侯立丹,張 宇

(山東理工大學機械工程學院,山東淄博255049)

發(fā)動機在運行一段時間后,其主要部件曲軸會存在不同程度的磨損,一般可根據(jù)曲軸的受力情況對其磨損進行研究,便于下一步的檢測.在實際檢測過程中,由于測量方法和評定方法的不當,可能會造成曲軸誤廢或者誤收.傳統(tǒng)的測試以千分表等儀器為手段,采用近似法測量,由于人的視覺誤差等主觀因素的影響,易導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的不準確.同時,由于手工測量數(shù)據(jù)不夠多,而難以對零件做出精確評價.如果使用高、精、尖的測量儀器進行測量,成本會大大增加,在檢測現(xiàn)場不能得到廣泛的使用.本文對曲軸磨損情況進行分析并設(shè)計針對主要性能參數(shù)的檢測系統(tǒng).

1 曲軸的磨損分析

曲軸是發(fā)動機的主要運動部件之一,它把活塞的直線往復(fù)運動通過連桿轉(zhuǎn)變成主軸的回轉(zhuǎn)運動.曲軸的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,每個曲軸由主軸頸(安裝在主軸承部位)、連桿軸頸(與連桿大頭相連部位)、曲柄及平衡鐵所組成.

曲軸運轉(zhuǎn)中,主軸頸與軸瓦、連桿軸頸與連桿大頭瓦之間由于相對運動而產(chǎn)生磨損.根據(jù)曲軸的工作特點和失效特征分析可知,磨損是曲軸的主要失效形式[1],曲軸的主軸頸和連桿軸頸都存在不同程度的磨損.連桿軸頸的徑向不均勻磨損會引發(fā)連桿軸頸軸向的不均勻磨損,可導(dǎo)致連桿軸頸成錐形.主軸頸的不均勻磨損會降低主軸頸的同軸度,往往造成曲軸的斷裂,也會使軸頸表面出現(xiàn)擦傷和燒傷現(xiàn)象.曲軸連桿軸頸的磨損量可通過圓度誤差和直徑大小來確定.

圖1 曲軸結(jié)構(gòu)示意圖

2 曲軸磨損檢測

根據(jù)曲軸的磨損情況,我們對其主軸頸和連桿軸頸進行磨損檢測[2].

2.1 檢測原則

(1)為了克服傳統(tǒng)測量方法的不足,實現(xiàn)自動檢測,對常用的測量方法改進如下:以曲軸的回轉(zhuǎn)中心為定位線,即以曲軸在磨削過程中的定位孔為中心,從而實現(xiàn)了加工基準與測量基準的統(tǒng)一.

(2)實現(xiàn)同時檢測多個參數(shù)項目.

(3)為了能夠自動得到曲軸的檢測結(jié)果,需要設(shè)置被測曲軸的檢測標準.

2.2 實現(xiàn)方法

(1)檢測標準的設(shè)置

檢測標準的設(shè)置主要用于被測曲軸檢測標準的設(shè)置及標準軸基本尺寸的設(shè)置和顯示,如檢測點數(shù),尺寸公差等.

(2)標準軸的測試

標準軸的測試主要完成標準軸有關(guān)項目的檢測,同時用于各種傳感器的標定,并將標準值記錄下來,與被測曲軸進行比較得到被測軸的基本尺寸.

(3)工件的測量

工件的測量主要完成被測曲軸有關(guān)數(shù)據(jù)的測量,包括被測軸的基本尺寸(直徑)以及被測軸的圓度誤差和徑向圓跳動誤差的測量.測量被測軸的基本尺寸時,可以將被測軸測量時的電壓與標準軸基本尺寸測量時的電壓值相比較,并換算成相應(yīng)的毫米值,從而得到被測軸的基本尺寸.被測軸的徑向圓跳動誤差的測量,可以得到被測軸整個圓周有限點的測量數(shù)值(例如24點),并從每組的測量數(shù)據(jù)中找到最大值和最小值,求出工件的跳動量,根據(jù)標準測量的基本尺寸對應(yīng)的電壓值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的毫米數(shù)值,從而計算出被測曲軸的徑向圓跳動誤差值.圓度的測量也是通過多點測量,應(yīng)用最小二乘法找出最小二乘圓的圓心與軸心的偏移來確定圓度.

2.3 曲軸主軸頸的檢測裝置

曲軸主軸頸檢測裝置主要用來檢測曲軸主軸頸的基本尺寸(直徑d)和徑向圓跳動誤差.主軸頸每轉(zhuǎn)1周,通過位移傳感器的測頭1測量1周上若干點的數(shù)據(jù)[3],通過PCI1817U型數(shù)據(jù)采集卡將檢測數(shù)據(jù)上傳至工控機,通過軟件程序進行計算處理和結(jié)果的存儲.主軸頸測量裝置如圖2所示.

