯勇俊1，杨建坤2，刘卫东2

● （1．西南石油大学 机电工程学院，四川成都 610500；2．中海油能源发展油田建设工程公司，天津 300452）

以海上采油平台某发电用进口柴油机连杆为研究对象，以该柴油机实际运转工况下的P-V图为基础，计算该柴油机实际运转工况下一个工作循环内气体作用在活塞上的作用力；采用ADAMS软件，建立的发动机多体动力学模型，通过输入的气体压力曲线和负载转矩，仿真得到连杆实际工况下交变载荷；用电测法对连杆所受最大轴向载荷和横向载荷做了静力拉压加载实验，测得连杆的应力应变；本文试验结果为后期连杆的有限元分析结果的准确性提供对比依据。

连杆；啮合齿；静力试验

0 引言

连杆是柴油机中的重要零部件之一，其结构形状和受载状况非常复杂，连杆的可靠性和寿命在很大程度上影响着柴油机的可靠性和寿命。目前，中海油海上采油平台在用的某发电用进口柴油机在24000h大修过程中，对连杆进行无损探伤时发现一些连杆啮合齿处存在不同深度的裂纹，经统计，这些裂纹普遍出现在新连杆的第二个24000h大修周期内。对于在啮合齿处出现较浅裂纹的连杆，经修复并检验合格后可继续使用，但在装机后继续运行6000h～12000h后啮合齿处重新出现裂纹，并有数量增加的趋势，这给机组的安全稳定运行带来了极大风险。为了分析连杆工作过程中实际的应变大小，本文对该柴油机连杆进行了静力学试验研究。

1 连杆静力学试验工况确定

连杆工作过程是将活塞的往复运动转化成曲轴的旋转运动，受到交变载荷的作用，依据对柴油机实际运转工况下的P-V图，利用多体动力学软件ADAMS建立连杆的多体动力学模型，根据输入的气体压力曲线和负载转矩，仿真可得到连杆实际工况下的交变载荷，根据活塞压力和负载转矩，可得到曲轴在旋转720°周期内连杆大端和小端受到的惯性力和压力，如图1所示。为保证连杆在加载试验过程中的材料不进入屈服阶段，且连杆不被破坏，确定连杆的实验工况如表1所示。

图1 连杆运行中受到的交变载荷

表1 连杆实验工况

连杆的小端固定，而大端通过试验机横梁的移动施加载荷。连杆受到的轴向载荷见图2。箭头所指方向为连杆受到的载荷方向，拉伸载荷100kN，压缩载荷200kN。

图2 轴向载荷图

连杆的小端固定，大端通过试验机横梁的移动施加载荷。连杆受到的横向载荷如图3所示。箭头所示方向为沿Y轴的横向载荷，大小为30kN。

图3 横向载荷图

2 连杆静力试验齿形应变片位置的确定

在贴应变花前需要在连杆的齿形处进行画线，确定应变花的位置，并对各位置处应变花进行标号。令连杆正面为A面，连杆背面为B面，连杆轴测图如图4所示。

图4 连杆轴测图

为确定应变花的位置，在A面以连杆大端孔中心为全局坐标系的原点建立全局坐标系，以应变花中心作为原点建立局部坐标系，应变花位置如图5（a）、（b）所示。

局部坐标系O′与应变花三个方向的交点重合即应变花的中心，X′轴与应变花的 0°方向重合，Y′轴与其 90°方向重合，Z′轴由右手法则确定。1号应变花的局部坐标系如图5（b）所示。A面其余应变花以此为标准建立局部坐标系。由A面对称得到B面坐标系。根据建立的全局坐标系O-XYZ和局部坐标系O′-X′Y′Z′确定的连杆的应变花位置如表2所示，并将应变片粘贴到连杆的对应位置处，实际粘贴效果如图6所示。

图5 应变花位置图

表2 应变花位置表

图6 连杆啮合齿应变花位置图

3 试验测量电路的选择

在实验过程中，齿形处的变形非常微弱，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化即电桥电路。电桥电路的作用是把电阻片的电阻变化率转换成电压输出，然后提供给放大电路放大后进行测量，从而获得该处的变形。

应变仪测量应变的电桥分为全桥、半桥和1/4桥，本试验采用1/4桥测量连杆局部齿形处的应变，1/4桥单臂测量电路接线如图7所示。

在1/4桥中四个电阻中只有R1是工作应变片，其电阻产生变化，所以输出电压可写成：e=1/4×ΔR/R×E

应变片的阻值不仅随机械应变变化，而且随温度变化。现场测试中，气温变化，日光和风对应变片阻值都会产生影响，故需要在电桥中接入温度补偿片，试验过程中采用一片补偿多片即公共补偿。

图7 1/4桥单臂测量电路接线图

4 试验过程及试验结果分析

本次连杆实验采用Instron疲劳试验机，连杆静力试验过程如图8所示，试验过程中应变仪采集数据过程如图9所示。将测得的试验数据进行处理可得到各应变花位置处齿形的主应变和主应变的方向。主应变ε1对应的方向为α1，主应变ε2对应的方向为α2。主应变的方向α1和α2分别为应变花局部坐标系下的方向。

图8 连杆静力试验过程图

图9 应变仪采集数据过程图

按照表1连杆试验工况，对连杆进行加载，测得了连杆静力学试验结果，其中，拉伸试验结果见表3，压缩试验结果见表4，沿Y轴向下弯曲横向载荷试验结果见表5，沿Y轴向上弯曲横向载荷试验结果见表6。

表3 第一次拉伸试验结果

表4 压缩试验结果

表5 沿Y轴向下弯曲横向载荷试验结果

表6 沿Y轴向上弯曲横向载荷

5 结语

从试验角度对连杆工作过程中最大工作载荷下啮合齿形处应变进行了分析，测得了连杆啮合齿处16个不同位置处分别在拉伸载荷100kN作用下，压缩载荷200kN作用下，沿Y轴向下弯曲横向载荷为30kN作用下，沿Y轴向上弯曲横向载荷为30kN作用下的应变值，该试验结果可验证后期连杆有限元分析中模型建立的正确性和有限元分析结果的准确性。

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[4]王洪山.用侧切三点弯曲试件直接测定延性材料K IC的试验方法[J].机械强度,1991(2):87-89.

Research on Meshing Tooth Statics Experiment of Connecting Rod During Diesel Engine Working

TANG Ming-jun1,HOU Yong-jun1,YANG Jian-kun2,LIU Wei-dong2
(1.School of Mechatronic Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China; 2.CNOOC Energy Technology &Services-Oilfield Construction Engineering Co.,Tianjin 300452,China)

Taking one imported power generated diesel engine’s connecting rod on offshore oil platform as research object,based on the actual operating condition of P-V graph of the diesel engine,the gas force acting on the piston is calculated under actual operating condition during the work circulation of diesel engine.Using ADAMS software,the multi-body dynamics model of the engine is established.By inputting pressure curve and load torque of the gas in the cylinder,the actual alternating loads during the working conditions of the connecting rod is gotten.The static compressive load experiment of the connecting rod is used to measure the stress and strain of connecting rod under the maximum axial load and horizontal load using electricity measure method.The testing results can be the basis to check the accuracy of loading experiment results and finite element analysis results.

connecting rod; meshing teeth; statics experiment

TK427

A

唐明军（1974-），男，高级工程师。主要从事海洋石油柴油机、吊机、修井机等设备的运维管理工作。