再制造机械设备疲劳寿命预测方法综述

(新疆大学机械工程学院 新疆 乌鲁木齐 830047)

一、引言

再制造的概念是由我国学者徐院士最先提出来的，一经提出便得到了长足的发展。再制造相比于制造新品，它是将失效零部件作为再制造毛坯，直接对其进行再制造技修复[1]。借助这种修复方法，能够有效的降低生产成本，节约资源，有利于提高资源利用率，并可起到显著保护环境的作用[1]。所以大力发展再制造技术，对国计民生、环境保护、资源利用等方面都有不可估量的巨大作用。对再制造机械设备进行寿命预测研究，能够因零件失效导致事故发生前及时对零件进行更换或者维修，从而保障生产活动的正常进行和相关生产人员的人身安全。目前对再制造机械设备进行寿命评估内容主要分为对再制造毛坯寿命评估和对再制造产品寿命评估[2]。零件失效后，需要对其进行剩余寿命评估，是为了衡量再制造毛坯是否具有再制造的价值,而其判断的标准就是剩余寿命能否满足产品规定的一个生命周期，满足则可用于再制造。而对满足再制造的毛坯进行再制造修复，使其取得良好的使用性能，再对其进行寿命预测的目的是为了保证再制造产品的安全使用寿命能够满足工况需要,即可以达到甚至超过新产品的使用寿命。

二、疲劳寿命分析方法：

目前对再制造机械设备寿命进行预测主要评估方法有3类：①基于力学理论的分析计算法②力学实验方法；③采用无损检测技术预测剩余寿命。

(一)分析计算法

根据疲劳损伤的发展过程可将疲劳寿命分为两个主要阶段[3-4]：(一)裂纹萌生寿命(二)裂纹扩展寿命。(一)基于裂纹萌生寿命的剩余疲劳寿命预测的基本思路是：首先获得零部件在最大载荷下的疲劳寿命，再减去利用已知的服役疲劳损伤累积得到最大当量寿命，即可得到再制造毛坯的剩余疲劳寿命。目前对于裂纹形成寿命预测主要有以下方法：(1)名义应力法。名义应力法实际上是一个传统的安全疲劳寿命估算法。该方法认为:对任一构件(或结构细节或元件),只要应力集中系数 K T 相同,载荷谱相同,它们的寿命就相同。此法中的控制参数为名义应力。名义应力法估算疲劳寿命的步骤为:①根据应力测量、应力分析的结果,综合考虑缺口附近的应力、应力集中大小或应力集中系数来确定结构中的危险部位；②根据规范或实测得到疲劳载荷谱,然后依据数理统计方法将载荷谱转换为试验应力谱;③建立对应于各应力谱的S-N曲线;④选取合适的累积损伤理论;⑤选取疲劳寿命的分散系数。(2)局部应变法：局部应变法把疲劳寿命的估算建立在最危险的切口或其它应力集中部位的应力和应变的局部估算上。局部应变法估算疲劳寿命的步骤为:①从分析载荷的最大峰值开始,根据载荷-应变标定曲线和循环应力-应变曲线,计算初始的缺口应力和应变;②根据公式计算相应后面加载历史的缺口应力和应变 ;③对每一闭合的应力-应变迟滞回线,用公式计算相应的循环寿命;④对整个加载历史进行累积计算总的寿命。(3)局部应力-应变法：决定构件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力和应变,因此,近代在应变分析和低周疲劳的基础上,提出了一种新的疲劳寿命估算方法—局部应力-应变法。局部应力-应变法估算疲劳寿命的步骤:①输入一系列现场载荷或名义应变;②利用循环载荷-应变曲线将载荷-时间历程转换为应变-时间历程;③把应变-时间历程转换为应力-时间历程;④利用 Neuber 公式将名义应力转换为缺口根部的应力应变;⑤利用线性累积损伤理论估算出疲劳寿命。(二)裂纹扩展寿命预测方法：裂纹扩展分析以断裂力学理论为基础,主要为损伤容限设计所采用,其基本思路是假定裂纹是预先存在的再用断裂力学的分析和试验方法判断这些裂纹是否在定期检查被查出以前即已扩展到临界尺寸,适用于裂纹扩展较慢并有高断裂韧性的材料[5]。(1)常幅加载时的疲劳裂纹扩展寿命预测常幅加载时的疲劳裂纹扩展阶段寿命预测是利用断裂力学方法进行的,寿命预测的步骤是:①首先确定构件上的初始裂纹尺寸a0;②用公式计算或查表定出应力强度因子;③确定破坏判据,并通过破坏判据确定临界裂纹尺寸ac;④确定从初始裂纹尺寸a0扩展到临界裂纹尺寸ac所需要的循环次数,即确定寿命Nf(2)变幅加载下疲劳裂纹扩展寿命预测实际构件受载往往是变幅加载或随机加载,对于变幅加载的扩展寿命预测,情况较为复杂,其步骤大致为:①首先根据常幅载荷下的da/dN与ΔK关系给出裂纹扩展表达式;②给出对应于特定载荷序列的变幅载荷下的da/dF与K关系曲线;③根据载荷谱下da/dF与K关系,利用数值积分法求出裂纹扩展寿命。

