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内　燃　机　学　报 ( ) ( ) 第 21 卷 2003 第 3 期　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　Vol. 21 2003 No. 3 　　　　　　　　 Transactions of CSICE ( ) 文章编号 2003 21056 内燃机曲轴裂纹故障的动态监测方法研究① 雷宣扬 , 宋希庚 (大连理工大学 内燃机研究所 , 辽宁 大连 116023) 　　　　　　　　摘要 :采用振动分析法研究了诊断曲轴裂纹的途径。根据曲轴内拐角处裂纹的特点 ,结合断裂力学中的 理论———可以从应变能密度方程出发计算得出因裂纹而引起的局部柔度变化 ,提出了一种推演含有斜 向裂纹矩形截面梁单元刚度矩阵的新方法。应用此裂纹梁单元,采用有限元法模拟 ,可以计算出含有裂 纹的单缸发动机曲轴的非线性振动响应。通过分析计算结果 ,得出了一些有益于诊断曲轴裂纹的结论。 关键词 : 曲轴;裂纹 ;振动响应 ;非线性 中图分类号: TK418 　　　文献标识码 :A 果进行频域分析 ,从中得出了一些有用的结论 ,为实 引言 现曲轴裂纹监测和诊断提供了理论依据。 结构裂纹诊断问题在近些年来受到广泛关注 , 1 　曲轴有限元模型的建立方法 相关的研究成果越来越多 ,其中大多数都是从分析 结构振动特性出发提取裂纹的表征 ,并得出了很多 　　文献[3 ] 、文献[4 ]采用梁单元来模拟曲轴的振 有用的结论。特别是在识别各种边界条件的梁以及 动特性 ,取得了合理的结果 ,因此本文亦沿用其建模 转子裂纹方面 ,已研究并提出了不少有效的方法[1 ] 。 方法。采用梁单元模拟曲轴振动特性的方法如下所 但对于如曲轴这种结构和振动特性都较为复杂的系 述 :曲轴的各圆柱体部件采用圆形截面的 Timo 统的研究还很少。由于曲轴是发动机的主要运动部 shenko 空间梁单元模拟 , 曲柄臂则采用矩形截面的 件之一 ,并且曲轴裂纹故障在实际应用中也时有发 Timoshenko 空间梁单元模拟;将轴承支撑和粘性阻 ( ) [2 ] 生 特别是对于船用发动机 ,因此, 曲轴裂纹识别 尼简化为线性阻尼弹簧。 方法的研究是非常必要和有意义的。 　　对于曲轴裂纹 ,根据其具体特点和部位采用相 虽然裂纹的出现会引起曲轴结构固有频率和振 应的裂纹空间梁单元模拟。本文关注的是曲轴内拐 型的变化 ,但仅以此显然不足以作为曲轴裂纹识别 角处的裂纹 ,因为曲轴的内拐角处是最常出现裂纹 的依据,原因在于 :一方面 , 因为这种结构固有频率 的部位之一,也是曲轴疲劳破坏的部位。通常认为 和振型的变化不大 ,同时没有明显的规律,很容易受 此处裂纹方向与曲柄臂的夹角大约呈 45°,且在曲轴 到其它因素的干扰 ;另一方面 ,通过测定固有频率和 臂内发