再制造機械設備疲勞壽命預測方法綜述

(新疆大學機械工程學院 新疆 烏魯木齊 830047)

一、引言

再制造的概念是由我國學者徐院士最先提出來的，一經提出便得到了長足的發展。再制造相比于制造新品，它是將失效零部件作為再制造毛坯，直接對其進行再制造技修復[1]。借助這種修復方法，能夠有效的降低生產成本，節約資源，有利于提高資源利用率，并可起到顯著保護環境的作用[1]。所以大力發展再制造技術，對國計民生、環境保護、資源利用等方面都有不可估量的巨大作用。對再制造機械設備進行壽命預測研究，能夠因零件失效導致事故發生前及時對零件進行更換或者維修，從而保障生產活動的正常進行和相關生產人員的人身安全。目前對再制造機械設備進行壽命評估內容主要分為對再制造毛坯壽命評估和對再制造產品壽命評估[2]。零件失效后，需要對其進行剩余壽命評估，是為了衡量再制造毛坯是否具有再制造的價值,而其判斷的標準就是剩余壽命能否滿足產品規定的一個生命周期，滿足則可用于再制造。而對滿足再制造的毛坯進行再制造修復，使其取得良好的使用性能，再對其進行壽命預測的目的是為了保證再制造產品的安全使用壽命能夠滿足工況需要,即可以達到甚至超過新產品的使用壽命。

二、疲勞壽命分析方法：

目前對再制造機械設備壽命進行預測主要評估方法有3類：①基于力學理論的分析計算法②力學實驗方法；③采用無損檢測技術預測剩余壽命。

(一)分析計算法

根據疲勞損傷的發展過程可將疲勞壽命分為兩個主要階段[3-4]：(一)裂紋萌生壽命(二)裂紋擴展壽命。(一)基于裂紋萌生壽命的剩余疲勞壽命預測的基本思路是：首先獲得零部件在最大載荷下的疲勞壽命，再減去利用已知的服役疲勞損傷累積得到最大當量壽命，即可得到再制造毛坯的剩余疲勞壽命。目前對于裂紋形成壽命預測主要有以下方法：(1)名義應力法。名義應力法實際上是一個傳統的安全疲勞壽命估算法。該方法認為:對任一構件(或結構細節或元件),只要應力集中系數 K T 相同,載荷譜相同,它們的壽命就相同。此法中的控制參數為名義應力。名義應力法估算疲勞壽命的步驟為:①根據應力測量、應力分析的結果,綜合考慮缺口附近的應力、應力集中大小或應力集中系數來確定結構中的危險部位；②根據規范或實測得到疲勞載荷譜,然后依據數理統計方法將載荷譜轉換為試驗應力譜;③建立對應于各應力譜的S-N曲線;④選取合適的累積損傷理論;⑤選取疲勞壽命的分散系數。(2)局部應變法：局部應變法把疲勞壽命的估算建立在最危險的切口或其它應力集中部位的應力和應變的局部估算上。局部應變法估算疲勞壽命的步驟為:①從分析載荷的最大峰值開始,根據載荷-應變標定曲線和循環應力-應變曲線,計算初始的缺口應力和應變;②根據公式計算相應后面加載歷史的缺口應力和應變 ;③對每一閉合的應力-應變遲滯回線,用公式計算相應的循環壽命;④對整個加載歷史進行累積計算總的壽命。(3)局部應力-應變法：決定構件疲勞強度和壽命的是應變集中處的最大局部應力和應變,因此,近代在應變分析和低周疲勞的基礎上,提出了一種新的疲勞壽命估算方法—局部應力-應變法。局部應力-應變法估算疲勞壽命的步驟:①輸入一系列現場載荷或名義應變;②利用循環載荷-應變曲線將載荷-時間歷程轉換為應變-時間歷程;③把應變-時間歷程轉換為應力-時間歷程;④利用 Neuber 公式將名義應力轉換為缺口根部的應力應變;⑤利用線性累積損傷理論估算出疲勞壽命。(二)裂紋擴展壽命預測方法：裂紋擴展分析以斷裂力學理論為基礎,主要為損傷容限設計所采用,其基本思路是假定裂紋是預先存在的再用斷裂力學的分析和試驗方法判斷這些裂紋是否在定期檢查被查出以前即已擴展到臨界尺寸,適用于裂紋擴展較慢并有高斷裂韌性的材料[5]。(1)常幅加載時的疲勞裂紋擴展壽命預測常幅加載時的疲勞裂紋擴展階段壽命預測是利用斷裂力學方法進行的,壽命預測的步驟是:①首先確定構件上的初始裂紋尺寸a0;②用公式計算或查表定出應力強度因子;③確定破壞判據,并通過破壞判據確定臨界裂紋尺寸ac;④確定從初始裂紋尺寸a0擴展到臨界裂紋尺寸ac所需要的循環次數,即確定壽命Nf(2)變幅加載下疲勞裂紋擴展壽命預測實際構件受載往往是變幅加載或隨機加載,對于變幅加載的擴展壽命預測,情況較為復雜,其步驟大致為:①首先根據常幅載荷下的da/dN與ΔK關系給出裂紋擴展表達式;②給出對應于特定載荷序列的變幅載荷下的da/dF與K關系曲線;③根據載荷譜下da/dF與K關系,利用數值積分法求出裂紋擴展壽命。

