氣門彈簧的預(yù)緊力和彈簧剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)
發(fā)布時(shí)間：2024-06-16 點(diǎn)擊：184
氣門彈簧的預(yù)緊力和彈簧剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)
柴油發(fā)電機(jī)配件之氣門彈簧制造過程中，節(jié)距影響彈簧自由長度，而劣質(zhì)彈簧的性能進(jìn)一步影響柴油機(jī)的故障率。本文根據(jù)實(shí)際的氣門彈簧節(jié)距和線圈數(shù)，用catia建立數(shù)學(xué)模型，確定彈簧自由長度、節(jié)距以及彈簧圈數(shù)之間的關(guān)系。基于abaqus平臺(tái)，以標(biāo)準(zhǔn)彈簧 為力學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)不同超差量的氣門彈簧模型進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。
氣門彈簧是柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中氣門組件的重要組成部分，通過彈簧自身張力克服氣門關(guān)閉過程中氣門及傳動(dòng)件因慣性力而產(chǎn)生的間隙，保證氣門及時(shí)落座并緊密貼合，同時(shí)也可防止氣門在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)因跳動(dòng)而破壞密封。而在實(shí)際氣門彈簧的生產(chǎn)過程中，無法對(duì)廢品彈簧進(jìn)行及時(shí)有效的在線判斷，造成生產(chǎn)過程中的廢品率過高。因此，對(duì)于如何在線判斷廢品、判斷廢品的依據(jù)以及調(diào)整工藝參數(shù)的依據(jù)顯得尤為重要。而氣門彈簧的節(jié)距，是彈簧力學(xué)性能的重要參數(shù)。同時(shí)，也是實(shí)際生產(chǎn)過程中需要控制的生產(chǎn)參數(shù)。它影響氣門彈簧的自由長度，從而直接影響彈簧的力學(xué)性能。但是，由于生產(chǎn)工藝的影響，實(shí)際生產(chǎn)過程中，彈簧節(jié)距值與理論設(shè)計(jì)值總存在一定的偏差。當(dāng)超差量在一定范圍內(nèi)時(shí)，不會(huì)影響到彈簧的合格率，同時(shí)能減少生產(chǎn)成本。本文著重分析節(jié)距偏差對(duì)彈簧總長的影響，建立不同偏差值的彈簧模型，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，以獲得能保證其使用性能的最大偏差量。
一、氣門彈簧的性能要求及功能
1、氣門彈簧功能
氣門彈簧的功用是保證氣門在關(guān)閉時(shí)能壓緊在氣門座上，而在運(yùn)動(dòng)時(shí)使傳動(dòng)件保持相互接觸，不致因慣性力的作用而相互脫離，產(chǎn)生沖擊和噪聲。所以氣門彈簧在安裝時(shí)就有較大氣門彈簧的材料通常為高碳錳鋼、硅錳鋼和鎳鉻錳鋼的鋼絲，用冷繞成型后，經(jīng)熱處理而成。為了提高彈簧的疲勞強(qiáng)度，一般用噴丸或噴砂表面處理。氣門彈簧的形狀多為圓柱形螺旋彈簧，如圖1所示。
氣門彈簧的使用過程中，由于受到壓縮載荷的作用，會(huì)產(chǎn)生并圈現(xiàn)象，這種自接觸行為會(huì)導(dǎo)致彈簧剛度呈非線性變化。在壓應(yīng)力作用下，氣門彈簧會(huì)受到沿著45°方向的剪應(yīng)力作用，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。因此，設(shè)計(jì)過程中，必須保證氣門彈簧的最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力小于許用應(yīng)力，其1階模態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作頻率，如圖2所示。
氣門彈簧在工作時(shí)可能發(fā)生共振。當(dāng)氣門彈簧的固有振動(dòng)頻率與凸輪軸轉(zhuǎn)速或氣門開閉的次數(shù)成倍數(shù)關(guān)系時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振。共振會(huì)使氣門彈簧加速疲勞損壞，配氣機(jī)構(gòu)也無法正常工作，因而應(yīng)盡力防止。
圖1 氣門彈簧鎖緊裝置示意圖
圖2 氣門彈簧疲勞破壞圖
2、氣門彈簧性能要求
