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南京聚航科技有限公司
主營產品： 振動時效設備，殘余應力檢測儀，應力應變測量，殘余應力消除設備 |
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2022-6-15 閱讀(447)
鑄鐵缸體是發(fā)動機的骨架，所有的部件都是安裝在上面。其受力情況很復雜，除了承受所有零部件重量以及缸蓋螺栓緊固力產生的靜載荷外，其內部還存有鑄件冷卻過程中產生的殘余應力。當缸體承受外力時，殘余應力與其相互作用，從而改變缸體實際受到的應力大小，當局部應力疊加超過材料強度極*，可能導致缸體的變形甚至開裂。因此，發(fā)動機缸體內部殘余應力的測試和分析成為了*的重要工作。
殘余應力測試方法有很多種，但由于缸體結構復雜、體積大、重量大、表面存在氧化層和鑄造殘沙，所以x射線法不適用。小孔法主要用來測試物體的表面殘余應力，所以也不適用。而切割法可以*測量內部殘余應力，并且對構件尺寸沒有要求，因此切割法更適合發(fā)動機缸體的殘余應力測試。
本文選取缸體氣缸底座四個典型位置作為測試點，主要測試缸體未時效和時效熱處理兩種狀態(tài)下的殘余應力，然后根據力學公式計算出相應的殘余應力大小，為缸體的系統(tǒng)受力分析提供了依據。
殘余應力測試方法
測試位置選取
在缸體的很多位置同時使用應變片測量殘余應力是不現實的，只能針對性的選擇幾個典型位置。應變測試點的選取原則應遵循以下幾點；1.理論計算的高應力區(qū)和實際發(fā)生開裂的部位；2缸體實施減重部位；3進一步優(yōu)化設計關注的部位。根據以上原則，選取氣缸底座的圓弧表面作為測試點。試驗中選取中間兩個腔體，共四個點。
應變片粘貼、橋路連接
應變片采用聚航科技的泊式電阻應變片，應變片阻值為120Ω，靈敏系數為2.10.
采用惠斯通電橋中的半橋接法，將四個測點的應變片和補償應變片分別連接到應變儀的4個通道，形成4個半橋橋路。
缸體切割
切割前，固定導線，確保導線不妨礙切割或發(fā)生移動。每次切割前平衡橋路。
殘余應力測試計算
殘余應變=-（釋放的應變量-初始應變量）
由于每次切割前都對橋路進行過平衡，所以初始應變量記為0，釋放的應變量由應變儀測得。將每次切割后測得的應變值求和，即得到各個測點所釋放的殘余應變總量。
根據材料的本構關系，可以將應變轉成應力。缸體腔體測點處材料處于平面應變的二向應力狀態(tài)，依據廣義胡克定律，此方向的應力可按下式計算：
式中E-材料彈性模量
μ-材料泊松比
本文缸體使用材料為HT250，其彈性模量為120CPa，泊松比為0.3.根據該公式計算得出各測試點的殘余應力大小。
數據分析與討論
減少測量誤差的方法
為了保證測試結果的準確性，在測試前和測試過程中，采取了一系列措施，以避免或減少環(huán)境因素對試驗結果的影響。
每個測試點的應變片會因溫度的影響而發(fā)生一定的變化量。為了消除這種影響，采用與被測材料相同的物體作為補償塊，并在補償塊上粘貼與被測構件相同的等效應變片。補償塊不受荷載作用，只感受環(huán)境溫度的變化，利用惠斯通電橋相鄰兩臂上的電阻由于溫度引起的應變變化相互抵消，以消除溫度對測試結果的影響。
機械切割產生的熱量會使缸體測試部位溫度升高，導致測試結果漂移。因此，每次切割后和讀取數據之前，需等缸體冷卻到切割前的溫度。
導線電阻是影響測量結果的因素之一。研究表明，應變儀測得的應變會隨著導線電阻的增加而減小。一般來說，當導線長度小于10m時，導線電阻的影響可以忽略。本次測試使用的導線小于1m，所以可以忽略其影響。測試前固定導線，在切割以及測試過程中，不要移動導線，保證數據的穩(wěn)定性。
實驗結果與分析
由表1可以看出，在第1、2、3次切割時4個測試點發(fā)生了較大的應變變化，第4次切割后，各測試點幾乎不變。此時，測試點1被切離缸體，后續(xù)切割應變變化都為零。第5次切割在測試點3處。切割完成后，測試點3、2和4都有明顯的應變釋放，其中測試點2和4變化*大。第6次切割后，測試點3被切離缸體，測試點3、2和4無應變變化。第7次切割后，測試點2、4有一定的應變釋放。第8次切割后，測試點2、4基本上沒有應變釋放，測試點2也被切離缸體。第10次切割后，測試點4被切離缸體，只有少量殘余應變，大部分殘余應變已在第9次切割中釋放殆盡。綜上所述，在每個測試點從切離缸體的*后一次切割為殘余應變釋放主要釋放時刻，從切離缸體后沒有應變釋放。
由表2可以看出，未進行時效的缸體，在測試點1和3處有殘余壓應力，在測試點2和4處有較大的殘余拉應力。殘余拉應力明顯大于殘余壓應力。本文中缸體材料的抗拉強度為270MPa、測試點2和4處的殘余應力分別達到238、243MPa。接近材料的抗拉強度。所以測試點2和4是缸體危險點，容易發(fā)生變形和開裂。與未時效的缸體相比，經時效熱處理缸體各測試點殘余應力平均值降到21MPa。
結論
1. 采用切割法對發(fā)動機缸體內部進行殘余應力測試，實驗方法簡單，結果可靠，為缸體安全受力分析提供了依據。
2. 缸體鑄造毛坯內部存在較大的殘余應力，如果*大殘余應力接近材料的強度極限，則存在變形和開裂的危險，需要進行應力處理。
