基于有限元方法的某發(fā)動(dòng)機(jī)水泵皮帶輪故障分析

張志斌 馬靜 王悅 宋文福 郭宇

摘 要：文章以某發(fā)動(dòng)機(jī)水泵皮帶輪故障為切入點(diǎn)，只采用有限元方法計(jì)算的米塞斯應(yīng)力結(jié)果很難再現(xiàn)故障，這是典型的低應(yīng)力高周疲勞故障的案例，通過(guò)結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)上的疲勞軟件能夠很好的再現(xiàn)故障位置。

關(guān)鍵詞：皮帶輪;有限元方法;疲勞分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-113-02

Fault Analysis of a Certain Engine Pump Pulley Based on Finite Element Method

Zhang Zhibin， Ma Jing， Wang Yue， Song Wenfu， Guo Yu

（Center of Technology， Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co.， Ltd， Heilongjiang Harbin 150060）

Abstract： This paper takes the fault of a certain engine pump pulley as the starting point， the Mises stress result calculated only by finite element method are difficult to reproduce the fault， this is a typical case of low stress and high cycle fatigue failure， the fault location can be reproduce well by combining statistical fatigue software.

Keywords： Pulley; Finite element method; Fatigue analysis

CLC NO.： U467? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）17-113-02

1 引言

本技術(shù)中心發(fā)動(dòng)機(jī)部門(mén)在做某發(fā)動(dòng)機(jī)水泵皮帶輪單體臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，在皮帶輪輪輻和輪轂的圓角處發(fā)生了斷裂現(xiàn)象，經(jīng)CAE科相關(guān)人員的初步分析鎖定故障是皮帶載荷引起的低應(yīng)力高周疲勞破壞，為了從原理上再現(xiàn)故障模式，采取有限元方法結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)疲勞方法計(jì)算皮帶輪的安全系數(shù)，分別計(jì)算圓角半徑分別為0.2毫米和1.2毫米的皮帶輪模型。

2 皮帶輪的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

皮帶輪在臺(tái)架上經(jīng)歷了450個(gè)小時(shí)候的耐久試驗(yàn)結(jié)果如下圖1所示，沿圓角處完全斷裂。

3 皮帶輪的有限元模型

3.1 圓角為0.2毫米的有限元模型

圓角為0.2毫米的有限元模型如下圖2所示，為了體現(xiàn)出圓角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，將圓角的網(wǎng)格劃分成三層。

3.2 圓角為1.2毫米的有限元模型

P2混圓角為1.2毫米的有限元模型如下圖3所示，為了盡量準(zhǔn)確的體現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)考慮到計(jì)算模型大小問(wèn)題，將圓角的網(wǎng)格同樣劃分成三層。

3.3 皮帶輪的材料特性

水泵皮帶輪主體結(jié)構(gòu)用的是ST12普通冷軋鋼，由于通用的有限元計(jì)算軟件通常需要自己定義單位，本次計(jì)算將單位定義成毫米、噸、秒。密度是7.8E-9tone/m3，彈性模量是210000MPa，泊松比設(shè)置成0.28，材料的屈服強(qiáng)度是195MPa，ST12冷軋鋼的特性跟Q195比較相似。

4 皮帶輪計(jì)算的載荷條件

對(duì)本次皮帶輪的計(jì)算主要考慮皮帶輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受到皮帶彈力的作用，由于皮帶輪是轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件，因此受到的合力作用是一個(gè)相對(duì)的旋轉(zhuǎn)力場(chǎng)，為了既能高效的完成計(jì)算，又能盡量反映出故障問(wèn)題，將相對(duì)的旋轉(zhuǎn)力場(chǎng)用四個(gè)載荷步進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，將第一個(gè)載荷步施加在+Y方向上，第二個(gè)載荷步施加在+Z方向上，第三個(gè)載荷步施加在-Y方向上，第四個(gè)載荷步施加在-Z方向上，在計(jì)算ABAQUS中的載荷步設(shè)置如下圖4所示。

皮帶的張力一側(cè)是951N，一側(cè)是987N，皮帶對(duì)皮帶輪的包角是77°，根據(jù)力的平行四邊形合成法則和余弦定理計(jì)算出合力的大小為1544N，這個(gè)合力作用下的皮帶輪米塞斯應(yīng)力為30兆帕左右，但是皮帶輪的轉(zhuǎn)速是6000rpm，工作時(shí)間450小時(shí)，那么它一共旋轉(zhuǎn)1.6億次，這是典型的低應(yīng)力高周疲勞失效案例，因此需要將有限元計(jì)算結(jié)果結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)概念上的疲勞準(zhǔn)則進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算，皮帶輪的受力示意圖如下圖5所示。

5 仿真計(jì)算結(jié)果

5.1 圓角R0.2的計(jì)算結(jié)果

圓角R0.2的疲勞結(jié)果如下圖6所示，從結(jié)果中可以看出最小安全系數(shù)為1.066，最小安全系數(shù)小于參考標(biāo)準(zhǔn)（參考標(biāo)準(zhǔn)是安全系數(shù)>1.2），最薄弱區(qū)域出現(xiàn)在輪轂和輪輻結(jié)合的圓角處。

5.2 設(shè)圓角R1.2的計(jì)算結(jié)果

根圓角R1.2的疲勞結(jié)果如下圖7所示，從結(jié)果中可以看出最小安全系數(shù)為3.192，最小安全系數(shù)大于參考標(biāo)準(zhǔn)（參考標(biāo)準(zhǔn)是安全系數(shù)>1.2），最薄弱區(qū)域不是出現(xiàn)在輪轂和輪輻結(jié)合的圓角處，而是出現(xiàn)在皮帶輪和曲軸的安裝面附近。

6 結(jié)語(yǔ)

此次仿真計(jì)算是技術(shù)中心仿真科室參與了市場(chǎng)產(chǎn)品的故障攻關(guān)，皮帶輪在用戶(hù)使用過(guò)程中產(chǎn)生了破壞，公司積極組織各方人員進(jìn)行故障調(diào)查和原因排查，最終發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商提供的皮帶輪實(shí)物產(chǎn)品和設(shè)計(jì)圖紙要求的圓角有差異，設(shè)計(jì)部門(mén)圖紙要求圓角半徑為1.2mm，而實(shí)物檢測(cè)結(jié)果為圓角半徑0.2mm，因此初步懷疑圓角過(guò)小導(dǎo)致應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞破壞，通過(guò)仿真計(jì)算的結(jié)果從原理上證實(shí)了此次故障的原因就是圓角過(guò)小導(dǎo)致的疲勞破壞。

參考文獻(xiàn)

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