氣門彈簧的基本參數(shù)是彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度。氣門彈簧在疲勞壽命的使用范圍內(nèi)，必須保證彈簧具有規(guī)定要求的彈性剛度，提供足夠的反力來平衡系統(tǒng)中氣門及其相關(guān)附件產(chǎn)生的各種力和慣性力，保證氣門閉合的力度和避免氣門飛脫。同時(shí)，必須保證氣門彈簧的工作頻率和它的固有振動(dòng)頻率不成整數(shù)倍關(guān)系，防止發(fā)生共振，使彈簧發(fā)生斷裂。
（1）增加彈簧剛度
通過增加彈簧剛度來提高固有頻率是防止共振的措施之一。但剛度增加，凸輪表面的接蘭應(yīng)力加大，使磨損加快，曲軸驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)所消耗的功也增加。有的柴油發(fā)電機(jī)組采用變鏍距彈簧來防止共振。工作時(shí)，彈簧螺距較小的一端逐漸疊合，有效圈數(shù)不斷減少，因而固有頻率也不斷增加。這種氣門彈簧在安裝時(shí)，應(yīng)將螺距較小的一端靠近氣門座。
（2）采用兩根彈簧
不少柴油發(fā)電機(jī)組采用兩根氣門彈簧來防止共振。內(nèi)、外兩根氣門彈簧同心地安裝在一個(gè)氣門。采用雙彈簧的優(yōu)點(diǎn)除了可以防止共振外，同時(shí)當(dāng)一根彈簧折斷時(shí)，另一根還可繼續(xù)維持工作，不致產(chǎn)生氣門落人汽缸的事故。此外，在保證相同彈力的條件下，雙彈簧的高度可比一根彈簧的小，因而可降低整機(jī)高度。采用雙彈簧時(shí)，內(nèi)、外彈簧的螺旋方向應(yīng)相反，以避免當(dāng)一根彈簧折斷時(shí)，折斷部分卡入另一根彈簧中。
二、彈簧節(jié)距與自由長度的數(shù)模
在氣門彈簧的實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于伴隨著節(jié)距誤差，彈簧的節(jié)距會(huì)逐漸增加。因此，彈簧的自由長度也會(huì)增加而偏離理論值。為了建立合適的節(jié)距——自由長度數(shù)學(xué)模型，測(cè)量了大量的彈簧實(shí)際節(jié)距，得到以下彈簧自由長度計(jì)算公式：
li是氣門彈簧在180度位置的實(shí)際測(cè)量高度，n和d分別表示氣門彈簧的圈數(shù)和氣門彈簧的鋼絲直徑。測(cè)量時(shí)，分別測(cè)量彈簧上下端面到中面的距離來減少測(cè)量誤差，然后對(duì)這些節(jié)距進(jìn)行數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)：
（1）規(guī)定氣門彈簧上、下偏差后，每個(gè)彈簧的節(jié)距值的變化趨勢(shì)一致。
（2）對(duì)于同一個(gè)彈簧，相鄰的三圈彈簧之間，測(cè)量出兩個(gè)不同的節(jié)距值。
三、氣門彈簧分析理論及cad模型
1、分析理論
（1）靜力學(xué)分析理論
氣門彈簧的靜力分析過程中，忽略了慣性力，及平衡方程中并沒有考慮了加速度的影響，因而整個(gè)系統(tǒng)控制方程為
[k] {u} = {f}
因此，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問題，即歸結(jié)為求解靜力方程。
（2）模態(tài)分析理論
模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀的方法，其在分析中會(huì)假設(shè)：
① 結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣不發(fā)生改變；
② 除非指定使用阻尼特征求解方法，否則不考慮阻尼效應(yīng)；
③ 結(jié)構(gòu)中沒有隨時(shí)間變化的載荷。
在無阻尼系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程如下所示
[m] {ü} + [k] {u} = {0}
式中：[m]——質(zhì)量矩陣；
[k]——剛度矩陣，可以包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)帶來的附加剛度；
{ü}——節(jié)點(diǎn)加速度向量；
{u}——節(jié)點(diǎn)位移向量。
2、氣門彈簧cad模型