(二)力學試驗法

力學試驗法是對零件實物模型進行模擬服役工況的動/靜載荷試驗來得到零件的疲勞極限載荷，是目前研究曲軸疲勞強度最為可靠而實用的技術途徑。研究曲軸疲勞強度的力學試驗法通常有：(1)光彈性試驗(2)動/靜態電測試驗法(3)疲勞試驗法。(1)光彈性試驗法：通常采用環氧樹脂在蠟模中澆鑄制作出與實際曲軸形狀成比例的模型后，依據實際的工況對曲軸模型進行加載，把承載的曲軸模型放置在偏振光場中，通過觀察與曲軸模型上各點應力狀態有關的光學條紋，利用這些條紋并運用相似原理，可由曲軸模型的應力換算出實際曲軸構件的整體應力分布狀態。(2)動/靜態電測試驗法：可在曲軸本體上進行，可以反映出實體曲軸的真實應力狀態。但是受應變片結構的制約，動/靜態電測試驗法只能研究曲軸本體上若干離散點的應力狀態。(3)疲勞試驗法：在專用的試驗設備上進行，通常依據待測機械設備的失效形式，進行獨立的彎曲疲勞試驗和(或)扭轉疲勞試驗。

(三)無損檢測技術預測剩余壽命

無損檢測技術[6]可以在不破壞構件的前提下，檢測構件中缺陷的產生、發展情況來進行質量評估及壽命預測。常用的方法有滲透探傷法、渦流法、熒光磁粉法等。受檢測原理的制約，這些檢測手段只能發現表面裂紋或近表面裂紋，反映的裂紋特征信息也較為單一和粗糙，難以全面把握曲軸疲勞損傷程度。目前能進行在線監測和診斷，可行的檢測手段主要有：(1)振動位移法(2)聲發射技術等。(1)振動位移法：通常是利用位移傳感器和加速度傳感器來測量曲軸系統的模態特征，通過分析對裂紋敏感的參數如模態頻率和阻尼來實現曲軸裂紋診斷。振動位移法的不足之處在于振動信號容易受到外界因素的影響，且要進行二次信號處理才能得到可用的信號，過程繁瑣，對該方法的進一步應用帶來了極大的困難。(2)聲發射技術作為可以實現裂紋擴展的實時動態監測檢測技術，目前已有一些學者將其應用于曲軸裂紋診斷的研究中。但是聲發射技術的不足之處在于檢測結果容易受外界環境的干擾，在線監測過程中，通常伴隨有很強烈的環境噪聲，由曲軸裂紋擴展發射出的高頻聲波難以被測量到，因此抑制噪聲、排除冗余信號是制約聲發射技術的工程應用的關鍵問題。金屬磁記憶技術是一門新興的無損檢測技術，利用在地磁場中受載鐵磁性構件所產生的磁記憶效應，通過測量由于應力和缺陷所導致的構件表面磁場變化，測定構件表面和近表面的缺陷和應力集中區的無損檢測方法。金屬磁記憶技術[7]主要是基于磁機械效應，是利用鐵磁構件在服役過程中自發產生的弱磁信號來發現應力集中區域。在地磁場環境下，鐵磁材料受到外載荷作用，在鐵磁材料的應力集中區域出現殘余磁感應和自磁化的增長，形成磁疇的固定結點，以漏磁場的形式出現在鐵磁材料表面，并在工作載荷消除后仍然保留，這一增強的磁場能夠“記憶”鐵磁部件表面應力集中的位置，可認為磁記憶信號可以表征殘余應力、工作應力以及裂紋類缺陷，從而可以建立磁信號與裂紋擴展壽命間聯系，從而達到預測壽命的目的。

三、總結

再制造機械設備的疲勞是個復雜的過程,受多種因素的影響,要精確地預估構件的疲勞壽命,需要選擇合適的模型,這就需要宏觀力學方面的研究,包括疲勞裂紋發生、發展直至破壞的機理。同時還需要微觀力學方面的研究包括位錯理論等。此外,還涉及到金屬材料科學、材料力學、振動力學、疲勞理論、斷裂力學和計算方法等多門學科。因此以上所涉及到的壽命預測模型都有其特定的適用范圍，目前尚無一個統一的、能涵蓋微觀、細觀和宏觀三種不同尺度的工程定量模型能夠準確描述曲軸的疲勞行為。只有更深刻地認識了疲勞破壞的機理,將宏觀和微觀研究結合起來,才能更精確地預測壽命。