再制造机械零部件的寿命评估及研究

赵蓉

摘要：机械零部件的再制造是使用现代化的技术，对退役的零部件再次修复和利用。再制造工程中最重要的部分就是对再制造材料寿命的评估，其直接决定再制造的可行性。本文研究了一种基于有限元分析的再制造机械零件剩余寿命预测算法 ，并结合再制造实例对寿命预测进验证。

Abstract： The remanufacturing of mechanical parts is to use modern technology to repair and utilize the retired parts again. The most important part of remanufacturing engineering is the evaluation of remanufacturing material life， which directly determines the feasibility of remanufacturing. This paper studies a remanufacturing machine parts residual life prediction algorithm based on finite element analysis， and combined with remanufacturing examples to verify the life prediction.

关键词：零部件;寿命;材料

Key words： parts;life;material

中图分类号：V435+.3                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）19-0113-02

0  引言

随着大量到达使用年限的机械产品的退役，退役零部件的再次利用就是目前急于解决的问题。一些退役的机械零部件还没达到其材料的使用寿命，零部件的报废处理，会造成很大的资源浪费。再制造工程可将退役的零部件材料重新设计并进行修复、改制或者降级使用。但首先要解决的问题就是对再制造材料剩余寿命的评估，研究其疲劳寿命是否达到极限值，再制造寿命的评价就成了关键难点。对再制造机械零部件急需解决的寿命预测问题的研究，很有重要实际意义。

1  再制造寿命评估的研究现状

虽然有大量科技工作者的研究投入和研究成果的应用，再制造零部件寿命的评估研究仍属于较新的工程领域，国内给的研究仍有很多课题需要完善。张书珍借助ANSYS三维设计软件，采用裂纹效应理论，3D扩展算法对某工程机械进行剩余寿命评估[1]。张国庆利用单轴损伤模型，对曲轴进行有限元分析，建立了一种寿命预测模型[2]。郭孝敏以数值仿真的结果为基础，以BP 神经网络为理论支撑，建立可再制造评价体系，验证其方法在剩余疲劳寿命预测中的可行性[3]。陈旭峰引入主动再制造设计思想，采用等价寿命方法进行再制造的优化[4]。目前的研究手段，大部分都是以ANSYS设计软件作为研究平台，以有限元的分析结果，作为源头数据或者参考对比值。这种研究方式，非常直观准确，再结合一些辅助手段，评估结果较为可靠。

目前再制造寿命的研究都是采用某种科学理论的方法，对再制造材料进行剩余寿命的计算，以及目前综合状态的判断。再结合数值模拟仿真，进行结果的优化，得出最优的再制造方案，最终总结出一套再制造寿命评估模型。但同时，在采用理论基础时，往往没有考虑再制造零部件实际的使用环境因素，造成预测结果也会存在偏差。其次，对再制造零部件仅处于评价和预测的阶段，没有对特性、参数进行全面的再设计。再则，目前零部件原材料的物理性能质量有高有低，研究时应在对原材料的检测的基础上进行，比如，先对原材料进行物理性能分析，以及无损检测，将检测和分析数据作为一个影响因素进行评估。

2  再制造寿命的评估理论

影响零部件再制造寿命的因素很多，对疲劳寿命评估也很复杂。再制造零件的初始材料和使用环境，以及使用过程中的受力情况等等，都会影响再制造零部件的寿命。其寿命是由最薄弱处的材质寿命决定的，其中，零部件材料的裂纹情况，对再制造寿命影响极大。也因此基于裂纹效应，建立了一种寿命预测方法，也是目前研究和采用最广泛的一种方法。对再制造零部件寿命评估技术路线，大致可以归纳为两种，一种是基于再制造材料疲劳寿命的研究，另一种是基于再制造材料裂纹效应的研究。当然，这两种评估方法都是借助于实验数据或者使用环境的参数设计，再结合计算机辅助设计技术进行有限元的计算。大部分寿命预测都是采用疲劳寿命的评估方法，但这种方法往往太过于理论，与实际情况不太符合。而裂纹效应的评估线路，更能体现使用时的现状。