實(shí)際生產(chǎn)過程中，彈簧的節(jié)距與理想的設(shè)計(jì)尺寸存在一定的誤差，因此，理想的彈簧設(shè)計(jì)模型與實(shí)際制造的彈簧模型存在一定的差別。其中，自由長度以及節(jié)距的差異性造成了實(shí)際生產(chǎn)的氣門彈簧與理論設(shè)計(jì)的彈簧的力學(xué)性能的差異。通過建立數(shù)學(xué)模型，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過程中，氣門彈簧的自由長度超差量分別為正向超差、負(fù)向超差。某企業(yè)氣門彈簧生產(chǎn)過程中，允許的正負(fù)值超差量極值均為2 mm。實(shí)際生產(chǎn)中彈簧自由長度超差量越大，生產(chǎn)中的廢品率越高。為了找到正、負(fù)偏差量的極限值，同時(shí)驗(yàn)證2mm的超差量時(shí)，生產(chǎn)出的彈簧是否符合要求，分別在兩個(gè)極限范圍內(nèi)設(shè)置不同超差量，實(shí)際自由長度超差量數(shù)值如表1所示：
根據(jù)實(shí)際彈簧的節(jié)距變化數(shù)據(jù)找到的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出每一圈彈簧節(jié)距相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件彈簧的變化值，建立不同自由長度超差量氣門彈簧的cad模型。
表1 彈簧模型超差量/mm
項(xiàng)目
模型一
模型二
模型三
模型四
模型五
模型六
模型七
正超差量
0.5
1.0
1.5
2.5
3.0
3.5
4.0
負(fù)超差量
-0.5
-1.0
-1.5
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
四、結(jié)果及分析
1、標(biāo)準(zhǔn)氣門彈簧性能
彈簧實(shí)際生產(chǎn)過程中，實(shí)際節(jié)距與理論值總存在一定的偏差，因此，彈簧的剛度和質(zhì)量也會(huì)隨之變化，
康明斯發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是什么
調(diào)整柴油發(fā)電機(jī)組噴油泵供油量不均以及原因分析
康明斯柴油發(fā)電機(jī)的連桿檢查
硅整流發(fā)電機(jī)維護(hù)和拆卸步驟
提醒用戶做好里卡多柴油發(fā)電機(jī)維護(hù)防范工作6大準(zhǔn)備
重慶康明斯柴油發(fā)電機(jī)組水加熱器變更尺寸性能參數(shù)對(duì)比
兩種柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)
發(fā)電機(jī)組用蓄電池電壓虛高的原因和檢查方法
柴油發(fā)電機(jī)配件之氣門彈簧制造過程中，節(jié)距影響彈簧自由長度，而劣質(zhì)彈簧的性能進(jìn)一步影響柴油機(jī)的故障率。本文根據(jù)實(shí)際的氣門彈簧節(jié)距和線圈數(shù)，用catia建立數(shù)學(xué)模型，確定彈簧自由長度、節(jié)距以及彈簧圈數(shù)之間的關(guān)系。基于abaqus平臺(tái)，以標(biāo)準(zhǔn)彈簧 為力學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)不同超差量的氣門彈簧模型進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。
氣門彈簧是柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中氣門組件的重要組成部分，通過彈簧自身張力克服氣門關(guān)閉過程中氣門及傳動(dòng)件因慣性力而產(chǎn)生的間隙，保證氣門及時(shí)落座并緊密貼合，同時(shí)也可防止氣門在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)因跳動(dòng)而破壞密封。而在實(shí)際氣門彈簧的生產(chǎn)過程中，無法對(duì)廢品彈簧進(jìn)行及時(shí)有效的在線判斷，造成生產(chǎn)過程中的廢品率過高。因此，對(duì)于如何在線判斷廢品、判斷廢品的依據(jù)以及調(diào)整工藝參數(shù)的依據(jù)顯得尤為重要。而氣門彈簧的節(jié)距，是彈簧力學(xué)性能的重要參數(shù)。同時(shí)，也是實(shí)際生產(chǎn)過程中需要控制的生產(chǎn)參數(shù)。它影響氣門彈簧的自由長度，從而直接影響彈簧的力學(xué)性能。但是，由于生產(chǎn)工藝的影響，實(shí)際生產(chǎn)過程中，彈簧節(jié)距值與理論設(shè)計(jì)值總存在一定的偏差。當(dāng)超差量在一定范圍內(nèi)時(shí)，不會(huì)影響到彈簧的合格率，同時(shí)能減少生產(chǎn)成本。本文著重分析節(jié)距偏差對(duì)彈簧總長的影響，建立不同偏差值的彈簧模型，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，以獲得能保證其使用性能的最大偏差量。
