CN104777169B - 曲轴再制造寿命评估试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种曲轴再制造寿命评估试验方法，包括：步骤S1：检测退役曲轴的裂纹面积；步骤S2：根据裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系，确定退役曲轴的剩余疲劳寿命。本发明通过检测退役曲轴的裂纹面积；并根据所述裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系，确定所述退役曲轴的剩余疲劳寿命，相比现有技术，不仅考虑裂纹萌生寿命，更考虑裂纹扩展寿命，从而能够更可靠地评估曲轴再制造寿命。

Description

曲轴再制造寿命评估试验方法

技术领域

本发明涉及再制造领域，具体而言，涉及一种曲轴再制造寿命评估试验方法。

背景技术

再制造工程是废旧机电产品高科技维修的产业化，是发展循环经济，构建环境友好型和资源节约型社会的重要途径。汽车零部件再制造是我国最早开始探索再制造关键技术的试点行业，其中发动机的核心部件——曲轴的再制造是研究重点之一。

曲轴开展再制造前，首先需要评估其剩余寿命是否能承担新一轮的服役周期。由于曲轴疲劳失效是其最危险的破坏形式，所以剩余疲劳寿命评估是曲轴再制造寿命评估的核心内容。

疲劳寿命由裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命组成，再制造工程的研究对象是具有服役历史的废旧曲轴，既往服役历史导致再制造前曲轴存在不同程度的损伤，如宏/微观尺度的磨损、腐蚀及大裂纹疲劳，微观及亚微观尺度的微疲劳裂纹、微孔洞蠕变、微小孔隙等等，各种形式损伤基元的存在使得曲轴在新一轮的服役过程中，裂纹萌生寿命大大缩短，裂纹扩展寿命在剩余疲劳寿命所占的比重增大，因此曲轴的剩余疲劳寿命评估需要重点评估裂纹扩展寿命。

现有专利技术文献中，中国专利申请号200710046922.6，名称为：“汽车退役曲轴剩余疲劳寿命的检测方法”的专利技术提出一种汽车退役曲轴剩余疲劳寿命的检测方法，该专利技术首先对退役曲轴的危险部位进行渗透探伤，以有无裂纹作为退役曲轴的剩余疲劳寿命是否可以维持下一个生命周期的依据；渗透探伤未现裂纹的退役曲轴，采用金属磁记忆技术来评价剩余疲劳寿命的长短，藉此来判断退役曲轴是否具有再制造价值。

该专利采用渗透探伤来检测曲轴有无裂纹，有裂纹的曲轴不能进行再制造。即仅考虑裂纹萌生寿命，而忽视了裂纹扩展寿命。对于曲轴这类承载构件来说，影响其剩余疲劳寿命主要因素是裂纹沿曲轴承载面的面积，而仅有裂纹长度而无裂纹深度不能反映出废旧曲轴的剩余疲劳寿命储备，因此通过渗透探伤检测到的有无裂纹和裂纹长度并不足以作为判定曲轴可否进行再制造的主要依据。该专利所提及的退役曲轴剩余疲劳寿命与磁记忆信号的对应关系是通过对全新曲轴进行弯曲疲劳试验后得到的。实际上，既往服役历史造成退役曲轴的表面磁信号包含较多的随机性因素，与全新曲轴的表面磁信号存在较大的个体差异性，目前尚未明确退役曲轴的表面磁信号的哪些特征分量在疲劳损伤过程中占据主导因素，因此，笼统地将全新曲轴表面磁信号与剩余疲劳寿命的对应关系应用到退役曲轴的损伤评估上，其可靠性还有待商榷。

综上所述，目前尚未有专利文献能够全面地涵盖完整的曲轴再制造寿命评估工作。因此，如果能够构建一套曲轴再制造寿命评估试验方法，综合采用多种技术手段定量评估预测曲轴再制造寿命，尤其是曲轴的裂纹扩展寿命，对于完善曲轴再制造寿命评估工作，提高曲轴再制造寿命质量控制具有重要意义。

发明内容

本发明旨在提供一种能够提高可靠性的曲轴再制造寿命评估试验方法。

本发明提供了一种曲轴再制造寿命评估试验方法，包括：步骤S1：检测退役曲轴的裂纹面积；步骤S2：根据裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系，确定退役曲轴的剩余疲劳寿命。

