連桿小頭襯套過盈連接固持力的灰色預測

吳 江 陳 亮 周 毅

中國民航飛行學院,廣漢 ,618307

連桿小頭襯套過盈連接固持力的灰色預測

吳 江 陳 亮 周 毅

中國民航飛行學院,廣漢 ,618307

為揭示連桿小頭襯套過盈連接固持力的變化規(guī)律,分析了固持力的影響因素,得出該固持力是一個隨時間變化的隨機量。在此基礎(chǔ)上,采用灰色理論建立固持力的灰色預測模型,并對預測模型精度進行驗證。驗證結(jié)果表明:連桿小頭襯套過盈連接固持力預測結(jié)果的準確性高,灰色預測模型能較好地揭示固持力隨時間的變化規(guī)律。

連桿;過盈連接;固持力;灰色預測

0 引言

連桿小頭軸承座孔與襯套過盈連接構(gòu)成一個滑動軸承,過盈連接的可靠性直接影響滑動軸承的壽命和發(fā)動機的使用安全[1]。連桿小頭處于高溫、高脈動載荷、擺動及潤滑較差的復雜工作環(huán)境,襯套的過盈連接固持力隨使用時間增加而減小,故襯套松動成為該滑動軸承的主要失效形式之一[2]。分析連桿小頭襯套過盈連接固持力的變化規(guī)律,對襯套進行適時更換以防止襯套在工作中發(fā)生松動具有重要意義。雖然已有學者對過盈連接進行了深入的研究和探索[3-6],但連桿小頭襯套過盈連接固持力是一個隨時間呈非線性變化的隨機量,且影響因素眾多,很難統(tǒng)一分析,目前很少有文獻對其固持力的變化規(guī)律進行研究。本文通過連桿使用中襯套過盈連接固持力的實際測量數(shù)據(jù),運用灰色預測理論中的GM(1,1)模型,建立固持力隨時間變化的預測模型,揭示固持力的變化規(guī)律。

1 連桿小頭襯套過盈連接固持力分析

連桿小頭襯套過盈連接固持力不僅受初始過盈量的影響,還受襯套應力松弛、襯套與軸承座孔之間的微動磨損、襯套局部高應力區(qū)的變形等因素的影響。連桿小頭工作環(huán)境溫度在150℃以上,襯套在恒應變條件下,部分初始彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑椥宰冃味a(chǎn)生應力松馳,使過盈連接固持力隨使用時間增加而減小,其固持力的減小率與襯套的材料、初始應力狀態(tài)、環(huán)境溫度相關(guān)[7]。連桿小頭襯套在工作中承受往復擺動的旋轉(zhuǎn)載荷,在此載荷作用下,襯套外表面與軸承座孔表面間產(chǎn)生周期性的相對滑動。襯套與軸承座孔相對滑動過程中,摩擦面在正壓力作用下,使襯套表面凸起部分發(fā)生黏著,黏著部分又被摩擦力所剪切,形成細微顆粒,這些顆粒在往復微動中不能順利排出,成為磨料,形成復合磨損,導致襯套過盈連接固持力隨使用時間增加而減小,其固持力的減小率受襯套初始過盈量、旋轉(zhuǎn)載荷和材料特性等影響。在襯套的承壓區(qū),加工表面的凸起部分因塑性變形而下塌。在接觸脫開區(qū),又因脫開和接觸的頻繁交替,形成接觸面之間的高頻敲擊與擠壓,同樣導致加工表面凸起部分的塑性下塌。這些塑性下塌引起過盈連接固持力減小。綜合上述分析可知,連桿小頭襯套過盈連接固持力在各種因素綜合作用下,表現(xiàn)為一個隨時間變化的隨機量。

灰色系統(tǒng)認為,系統(tǒng)過去和現(xiàn)在的行為綜合反映了各個因素的綜合作用,包含著系統(tǒng)未來發(fā)展的信息,因此可根據(jù)系統(tǒng)過去和現(xiàn)在的信息建立一個由過去引伸到將來的灰色模型,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)未來發(fā)展變化的預測[8]。在連桿的工作過程中,小頭襯套過盈連接固持力是一個隨時間變化的受綜合因素影響的隨機量,它的變化是有一定規(guī)律的,已有的變化量值含有未來固持力變化的信息,固持力隨時間的未來變化可以用過去和現(xiàn)在的信息進行灰色預測。

2 固持力的灰色預測模型GM(1,1)

對連桿小頭襯套過盈連接固持力進行灰色建模和預測,只有固持力一個變量,故采用灰色預測中的GM(1,1)模型,其基本步驟如下:

(1)設(shè)連桿小頭襯套過盈連接固持力原始離散數(shù)列為

其中,n為數(shù)列長度,對其進行一次累加生成,得到數(shù)列:

(3)根據(jù)灰色理論,對x(1)建立關(guān)于時間t的一階灰色微分方程GM(1,1):

(4)解出X后,就可以得到一階灰色微分方程GM(1,1)模型的離散響應函數(shù):