一、氣門彈簧的性能要求及功能
1、氣門彈簧功能
氣門彈簧的功用是保證氣門在關(guān)閉時(shí)能壓緊在氣門座上，而在運(yùn)動(dòng)時(shí)使傳動(dòng)件保持相互接觸，不致因慣性力的作用而相互脫離，產(chǎn)生沖擊和噪聲。所以氣門彈簧在安裝時(shí)就有較大氣門彈簧的材料通常為高碳錳鋼、硅錳鋼和鎳鉻錳鋼的鋼絲，用冷繞成型后，經(jīng)熱處理而成。為了提高彈簧的疲勞強(qiáng)度，一般用噴丸或噴砂表面處理。氣門彈簧的形狀多為圓柱形螺旋彈簧，如圖1所示。
氣門彈簧的使用過程中，由于受到壓縮載荷的作用，會(huì)產(chǎn)生并圈現(xiàn)象，這種自接觸行為會(huì)導(dǎo)致彈簧剛度呈非線性變化。在壓應(yīng)力作用下，氣門彈簧會(huì)受到沿著45°方向的剪應(yīng)力作用，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。因此，設(shè)計(jì)過程中，必須保證氣門彈簧的最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力小于許用應(yīng)力，其1階模態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作頻率，如圖2所示。
氣門彈簧在工作時(shí)可能發(fā)生共振。當(dāng)氣門彈簧的固有振動(dòng)頻率與凸輪軸轉(zhuǎn)速或氣門開閉的次數(shù)成倍數(shù)關(guān)系時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振。共振會(huì)使氣門彈簧加速疲勞損壞，配氣機(jī)構(gòu)也無法正常工作，因而應(yīng)盡力防止。
圖1 氣門彈簧鎖緊裝置示意圖
圖2 氣門彈簧疲勞破壞圖
2、氣門彈簧性能要求
氣門彈簧的基本參數(shù)是彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度。氣門彈簧在疲勞壽命的使用范圍內(nèi)，必須保證彈簧具有規(guī)定要求的彈性剛度，提供足夠的反力來平衡系統(tǒng)中氣門及其相關(guān)附件產(chǎn)生的各種力和慣性力，保證氣門閉合的力度和避免氣門飛脫。同時(shí)，必須保證氣門彈簧的工作頻率和它的固有振動(dòng)頻率不成整數(shù)倍關(guān)系，防止發(fā)生共振，使彈簧發(fā)生斷裂。
（1）增加彈簧剛度
通過增加彈簧剛度來提高固有頻率是防止共振的措施之一。但剛度增加，凸輪表面的接蘭應(yīng)力加大，使磨損加快，曲軸驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)所消耗的功也增加。有的柴油發(fā)電機(jī)組采用變鏍距彈簧來防止共振。工作時(shí)，彈簧螺距較小的一端逐漸疊合，有效圈數(shù)不斷減少，因而固有頻率也不斷增加。這種氣門彈簧在安裝時(shí)，應(yīng)將螺距較小的一端靠近氣門座。
（2）采用兩根彈簧
不少柴油發(fā)電機(jī)組采用兩根氣門彈簧來防止共振。內(nèi)、外兩根氣門彈簧同心地安裝在一個(gè)氣門。采用雙彈簧的優(yōu)點(diǎn)除了可以防止共振外，同時(shí)當(dāng)一根彈簧折斷時(shí)，另一根還可繼續(xù)維持工作，不致產(chǎn)生氣門落人汽缸的事故。此外，在保證相同彈力的條件下，雙彈簧的高度可比一根彈簧的小，因而可降低整機(jī)高度。采用雙彈簧時(shí)，內(nèi)、外彈簧的螺旋方向應(yīng)相反，以避免當(dāng)一根彈簧折斷時(shí)，折斷部分卡入另一根彈簧中。
二、彈簧節(jié)距與自由長度的數(shù)模
在氣門彈簧的實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于伴隨著節(jié)距誤差，彈簧的節(jié)距會(huì)逐漸增加。因此，彈簧的自由長度也會(huì)增加而偏離理論值。為了建立合適的節(jié)距——自由長度數(shù)學(xué)模型，測(cè)量了大量的彈簧實(shí)際節(jié)距，得到以下彈簧自由長度計(jì)算公式：
li是氣門彈簧在180度位置的實(shí)際測(cè)量高度，n和d分別表示氣門彈簧的圈數(shù)和氣門彈簧的鋼絲直徑。測(cè)量時(shí)，分別測(cè)量彈簧上下端面到中面的距離來減少測(cè)量誤差，然后對(duì)這些節(jié)距進(jìn)行數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)：