进一步地，步骤S2中，裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系通过如下方法获得：步骤S21：将退役曲轴安装在疲劳载荷加载系统上，并设定疲劳试验参数，开始疲劳加载；步骤S22：采用机器视觉检测系统检测退役曲轴的危险部位的表面裂纹萌生和裂纹长度，得到裂纹长度随疲劳周次的裂纹长度扩展规律；步骤S23：采用金属磁记忆检测系统检测退役曲轴的裂纹深度，得到裂纹深度随疲劳周次的裂纹深度扩展规律；步骤S24：根据裂纹长度扩展规律和裂纹深度扩展规律计算退役曲轴的裂纹面积扩展规律；步骤S25：根据裂纹面积扩展规律计算得到裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系。

进一步地，在弯曲载荷作用下，危险部位为退役曲轴的曲柄臂和连杆轴颈之间的过渡圆角位置；在扭转载荷作用下，危险部位为连杆轴颈油孔位置；在弯扭载荷作用下，危险部位为过渡圆角位置和连杆轴颈油孔位置。

进一步地，机器视觉检测系统包括由光学镜头、感光元件、图像采集卡和上位机；上位机通过图像采集卡采集光学镜头拍摄图像，并通过图像处理拍摄图像，得到裂纹长度。

进一步地，图像处理拍摄图像，得到裂纹长度包括：将数字图像处理为一个二维数组，通过图像压缩、增强和复原，然后匹配、描述和识别裂纹，并计算裂纹长度。

根据本发明的曲轴再制造寿命评估试验方法，通过检测退役曲轴的裂纹面积；并根据所述裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系，确定所述退役曲轴的剩余疲劳寿命，相比现有技术，不仅考虑裂纹萌生寿命，更考虑裂纹扩展寿命，从而能够更可靠地评估曲轴再制造寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的曲轴再制造寿命评估试验方法的原理示意图；

图2是本发明中对金属磁记忆信号进行信号处理结果示意图；

图3a无裂纹曲轴；

图3b圆角萌生裂纹曲轴；

图3c图像处理后的裂纹；

图4是本发明中将磁记忆特征参量与机器视觉检测到的裂纹扩展长度进行混和计算后得到裂纹扩展面积与疲劳周次的关系图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，根据本发明的曲轴再制造寿命评估试验方法，包括：步骤S1：检测退役曲轴的裂纹面积；步骤S2：根据裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系，确定退役曲轴的剩余疲劳寿命。本发明通过检测退役曲轴的裂纹面积；并根据所述裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系，确定所述退役曲轴的剩余疲劳寿命，相比现有技术，不仅考虑裂纹萌生寿命，更考虑裂纹扩展寿命，从而能够更可靠地评估曲轴再制造寿命。

具体地，以经过服役的某一系列斯太尔发动机曲轴，曲轴材料为42CrMo合金钢，试验曲拐为第四曲拐为例来详细说明本发明中，裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系的获取方法：

金属磁记忆检测仪器采用厦门爱德森公司生产的EMS2000磁记忆检测系统，配有单通道磁记忆探头，可实现构件表面磁场的法向分量Hp(y)检测；曲轴疲劳载荷加载系统，是指模拟曲轴实际工况的疲劳试验系统，可进行弯曲载荷加载、扭转载荷加载和弯扭复合加载。实验中采用卧置谐振式曲轴弯曲疲劳试验台架对试验曲拐施加弯曲疲劳载荷，实验原理如图1所示。

首先将退役曲轴进行拆解和清洗，并设置在卧置谐振式曲轴弯曲疲劳试验台架上，然后设定疲劳参数，开展疲劳试验。考虑检测操作的方便性，每隔预设的疲劳周次后停止加载，采用EMS2000磁记忆检测系统检测试验曲拐的过渡圆角部位表面磁信号的法向分量Hp(y)。

如图3a所示，将无裂纹的曲轴设置在疲劳载荷加载系统，加载至50万疲劳周次后，机器视觉检测系统捕获到过渡圆角部位萌生疲劳裂纹(如图3b所示)，经过处理后，得到如图3c所示图像。每隔50万疲劳周次，在线卸载状态下，采用金属磁记忆技术采集了过渡圆角部位表面磁信号的法向分量Hp(y)，共采集了五组信号。采用小波熵算法对五组信号进行运算，并与未加载前曲轴初始磁记忆信号进行比对，得到了不同循环周次下，裂纹扩展信号的小波熵值的变化规律(如图2所示)。

