鑄鐵缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，所有的部件都是安裝在上面。其受力情況很復(fù)雜，除了承受所有零部件重量以及缸蓋螺栓緊固力產(chǎn)生的靜載荷外，其內(nèi)部還存有鑄件冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。當(dāng)缸體承受外力時(shí)，殘余應(yīng)力與其相互作用，從而改變缸體實(shí)際受到的應(yīng)力大小，當(dāng)局部應(yīng)力疊加超過材料強(qiáng)度極限時(shí)，可能導(dǎo)致缸體的變形甚至開裂。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)部殘余應(yīng)力的測試和分析成為了不可或缺的重要工作。

殘余應(yīng)力測試方法有很多種，但由于缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、重量大、表面存在氧化層和鑄造殘沙，所以x射線法不適用。小孔法主要用來測試物體的表面殘余應(yīng)力，所以也不適用。而切割法可以完全測量內(nèi)部殘余應(yīng)力，并且對構(gòu)件尺寸沒有要求，因此切割法更適合發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的殘余應(yīng)力測試。

本文選取缸體氣缸底座四個(gè)典型位置作為測試點(diǎn)，主要測試缸體未時(shí)效和時(shí)效熱處理兩種狀態(tài)下的殘余應(yīng)力，然后根據(jù)力學(xué)公式計(jì)算出相應(yīng)的殘余應(yīng)力大小，為缸體的系統(tǒng)受力分析提供了依據(jù)。

殘余應(yīng)力測試方法

測試位置選取

在缸體的很多位置同時(shí)使用應(yīng)變片測量殘余應(yīng)力是不現(xiàn)實(shí)的，只能針對性的選擇幾個(gè)典型位置。應(yīng)變測試點(diǎn)的選取原則應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)；1.理論計(jì)算的高應(yīng)力區(qū)和實(shí)際發(fā)生開裂的部位；2缸體實(shí)施減重部位；3進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)注的部位。根據(jù)以上原則，選取氣缸底座的圓弧表面作為測試點(diǎn)。試驗(yàn)中選取中間兩個(gè)腔體，共四個(gè)點(diǎn)。

應(yīng)變片粘貼、橋路連接

應(yīng)變片采用聚航科技的泊式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片阻值為120Ω，靈敏系數(shù)為2.10.

采用惠斯通電橋中的半橋接法，將四個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片分別連接到應(yīng)變儀的4個(gè)通道，形成4個(gè)半橋橋路。

缸體切割

切割前，固定導(dǎo)線，確保導(dǎo)線不妨礙切割或發(fā)生移動(dòng)。每次切割前平衡橋路。

殘余應(yīng)力測試計(jì)算

殘余應(yīng)變=-（釋放的應(yīng)變量-初始應(yīng)變量）

由于每次切割前都對橋路進(jìn)行過平衡，所以初始應(yīng)變量記為0，釋放的應(yīng)變量由應(yīng)變儀測得。將每次切割后測得的應(yīng)變值求和，即得到各個(gè)測點(diǎn)所釋放的殘余應(yīng)變總量。

根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)成應(yīng)力。缸體腔體測點(diǎn)處材料處于平面應(yīng)變的二向應(yīng)力狀態(tài)，依據(jù)廣義胡克定律，此方向的應(yīng)力可按下式計(jì)算：

式中E-材料彈性模量

μ-材料泊松比

本文缸體使用材料為HT250，其彈性模量為120CPa，泊松比為0.3.根據(jù)該公式計(jì)算得出各測試點(diǎn)的殘余應(yīng)力大小。

數(shù)據(jù)分析與討論

減少測量誤差的方法

為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在測試前和測試過程中，采取了一系列措施，以避免或減少環(huán)境因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

每個(gè)測試點(diǎn)的應(yīng)變片會(huì)因溫度的影響而發(fā)生一定的變化量。為了消除這種影響，采用與被測材料相同的物體作為補(bǔ)償塊，并在補(bǔ)償塊上粘貼與被測構(gòu)件相同的等效應(yīng)變片。補(bǔ)償塊不受荷載作用，只感受環(huán)境溫度的變化，利用惠斯通電橋相鄰兩臂上的電阻由于溫度引起的應(yīng)變變化相互抵消，以消除溫度對測試結(jié)果的影響。

機(jī)械切割產(chǎn)生的熱量會(huì)使缸體測試部位溫度升高，導(dǎo)致測試結(jié)果漂移。因此，每次切割后和讀取數(shù)據(jù)之前，需等缸體冷卻到切割前的溫度。

導(dǎo)線電阻是影響測量結(jié)果的因素之一。研究表明，應(yīng)變儀測得的應(yīng)變會(huì)隨著導(dǎo)線電阻的增加而減小。一般來說，當(dāng)導(dǎo)線長度小于10m時(shí)，導(dǎo)線電阻的影響可以忽略。本次測試使用的導(dǎo)線小于1m，所以可以忽略其影響。測試前固定導(dǎo)線，在切割以及測試過程中，不要移動(dòng)導(dǎo)線，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表1可以看出，在第1、2、3次切割時(shí)4個(gè)測試點(diǎn)發(fā)生了較大的應(yīng)變變化，第4次切割后，各測試點(diǎn)幾乎不變。此時(shí)，測試點(diǎn)1被切離缸體，后續(xù)切割應(yīng)變變化都為零。第5次切割在測試點(diǎn)3處。切割完成后，測試點(diǎn)3、2和4都有明顯的應(yīng)變釋放，其中測試點(diǎn)2和4變化最大。第6次切割后，測試點(diǎn)3被切離缸體，測試點(diǎn)3、2和4無應(yīng)變變化。第7次切割后，測試點(diǎn)2、4有一定的應(yīng)變釋放。第8次切割后，測試點(diǎn)2、4基本上沒有應(yīng)變釋放，測試點(diǎn)2也被切離缸體。第10次切割后，測試點(diǎn)4被切離缸體，只有少量殘余應(yīng)變，大部分殘余應(yīng)變已在第9次切割中釋放殆盡。綜上所述，在每個(gè)測試點(diǎn)從切離缸體的最后一次切割為殘余應(yīng)變釋放主要釋放時(shí)刻，從切離缸體后沒有應(yīng)變釋放。

由表2可以看出，未進(jìn)行時(shí)效的缸體，在測試點(diǎn)1和3處有殘余壓應(yīng)力，在測試點(diǎn)2和4處有較大的殘余拉應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力明顯大于殘余壓應(yīng)力。本文中缸體材料的抗拉強(qiáng)度為270MPa、測試點(diǎn)2和4處的殘余應(yīng)力分別達(dá)到238、243MPa。接近材料的抗拉強(qiáng)度。所以測試點(diǎn)2和4是缸體危險(xiǎn)點(diǎn)，容易發(fā)生變形和開裂。與未時(shí)效的缸體相比，經(jīng)時(shí)效熱處理缸體各測試點(diǎn)殘余應(yīng)力平均值降到21MPa。

結(jié)論

1. 采用切割法對發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)部進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，實(shí)驗(yàn)方法簡單，結(jié)果可靠，為缸體安全受力分析提供了依據(jù)。

2. 缸體鑄造毛坯內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力，如果最大殘余應(yīng)力接近材料的強(qiáng)度極限，則存在變形和開裂的危險(xiǎn)，需要進(jìn)行應(yīng)力處理。