沈阳理工大学学士学位论文
摘 要
空气压缩机曲轴断裂的原因非常复杂，有可能是曲轴自身存在缺陷，安装精度等问题，也可能是曲轴性能方面没有达到设计的要求。本文从空压机曲轴的工艺方面对可能引起曲轴断裂失效的原因展开分析。对其加工工艺进行了分析，研究了曲轴加工的工艺流程，并对曲轴的一般破坏形式进行了分析，了解了疲劳的概念以及影响疲劳的各种因素并进行了曲轴疲劳强度的计算。依据曲柄连杆机构的工作原理，对空压机曲轴进行了运动学公式的推导和动力学计算，得到了曲轴的综合活塞力、径向力等数据；利用 proe 软件建立了空压机曲轴的单缸实体模型，然后借助 ANSYS 软件将其导入并分网得到有限元模型；同时还研究了曲轴的部分结构参数对其应力集中部位的影响，如轴颈、过渡圆角半径、曲柄销长度和曲柄臂厚度等。最后对曲轴加工工艺过程可能存在的一些问题进行了优化。
关键词：曲轴；有限元法；疲劳
I
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Abstract
The fracture reasons of Air compressor crankshaft are very complicated, which may be crankshaft its own flaws, the installation of accuracy, also possibly is its performance did not meet design requirements. This paper from the Air compressor crankshaft Technology, study on the process of crankshaft machining，and analyzed the crankshaft general destruction forms，understand the fatigue of the concept and the impact of various factors and fatigue of crankshaft fatigue strength calculation. Based on the working principle of crank linkage, the Air compressor crankshaft was carried on the kinematics formulas, dynamics computations and obtained its integrated piston force, radial force and other data. The Air compressor crankshaft's single cylinder entity model was established in the proe software. Through the software interface, the model is imported and meshed in the ANSYS software, where the paper obtained the finite element model finally. The influence of structure parameters which include diameter of round corner in axis，crankpin length and crankweb width and so on to stress focus place were discussed . Last optimization some problems in the crankshaft machining process.
Keyword：Crankshaft；Finite element method；Fatigue
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目 录
摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 1 绪 论 .................................................................................................................................... 1
1.1 引言 ............................................................................................................................ 1 1.2 课题研究的背景和意义 ............................................................................................ 2 1.3 国内外曲轴研究现状及发展趋势 ............................................................................ 3 1.4 论文的主要研究方法及工作内容 ............................................................................ 4 2 空压机曲轴的加工工艺分析 .............................................................................................. 6
2.1 曲轴的作用 ................................................................................................................ 6 2.2 曲轴的结构及其特点 ................................................................................................ 6 2.3 曲轴的主要技术要求分析 ........................................................................................ 7 2.4 曲轴的材料和毛坯的确定 ........................................................................................ 8 2.5 曲轴的机械加工工艺流程及主要工序介绍 ............................................................ 8 2.6 曲轴的工序内容及设备 ............................................................................................ 9 3 曲轴的断裂失效分析 ........................................................................................................ 12
3.1 疲劳基本概念 .......................................................................................................... 12
3.1.1 疲劳及疲劳破坏 ............................................................................................ 12 3.1.2 疲劳强度 ........................................................................................................ 13 3.2 影响曲轴疲劳强度的主要因素 .............................................................................. 13
3.2.1 应力集中对疲劳强度的影响 ........................................................................ 13 3.2.2 尺寸对疲劳强度影响 .................................................................................... 14 3.2.3 表面状况对疲劳强度的影响 ........................................................................ 15 3.2.4 载荷对疲劳强度的影响 ................................................................................ 15 3.3 曲轴静疲劳强度计算 .............................................................................................. 16 3.4 曲轴的一般破坏形式 .............................................................................................. 17
