吴 江 陈 亮 周 毅

中国民航飞行学院,广汉 ,618307

连杆小头衬套过盈连接固持力的灰色预测

吴 江 陈 亮 周 毅

中国民航飞行学院,广汉 ,618307

为揭示连杆小头衬套过盈连接固持力的变化规律,分析了固持力的影响因素,得出该固持力是一个随时间变化的随机量。在此基础上,采用灰色理论建立固持力的灰色预测模型,并对预测模型精度进行验证。验证结果表明:连杆小头衬套过盈连接固持力预测结果的准确性高,灰色预测模型能较好地揭示固持力随时间的变化规律。

连杆;过盈连接;固持力;灰色预测

0 引言

连杆小头轴承座孔与衬套过盈连接构成一个滑动轴承,过盈连接的可靠性直接影响滑动轴承的寿命和发动机的使用安全[1]。连杆小头处于高温、高脉动载荷、摆动及润滑较差的复杂工作环境,衬套的过盈连接固持力随使用时间增加而减小,故衬套松动成为该滑动轴承的主要失效形式之一[2]。分析连杆小头衬套过盈连接固持力的变化规律,对衬套进行适时更换以防止衬套在工作中发生松动具有重要意义。虽然已有学者对过盈连接进行了深入的研究和探索[3-6],但连杆小头衬套过盈连接固持力是一个随时间呈非线性变化的随机量,且影响因素众多,很难统一分析,目前很少有文献对其固持力的变化规律进行研究。本文通过连杆使用中衬套过盈连接固持力的实际测量数据,运用灰色预测理论中的GM(1,1)模型,建立固持力随时间变化的预测模型,揭示固持力的变化规律。

1 连杆小头衬套过盈连接固持力分析

连杆小头衬套过盈连接固持力不仅受初始过盈量的影响,还受衬套应力松弛、衬套与轴承座孔之间的微动磨损、衬套局部高应力区的变形等因素的影响。连杆小头工作环境温度在150℃以上,衬套在恒应变条件下,部分初始弹性变形逐渐转变为非弹性变形而产生应力松驰,使过盈连接固持力随使用时间增加而减小,其固持力的减小率与衬套的材料、初始应力状态、环境温度相关[7]。连杆小头衬套在工作中承受往复摆动的旋转载荷,在此载荷作用下,衬套外表面与轴承座孔表面间产生周期性的相对滑动。衬套与轴承座孔相对滑动过程中,摩擦面在正压力作用下,使衬套表面凸起部分发生黏着,黏着部分又被摩擦力所剪切,形成细微颗粒,这些颗粒在往复微动中不能顺利排出,成为磨料,形成复合磨损,导致衬套过盈连接固持力随使用时间增加而减小,其固持力的减小率受衬套初始过盈量、旋转载荷和材料特性等影响。在衬套的承压区,加工表面的凸起部分因塑性变形而下塌。在接触脱开区,又因脱开和接触的频繁交替,形成接触面之间的高频敲击与挤压,同样导致加工表面凸起部分的塑性下塌。这些塑性下塌引起过盈连接固持力减小。综合上述分析可知,连杆小头衬套过盈连接固持力在各种因素综合作用下,表现为一个随时间变化的随机量。

灰色系统认为,系统过去和现在的行为综合反映了各个因素的综合作用,包含着系统未来发展的信息,因此可根据系统过去和现在的信息建立一个由过去引伸到将来的灰色模型,从而实现对系统未来发展变化的预测[8]。在连杆的工作过程中,小头衬套过盈连接固持力是一个随时间变化的受综合因素影响的随机量,它的变化是有一定规律的,已有的变化量值含有未来固持力变化的信息,固持力随时间的未来变化可以用过去和现在的信息进行灰色预测。

2 固持力的灰色预测模型GM(1,1)

对连杆小头衬套过盈连接固持力进行灰色建模和预测,只有固持力一个变量,故采用灰色预测中的GM(1,1)模型,其基本步骤如下:

(1)设连杆小头衬套过盈连接固持力原始离散数列为

其中,n为数列长度,对其进行一次累加生成,得到数列:

(3)根据灰色理论,对x(1)建立关于时间t的一阶灰色微分方程GM(1,1):

(4)解出X后,就可以得到一阶灰色微分方程GM(1,1)模型的离散响应函数:

(5)将上述结果累积还原,即可得到原始数据的预测值:

(6)预测模型精度检验。设k时刻的已知数据为x(0)(k),模型计算值为x(0)(k),则绝对残差为

通过计算残差和相对残差来检验预测模型的精度是否满足要求。

3 实验验证

某型航空活塞发动机连杆小头轴承座孔孔径为30.060～30.086mm,青铜衬套外径为30.15～30.18mm、内径为28.585～28.605mm,初始过盈量为0.064～0.12mm。青铜衬套压入连杆小头轴承座孔后,用专用挤胀工具对青铜衬套内孔进行挤胀,提高初始连接固持力。以同台发动机的4件连杆作为研究对象,设定使用500h为对连杆小头衬套过盈连接固持力测定的间隔,将每个时间间隔测量得到的4件连杆的过盈连接固持力的平均值作为原始数据,建立灰色预测模型,对未来的过盈连接固持力进行预测。测量数据见表1。

表1 使用时间与实际的固持力

根据式(6)计算参数向量X并由式(5)列出一阶灰色微分方程:

由离散响应函数得到模型计算值 x(1),并由式(10)对其进行还原得到原始的预测值 x(0),如表2所示。

根据式(11)、式(12)计算得到的绝对残差q(k)和相对残差v(k),对模型进行精度检验,结果见表2。

由表2可见,模型预测值和实际固持力非常接近,误差分析也显示模型精度良好。因此,可以利用离散响应函数式进一步预测连杆使用2500h时的固持力,通过计算得到固持力为6.582kN,而实际测得的固持力为6.675kN,对其进行误差分析得到绝对残差为 0.093,相对残差为1.3933%,可以看出预测值具有很高的预测精度。

表2 实际值与预测值比较

4 结束语

连杆小头衬套过盈连接固持力的变化情况与发动机实际使用的诸多因素相关,固持力的实际变化情况是这些因素的综合结果,包含了丰富的信息。因此,可以利用灰色理论,依据连杆小头衬套过盈连接固持力的实际变化情况,建立灰色预测模型来揭示固持力的变化规律。上述实验验证情况表明,运用灰色预测模型对连杆小头衬套过盈连接固持力的变化进行研究是可行有效的,它较好地揭示了某型航空活塞发动机连杆小头衬套过盈连接固持力随时间的变化规律。

[1] 陈伯贤.连杆小头衬套的结构与设计[J].内燃机配件,1989(3):1-9.

[2] 夏尚能,王昌一.连杆小头衬套过盈装配失效机理的分析及解决方法[J].柴油机,1995(3):20-22.

[3] 刘宝庆,董惠敏.基于曲面模型的过盈连接的研究[J].中国机械工程,2009,20(8):941-945.

[4] 陈连.过盈连接可靠性设计研究[J].中国机械工程,2005,16(1):28-32.

[5] 陈连.过盈连接的模糊可靠性分析与仿真研究[J].机械强度,2007,29(1):81-85.

[6] 章巧芳,贾虹.轮轴过盈连接有限元分析[J].机械强度,2006,28(4):543-546.

[7] 苏德达,李忆莲,肖林.铜合金应力松弛性能及其影响因素的研究[J].天津大学学报,1991,24(6):86-91.

[8] 党耀国,刘思峰,王正新,等.灰色预测与决策模型研究[M].北京:科学出版社,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

中国民用航空局科学基金资助项目(MHRD200202)

(编辑 袁兴玲)

吴 江,男,1976年生。中国民航飞行学院飞机修理厂高级工程师。主要研究方向为航空零部件反求设计与深度修理。获省部级科技三等奖2项,发表论文10余篇。陈 亮,男,1976年生。中国民航飞行学院机务处工程师。周 毅,男,1985年生。中国民航飞行学院飞机修理厂助理工程师。