（1）規(guī)定氣門彈簧上、下偏差后，每個(gè)彈簧的節(jié)距值的變化趨勢(shì)一致。
（2）對(duì)于同一個(gè)彈簧，相鄰的三圈彈簧之間，測(cè)量出兩個(gè)不同的節(jié)距值。
三、氣門彈簧分析理論及cad模型
1、分析理論
（1）靜力學(xué)分析理論
氣門彈簧的靜力分析過程中，忽略了慣性力，及平衡方程中并沒有考慮了加速度的影響，因而整個(gè)系統(tǒng)控制方程為
[k] {u} = {f}
因此，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問題，即歸結(jié)為求解靜力方程。
（2）模態(tài)分析理論
模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀的方法，其在分析中會(huì)假設(shè)：
① 結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣不發(fā)生改變；
② 除非指定使用阻尼特征求解方法，否則不考慮阻尼效應(yīng)；
③ 結(jié)構(gòu)中沒有隨時(shí)間變化的載荷。
在無阻尼系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程如下所示
[m] {ü} + [k] {u} = {0}
式中：[m]——質(zhì)量矩陣；
[k]——剛度矩陣，可以包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)帶來的附加剛度；
{ü}——節(jié)點(diǎn)加速度向量；
{u}——節(jié)點(diǎn)位移向量。
2、氣門彈簧cad模型
實(shí)際生產(chǎn)過程中，彈簧的節(jié)距與理想的設(shè)計(jì)尺寸存在一定的誤差，因此，理想的彈簧設(shè)計(jì)模型與實(shí)際制造的彈簧模型存在一定的差別。其中，自由長度以及節(jié)距的差異性造成了實(shí)際生產(chǎn)的氣門彈簧與理論設(shè)計(jì)的彈簧的力學(xué)性能的差異。通過建立數(shù)學(xué)模型，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過程中，氣門彈簧的自由長度超差量分別為正向超差、負(fù)向超差。某企業(yè)氣門彈簧生產(chǎn)過程中，允許的正負(fù)值超差量極值均為2 mm。實(shí)際生產(chǎn)中彈簧自由長度超差量越大，生產(chǎn)中的廢品率越高。為了找到正、負(fù)偏差量的極限值，同時(shí)驗(yàn)證2mm的超差量時(shí)，生產(chǎn)出的彈簧是否符合要求，分別在兩個(gè)極限范圍內(nèi)設(shè)置不同超差量，實(shí)際自由長度超差量數(shù)值如表1所示：
根據(jù)實(shí)際彈簧的節(jié)距變化數(shù)據(jù)找到的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出每一圈彈簧節(jié)距相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件彈簧的變化值，建立不同自由長度超差量氣門彈簧的cad模型。
表1 彈簧模型超差量/mm
項(xiàng)目
模型一
模型二
模型三
模型四
模型五
模型六
模型七
正超差量
0.5
1.0
1.5
2.5
3.0
3.5
4.0
負(fù)超差量
-0.5
-1.0
-1.5
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
四、結(jié)果及分析
1、標(biāo)準(zhǔn)氣門彈簧性能
彈簧實(shí)際生產(chǎn)過程中，實(shí)際節(jié)距與理論值總存在一定的偏差，因此，彈簧的剛度和質(zhì)量也會(huì)隨之變化，
康明斯發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是什么
調(diào)整柴油發(fā)電機(jī)組噴油泵供油量不均以及原因分析
康明斯柴油發(fā)電機(jī)的連桿檢查
硅整流發(fā)電機(jī)維護(hù)和拆卸步驟
提醒用戶做好里卡多柴油發(fā)電機(jī)維護(hù)防范工作6大準(zhǔn)備
重慶康明斯柴油發(fā)電機(jī)組水加熱器變更尺寸性能參數(shù)對(duì)比
兩種柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)
發(fā)電機(jī)組用蓄電池電壓虛高的原因和檢查方法