3.4.1 曲轴圆角处的疲劳破坏 ................................................................................ 18 3.4.2 曲轴油孔处疲劳破坏 .................................................................................... 19 3.4.3 曲轴轴颈处疲劳破坏 .................................................................................... 20
4 高压空气压缩机动力计算 ................................................................................................ 21
4.1 曲柄连杆机构运动学 .............................................................................................. 21 4.2 曲柄连杆机构动力学 .............................................................................................. 22
4.2.1 往复运动中连杆部分质量的折算 ................................................................ 23 4.2.2 旋转不平衡部分质量折算 ............................................................................ 24 4.2.3 往复与旋转运动的不平衡质量 .................................................................... 25 4.2.4 空压机两列气缸的动力计算 ........................................................................ 25
5 曲轴的有限元分析 ............................................................................................................ 28
5.1 ANSYS 软件概述 ................................................................................................. 28 5.2 曲轴有限元模型建立 .............................................................................................. 29 5.3 结构参数对圆角应力的影响 .................................................................................. 33 6 空压机曲轴加工方法的改进 ............................................................................................ 41
6.1 曲轴强化的几种常用工艺 ...................................................................................... 41
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6.2 圆角滚压技术 .......................................................................................................... 44 6.3 曲轴油孔的加工工艺改进 ...................................................................................... 46 6.4 对工序内容的改进 .................................................................................................. 47 结 论 ........................................................................................................................................ 50 致 谢 ........................................................................................................................................ 51 参考文献 .................................................................................................................................. 52 附录A：英文原文 .................................................................................................................. 54 附录B：中文翻译 .................................................................................................................. 59
IV
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1 绪 论
1.1 引言
从上世纪 40 和 50 年代起，人们开始了结构可靠性分析的早期工作，自 60 年代起结构可靠性理论得到快速的发展。结构可靠性通常定义为，在规定的使用条件和环境下，在规定的使用寿命期内，结构有效的承受载荷和环境影响而正常工作的能力。结构可靠性的数量指标通常用概率表示，称为可靠度。结构可靠性是一个广义概念，包含结构的安全性和耐久性两个方面。静载荷以及瞬间动载荷作用下结构可靠性研究的重点是结构的安全性问题，循环载荷作用结构可靠性研究的重点则是结构的耐久性问题。现在结构可靠性分析在航天工程、建筑工程、核工程、船舶及海洋工程等领域得到了实际的应用。
结构在使用过程中可能会出现各种失效形式，这些失效形式中，主要以静载强度失效、刚度失效、和疲劳失效为主。美国试验与材料协会（ASTM）在“疲劳试验及数据统计之有关术语的标准定义”（ASTM E206-72）中的定义：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。统计数据表明，在现代工业的各种领域中，因疲劳破坏而引起的结构强度破坏就占了80%;而国外所得到的一些统计也显示，机械零件的50%到90%破坏为疲劳破坏。
在机械产品服役期，疲劳破坏早期在航空界引起人们的高度关注，对一些重大航空灾难的调查表明，事故发生的罪魁祸首均是疲劳破坏。如在英国，第二次世界大战的前后就有约20 架“惠灵顿”号重型轰炸机连续发生失事；1951 年英国“鸽式”飞机在澳大利亚发生事故；而不久后的 1953 到 1954 年间，英国的“维金”号和“彗星”号喷气式客机又接连地发生了机毁人亡的灾难事故。即使是科技发展领先的美国本土也不能幸免：1948 年，“马丁 202”号运输机在正常航行的过程中突然坠落；1952 年，美国的“F-86”歼击机在空中发生爆炸；1979 年，“DC-10”号大型客机在芝加哥奥黑尔国际机场起飞后不久就坠毁。疲劳破坏现象不仅存在于航空领域，同时它还威胁着化工机械、工程机械、交通运输以及桥梁和海上运输等工业领域所使用的各种设备，如压力容器和海洋平台。压力容器的疲劳破裂是指当压力容器承受交变载荷作用的时候，金属材料发生疲劳而
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