(二)力学试验法

力学试验法是对零件实物模型进行模拟服役工况的动/静载荷试验来得到零件的疲劳极限载荷，是目前研究曲轴疲劳强度最为可靠而实用的技术途径。研究曲轴疲劳强度的力学试验法通常有：(1)光弹性试验(2)动/静态电测试验法(3)疲劳试验法。(1)光弹性试验法：通常采用环氧树脂在蜡模中浇铸制作出与实际曲轴形状成比例的模型后，依据实际的工况对曲轴模型进行加载，把承载的曲轴模型放置在偏振光场中，通过观察与曲轴模型上各点应力状态有关的光学条纹，利用这些条纹并运用相似原理，可由曲轴模型的应力换算出实际曲轴构件的整体应力分布状态。(2)动/静态电测试验法：可在曲轴本体上进行，可以反映出实体曲轴的真实应力状态。但是受应变片结构的制约，动/静态电测试验法只能研究曲轴本体上若干离散点的应力状态。(3)疲劳试验法：在专用的试验设备上进行，通常依据待测机械设备的失效形式，进行独立的弯曲疲劳试验和(或)扭转疲劳试验。

(三)无损检测技术预测剩余寿命

无损检测技术[6]可以在不破坏构件的前提下，检测构件中缺陷的产生、发展情况来进行质量评估及寿命预测。常用的方法有渗透探伤法、涡流法、荧光磁粉法等。受检测原理的制约，这些检测手段只能发现表面裂纹或近表面裂纹，反映的裂纹特征信息也较为单一和粗糙，难以全面把握曲轴疲劳损伤程度。目前能进行在线监测和诊断，可行的检测手段主要有：(1)振动位移法(2)声发射技术等。(1)振动位移法：通常是利用位移传感器和加速度传感器来测量曲轴系统的模态特征，通过分析对裂纹敏感的参数如模态频率和阻尼来实现曲轴裂纹诊断。振动位移法的不足之处在于振动信号容易受到外界因素的影响，且要进行二次信号处理才能得到可用的信号，过程繁琐，对该方法的进一步应用带来了极大的困难。(2)声发射技术作为可以实现裂纹扩展的实时动态监测检测技术，目前已有一些学者将其应用于曲轴裂纹诊断的研究中。但是声发射技术的不足之处在于检测结果容易受外界环境的干扰，在线监测过程中，通常伴随有很强烈的环境噪声，由曲轴裂纹扩展发射出的高频声波难以被测量到，因此抑制噪声、排除冗余信号是制约声发射技术的工程应用的关键问题。金属磁记忆技术是一门新兴的无损检测技术，利用在地磁场中受载铁磁性构件所产生的磁记忆效应，通过测量由于应力和缺陷所导致的构件表面磁场变化，测定构件表面和近表面的缺陷和应力集中区的无损检测方法。金属磁记忆技术[7]主要是基于磁机械效应，是利用铁磁构件在服役过程中自发产生的弱磁信号来发现应力集中区域。在地磁场环境下，铁磁材料受到外载荷作用，在铁磁材料的应力集中区域出现残余磁感应和自磁化的增长，形成磁畴的固定结点，以漏磁场的形式出现在铁磁材料表面，并在工作载荷消除后仍然保留，这一增强的磁场能够“记忆”铁磁部件表面应力集中的位置，可认为磁记忆信号可以表征残余应力、工作应力以及裂纹类缺陷，从而可以建立磁信号与裂纹扩展寿命间联系，从而达到预测寿命的目的。

三、总结

再制造机械设备的疲劳是个复杂的过程,受多种因素的影响,要精确地预估构件的疲劳寿命,需要选择合适的模型,这就需要宏观力学方面的研究,包括疲劳裂纹发生、发展直至破坏的机理。同时还需要微观力学方面的研究包括位错理论等。此外,还涉及到金属材料科学、材料力学、振动力学、疲劳理论、断裂力学和计算方法等多门学科。因此以上所涉及到的寿命预测模型都有其特定的适用范围，目前尚无一个统一的、能涵盖微观、细观和宏观三种不同尺度的工程定量模型能够准确描述曲轴的疲劳行为。只有更深刻地认识了疲劳破坏的机理,将宏观和微观研究结合起来,才能更精确地预测寿命。