2.4 連桿軸頸的檢測裝置

圖2 主軸頸測量裝置

針對連桿軸頸不易測量的特點,專門設(shè)計了一種測量其圓度誤差和基本尺寸的測量裝置[4],其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.

圖3 連桿軸頸測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

檢測過程:曲軸兩端固定后,連桿軸頸位置也就確定,且連桿軸頸在檢測過程中不能旋轉(zhuǎn),利用此檢測裝置檢測連桿軸頸就需要將每個測頭進行120°旋轉(zhuǎn),這樣就能得到連桿軸頸1周的檢測數(shù)據(jù)[5],再通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)進行處理和存儲.

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

目前,較多企業(yè)仍然采用Excel統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)的存儲和處理計算.這種方法雖然靈活通用,但需要我們輸入大量的檢測數(shù)據(jù)和處理公式,且有些計算函數(shù)并不能使用.針對上述情況,本系統(tǒng)擬采用Visual Basic 6.0開發(fā)工具與SQL Server 2000型數(shù)據(jù)庫結(jié)合技術(shù)進行軟件設(shè)計,將大量現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)存儲到SQL Server數(shù)據(jù)庫中,通過Visual Basic語言開發(fā)出人機交互界面和數(shù)據(jù)處理功能模塊,并調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的存儲數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和分析.因此,本系統(tǒng)可在保證數(shù)據(jù)精度的前提下大大提高數(shù)據(jù)處理速度、降低工人輸入大量數(shù)據(jù)的出錯率.設(shè)計程序流程圖如圖4所示.

3 檢測數(shù)據(jù)的處理

檢測參數(shù)包括曲軸曲柄銷的直徑、圓度誤差與徑向跳動誤差.

圓度誤差:圓度誤差采用最小二乘法[6]來計算,即根據(jù)采樣點的數(shù)據(jù),采用最小二乘法法去擬合圓曲線,最終求出圓心半徑和圓度誤差的大小.擬合公式為式中為被測點的坐標值;δi為偏差;a、b、c分別為擬合曲線方程系數(shù).

圖4 軟件設(shè)計程序流程圖

將式(1)對a、b、c分別求偏導(dǎo)數(shù),令偏導(dǎo)數(shù)等于零,得到極值點,比較所有極值點的函數(shù)值,最小的那個就是所求答案.再利用a、b、c與A、B、R的關(guān)系得到擬合圓的半徑R和圓心(A,B).求出軸心與圓心(A,B)之間的距離t即是曲軸主軸頸的圓度誤差.圓度誤差計算原理圖如圖5所示.同理可以計算出連桿軸頸的圓度誤差.

圖5 圓度誤差計算原理圖

徑向圓跳動誤差:將被測軸基準軸線調(diào)整到與檢測裝置回轉(zhuǎn)工作臺平行的位置,對徑向跳動誤差的結(jié)果影響較小.檢測裝置采集到各點的一個相對變化量,最大值減去最小值即是跳動誤差.將各采樣點的相對變化量加上公稱直徑的一半即是所測部位的半徑.檢測數(shù)據(jù)處理程序界面如圖6所示

圖6 程序主界面

4 實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)最小二乘法原理,本實驗中圓度測量數(shù)據(jù)的計算結(jié)果與Excel操作計算結(jié)果對比見表1.

表1 實驗數(shù)據(jù)對比μ m

實驗結(jié)果表明,該方法提高了檢測效率,改變了傳統(tǒng)近似法手工測量的不足.

[1] 劉俊英,張國勝,蔣伯平.工程機械軸類零件的再制造概述[J] .工程機械,2008,39(1):58-60.

[2] 倪厚強,朱興龍,司樹倫,等.軸類零件多參數(shù)測量裝置的研究[J] .機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2004,17(1):88-90.

[3] 郭曉波,彭曉南.曲軸多參數(shù)虛擬檢測儀的研制[J] .河南科技大學學報(自然科學版),2003,24(2):34-36.

[4] 王偉,于軍.經(jīng)濟型軸類零件形位誤差測量儀的研制[J] .宇航計測技術(shù),1998,18(6):23-26.

[5] 徐瀅,易琨.軸類零件的自動檢測裝置設(shè)計[J] .工具技術(shù),2005,39(5):83-85.

[6] 彭曉南,郭曉波.曲軸綜合檢測虛擬儀的開發(fā)[J] .工具技術(shù),2004,38(5):54-57.