2.1 再制造寿命评估的影响因素

再制造零部件寿命评估是个综合性的学科，其需要结合多种学科知识，涉及工科和理科的交叉融合。影响零部件再制造寿命评估的因素复杂，大致归纳起来有原材料本身的物理性能、材料基本现状、零部件的使用环境和目前零部件疲劳强度的剩余值。首先原材料的物理性能里材料的化学成分和内部缺陷是寿命评估的基础，影响也最大，不同的材质使用寿命相差甚远，材料的金相组织和缺陷情况，决定了这个材质的质量高低。即使其他相同，材质的纤维方向也会影响寿命的评估。其次，材料的基本现状包括零件部基本尺寸、热处理情况和光洁度等。零部件基本尺寸影响材料的疲劳寿命，尺寸大小和疲劳强度成反比。材料的表面光洁度值越低、材料表面越平整，加工纹路越小，应力不容易集中，这样就提高了材料的疲劳寿命。所以，一般使用要求越高的零件，光洁度要求越高。调质热处理可以明细提高材料的强度，退火可以有效去除内部应力，热处理状态也是影响因素。再次，零部件使用环境中的温度和湿度，會加快材料的腐蚀，腐蚀降低材料的机械疲劳性能，降低材料的横截面承受负荷的能力。承受载荷的变化的程度，影响材料疲劳强度的变化特性。材料承受的载荷变化频率和幅度较大时，其疲劳强度就会降低。在零部件长期使用中，其疲劳寿命根据使用情况会不同程度地降低，所以准确客观地评价出其剩余疲劳寿命也是很重要的因素之一。再制造零部件选取时一般要选取材质内部质量无改变、无裂纹、无较大变形、无残余应力的零部件，这样可以保证其再制造质量和寿命。

2.2 再制造寿命评估方法

由于零部件的参数有时不能精确的检测，其评估方法也是个繁重的工作，结果也要相互验证。基于不同的理论，再制造零部件寿命的评估方法有不同的几种，其中应用较多的是名义应力法，该方法实际上是以构件应力和应力集中因子KT为参数的传统疲劳寿命估算方法，是基于无缺陷材料的累积疲劳损伤理论。材料受到的载荷超过材料的极限时，就会产生损伤。积累到一定程度，材料就会产生破坏而报废。该评估方法，未考虑零部件表面状态的情况，比如表面裂纹或者内部缺陷等。这样就导致评估的结果过于理想化，对于重复使用的零部件，其寿命评估准确性也就有了一定的折扣。另外还有一种是局部应变法，这种方法是基于材料的应力与变形，考虑多方向的变化载荷，累积计算疲劳总寿命。适用于低频疲劳的单一零件预测，缺点是没有考虑表面状态和尺寸。还有一种是裂纹扩展寿命方法，种方法假设零件中的裂纹已经存在，并使用裂纹动力学理论分析或实验验证等方法来确定裂纹是否扩展到临界尺寸。该方法主要考虑了裂纹缺陷的影响因素，寿命预测也更接近于实际情况。以上方法在不同的领域都得到不同程度的应用，较为简便是名义应力法，但相对结果不太准确。裂纹扩展法虽然考虑了裂纹缺陷等，但不适用于变载荷的场景。因此，有限元方法的引入，与基础理论的结合，可以一定程度改善评估的准确性。

3  疲劳寿命的有限元算法

疲劳寿命评估一般使用基于有限元的方法。有限元疲劳算法（FEA）基于比传统疲劳寿命计算方法更少的实验数据，可以获得更准确的结果，并且可以通过软件方便、快速、准确地进行分析。有限元法首先根据工作载荷、零件的几何参数和受约束的连接计算动态应力应变响应，然后使用另一个疲劳损伤模型通过寿命计算来计算疲劳寿命。

寿命计算步骤及公式：

首先，选择疲劳损伤模型。根据施加到零件上的载荷性质选择合适的疲劳损伤模型。对于弹性构件和高主疲劳，选择“应力寿命模型”。对于塑料零件，低周疲劳采用应变寿命模型，多轴疲劳损伤模型适用于能承受多轴载荷但不能被单轴载荷减少的零件。 然后，选择合适的模型后，根据载荷特性选择计算载荷弹性应力的方法，采用有限元法计算参数。

寿命计算公式：

4  寿命计算实例

以某工程机械再制造的丝杠，进行再制造寿命的评估和验证。

4.1 有限元寿命分析

该丝杠材质为45，调质处理。螺纹牙型为T形，螺纹为右旋，公称直径为150mm，螺距为8mm。用UG软件建模后，再ANSYS Workbench进行网格划分、材料参数输入、边界条件设定后，在 Solution 中进行求解。得到该丝杠的再制造疲劳寿命最小处为1195.5。

4.2 再制造寿命计算

将有限元分析的结果，代入寿命计算公式，得到结果如表1。

结合工厂数据，换成时间标定，以该丝杠每月的使用次数为30次，则换算成使用时间為：1195/（12×30）=3.3年。

5  结语

在本文中首先研究了再制造零件的寿命评估的研究现状，探讨了理论基础，并对比了各理论的优缺点和使用场合，结合ANSYS有限元仿真分析，计算了某工程零件的再制造疲劳寿命。通过此思路对寿命评估的研究，很有实际意义。

参考文献：

[1]张书珍.退役挖掘机工作装置动臂剩余寿命评估[D].湖北：华中科技大学，2018，36（1）：21-28.

[2]张国庆.零件剩余疲劳寿命预测方法与产品可再制造性评估研究[D].上海：上海交通大学，2019.

[3]郭孝敏.面向再制造截齿的有限元分析及疲劳寿命预测[D].山西：中北大学，2019.

[4]陈旭锋.面向再制造的工程机械关键零部件等寿命设计[D].陕西：长安大学，2018.