将反映磁记忆信号小波熵值与相应疲劳周次下的裂纹扩展长度进行混合计算，可求解出曲轴裂纹扩展面积随疲劳周次的变化规律(如图4所示)。

一般地，曲轴的危险部位，是指弯曲载荷作用下容易发生疲劳失效的曲柄臂和连杆轴颈之间的过渡圆角位置、在扭转载荷作用下容易发生疲劳失效的连杆轴颈油孔位置或者是弯扭复合载荷作用下以上两个部位。

金属磁记忆技术，是在地磁场的激励下，铁磁材料应力集中部位的不连续所产生表面磁场畸变现象。通过检测表面磁场切向分量Hp(x)和法向分量Hp(y)的分布规律，可以判定构件的应力集中部位和应力集中程度，进而可以判定构件的早期损伤程度。

表征曲轴裂纹扩展规律的金属磁记忆特征参量，是采用相应的信号处理技术对不同疲劳周次下曲轴危险部位的磁记忆信号进行处理，并通过与实际裂纹深度进行修正而得到表征裂纹扩展深度的特征值。

信号处理技术，是指能够对数字信号在时间域或频率域范围内进行处理的数学手段，如小波变换、傅里叶变换等。

机器视觉检测系统，是由光学镜头、感光元件和图像采集卡组成，通过数据线与上位机进行通信。

图像处理技术，是指将获取的数字图像处理为一个二维数组，通过图像压缩，增强和复原，匹配、描述和识别等技术对裂纹特征进行识别。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明利用机器视觉技术监测曲轴危险部位的表面裂纹萌生和扩展规律，利用金属磁记忆技术评估曲轴裂纹的扩展深度，清晰地界定出曲轴的裂纹扩展寿命阶段，为准确量化再制造曲轴的全寿命周期提供了可靠的技术手段。该方法操作简单，检测结果准确可靠，能够有效评估曲轴再制造寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种曲轴再制造寿命评估试验方法，其特征在于，包括：

步骤S1：检测退役曲轴的裂纹面积；

步骤S2：根据所述裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系，确定所述退役曲轴的剩余疲劳寿命；

其中， 所述步骤S2中，所述裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系通过如下方法获得：

步骤S21：将所述退役曲轴安装在疲劳载荷加载系统上，并设定疲劳试验参数，开始疲劳加载；

步骤S22：采用机器视觉检测系统检测所述退役曲轴的危险部位的表面裂纹萌生和裂纹长度，得到裂纹长度随疲劳周次的裂纹长度扩展规律；

步骤S23：采用金属磁记忆检测系统检测所述退役曲轴的裂纹深度，得到裂纹深度随疲劳周次的裂纹深度扩展规律；

步骤S24：根据所述裂纹长度扩展规律和所述裂纹深度扩展规律计算所述退役曲轴的裂纹面积扩展规律；

步骤S25：根据裂纹面积扩展规律计算得到所述裂纹面积与剩余疲劳寿命的对应关系。

2.根据权利要求1所述的曲轴再制造寿命评估试验方法，其特征在于，

在弯曲载荷作用下，所述危险部位为所述退役曲轴的曲柄臂和连杆轴颈之间的过渡圆角位置；

在扭转载荷作用下，所述危险部位为连杆轴颈油孔位置；

在弯扭载荷作用下，所述危险部位为所述过渡圆角位置和所述连杆轴颈油孔位置。

3.根据权利要求1所述的曲轴再制造寿命评估试验方法，其特征在于，

所述机器视觉检测系统包括由光学镜头、感光元件、图像采集卡和上位机；

所述上位机通过所述图像采集卡采集所述光学镜头拍摄图像，并通过图像处理所述拍摄图像，得到所述裂纹长度。

4.根据权利要求3所述的曲轴再制造寿命评估试验方法，其特征在于，

图像处理所述拍摄图像，得到所述裂纹长度包括：将数字图像处理为一个二维数组，通过图像压缩、增强和复原，然后匹配、描述和识别裂纹，并计算裂纹长度。