(5)將上述結(jié)果累積還原,即可得到原始數(shù)據(jù)的預測值:

(6)預測模型精度檢驗。設(shè)k時刻的已知數(shù)據(jù)為x(0)(k),模型計算值為x(0)(k),則絕對殘差為

通過計算殘差和相對殘差來檢驗預測模型的精度是否滿足要求。

3 實驗驗證

某型航空活塞發(fā)動機連桿小頭軸承座孔孔徑為30.060～30.086mm,青銅襯套外徑為30.15～30.18mm、內(nèi)徑為28.585～28.605mm,初始過盈量為0.064～0.12mm。青銅襯套壓入連桿小頭軸承座孔后,用專用擠脹工具對青銅襯套內(nèi)孔進行擠脹,提高初始連接固持力。以同臺發(fā)動機的4件連桿作為研究對象,設(shè)定使用500h為對連桿小頭襯套過盈連接固持力測定的間隔,將每個時間間隔測量得到的4件連桿的過盈連接固持力的平均值作為原始數(shù)據(jù),建立灰色預測模型,對未來的過盈連接固持力進行預測。測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 使用時間與實際的固持力

根據(jù)式(6)計算參數(shù)向量X并由式(5)列出一階灰色微分方程:

由離散響應函數(shù)得到模型計算值 x(1),并由式(10)對其進行還原得到原始的預測值 x(0),如表2所示。

根據(jù)式(11)、式(12)計算得到的絕對殘差q(k)和相對殘差v(k),對模型進行精度檢驗,結(jié)果見表2。

由表2可見,模型預測值和實際固持力非常接近,誤差分析也顯示模型精度良好。因此,可以利用離散響應函數(shù)式進一步預測連桿使用2500h時的固持力,通過計算得到固持力為6.582kN,而實際測得的固持力為6.675kN,對其進行誤差分析得到絕對殘差為 0.093,相對殘差為1.3933%,可以看出預測值具有很高的預測精度。

表2 實際值與預測值比較

4 結(jié)束語

連桿小頭襯套過盈連接固持力的變化情況與發(fā)動機實際使用的諸多因素相關(guān),固持力的實際變化情況是這些因素的綜合結(jié)果,包含了豐富的信息。因此,可以利用灰色理論,依據(jù)連桿小頭襯套過盈連接固持力的實際變化情況,建立灰色預測模型來揭示固持力的變化規(guī)律。上述實驗驗證情況表明,運用灰色預測模型對連桿小頭襯套過盈連接固持力的變化進行研究是可行有效的,它較好地揭示了某型航空活塞發(fā)動機連桿小頭襯套過盈連接固持力隨時間的變化規(guī)律。

[1] 陳伯賢.連桿小頭襯套的結(jié)構(gòu)與設(shè)計[J].內(nèi)燃機配件,1989(3):1-9.

[2] 夏尚能,王昌一.連桿小頭襯套過盈裝配失效機理的分析及解決方法[J].柴油機,1995(3):20-22.

[3] 劉寶慶,董惠敏.基于曲面模型的過盈連接的研究[J].中國機械工程,2009,20(8):941-945.

[4] 陳連.過盈連接可靠性設(shè)計研究[J].中國機械工程,2005,16(1):28-32.

[5] 陳連.過盈連接的模糊可靠性分析與仿真研究[J].機械強度,2007,29(1):81-85.

[6] 章巧芳,賈虹.輪軸過盈連接有限元分析[J].機械強度,2006,28(4):543-546.

[7] 蘇德達,李憶蓮,肖林.銅合金應力松弛性能及其影響因素的研究[J].天津大學學報,1991,24(6):86-91.

[8] 黨耀國,劉思峰,王正新,等.灰色預測與決策模型研究[M].北京:科學出版社,2009.

Grey Prediction of Inter ference Fit Force for Connecting Rod Small End Bushing

Wu Jiang Chen Liang Zhou Yi
Civil A viation Flight University of China,Guanghan,Sichuan,618307

In order to reveal the variation ru le of interference fit force for connecting rod small end bushing,the influencing factors of fit force were analyzed,which show that the fit force is a random variables,itw ill changewith the used time.On this basis,agrey prediction modelof fit forcewasestablished according to grey theory,the accuracy of p rediction modewas verified by experiments.The testing resu lts show that the prediction results of interference fit force for connecting rod small end bushing has high precision,the grey prediction model can better reveal variation rule of fit force with used time.

connecting rod;interference fit;fit force;grey prediction

TK 413;V 234

1004—132X(2011)05—0527—03

2010—05—11

中國民用航空局科學基金資助項目(MHRD200202)

(編輯 袁興玲)

吳 江,男,1976年生。中國民航飛行學院飛機修理廠高級工程師。主要研究方向為航空零部件反求設(shè)計與深度修理。獲省部級科技三等獎2項,發(fā)表論文10余篇。陳 亮,男,1976年生。中國民航飛行學院機務(wù)處工程師。周 毅,男,1985年生。中國民航飛行學院飛機修理廠助理工程師。