最新第14章-动载荷和交变应力总结课件PPT.ppt 43页

'第14章-动载荷和交变应力总结 §14—1动载荷概念和工程实例一、静荷载的概念：二、动载荷的概念：例:起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载。起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。旋转的飞轮、气锤的锤杆工作时、打桩均为动荷载作用。载荷不随时间变化（或变化极其平稳缓慢）且使构件各部件加速度保持为零（或可忽略不计），此类载荷为静载荷。载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。 （1）构件作等加速直线运动和等速转动时的动应力计算；（2）构件在受冲击和作强迫振动时的动应力计算；（3）构件在交变应力作用下的疲劳破坏和疲劳强度计算。构件在动载荷作用下产生的各种响应（如应力、应变、位移等），称为动响应。实验表明：在静载荷下服从虎克定律的材料，只要应力不超过比例极限,在动载荷下虎克定律仍成立且E静=E动。三、动响应：四、动载荷问题的分类： FNdFNdφdφ2、动应力的计算 §14—3构件受冲击荷载作用时的动应力一、冲击一个运动的物体（冲击物）以一定的速度，撞击另一个静止的物体（被冲击构件），静止的物体在瞬间使运动物体停止运动，这种现象叫做冲击。二、冲击问题的分析方法：能量法假设——1、被冲击构件在冲击荷载的作用下服从虎克定律；2、不考虑被冲击构件内应力波的传播3、冲击过程只有动能、势能、变形能的转换，无其它能量损失。4、冲击物为刚体，被冲击构件的质量忽略不计； QhL1、自由落体冲击ΔdFd如图所示，L、A、E、Q、h均为已知量，求：杆所受的冲击应力。解（1）冲击物的机械能：（2）被冲击物的动应变能（3）能量守恒三、冲击问题的简便计算方法Dd为被冲击物的最大变形量，Fd为冲击载荷 动荷系数——（4）动应力、动变形QhLΔdFdQΔj 例：图示矩形截面梁，抗弯刚度为EI，一重为F的重物从距梁顶面h处自由落下，冲击到梁的跨中截面上。求：梁受冲击时的最大应力和最大挠度。FABCHL/2L/2AL/2L/2BFC解（1）、动荷系数（2）、最大应力（3）、最大挠度bZhYZdjddWFLKK41maxmax==ss FABChL/2L/2AL/2L/2BFCA、B支座换成刚度为C的弹簧 例已知：d1=0.3m,l=6m,P=5kN,E1=10GPa,求两种情况的动应力。（1）H=1m自由下落；（2）H=1m,橡皮垫d2=0.15m,h=20mm,E2=8MPa.HPPhld1d1d2解：（1）=0.0425mm (2)加橡皮垫d2=0.15m,h=20mm,E2=8MPa.=0.75mm,Kd=52.3HPPhld1d1d2 ２、水平冲击：冲击前：冲击后：冲击前后能量守恒，且vmg动荷系数 例：一下端固定、长度为的铅直圆截面杆AB，在C点处被一物体G沿水平方向冲击（图a）。已知C点到杆下端的距离为a，物体G的重量为P，物体G在与杆接触时的速度为v。试求杆在危险点的冲击应力。解：杆内的应变能为由此得(b)AGCB(a)AlBCGav 由机械能守恒定律可得由此解得d为式中，于是，可得杆内的应变能为AFCB(c) 当杆在C点受水平力F作用时，杆的固定端横截面最外缘（即危险点）处的静应力为于是，杆在危险点处的冲击应力d为 1、构件有加速度时动应力计算（1）直线运动构件的动应力（2）水平面转动构件的动应力2、构件受冲击时动应力计算（1）自由落体冲击问题（2）水平冲击问题动响应=Kd×静响应§14-4交变应力、疲劳极限目录 交变应力的基本参量在交变荷载作用下应力随时间变化的曲线，称为应力谱。随着时间的变化，应力在一固定的最小值和最大值之间作周期性的交替变化，应力每重复变化一次的过程称为一个应力循环。一个应力循环tO目录 通常用以下参数描述循环应力的特征应力比r(2)应力幅(3)平均应力一个非对称循环应力可以看作是在一个平均应力m上叠加一个应力幅为的对称循环应力组合构成。目录r=-1：对称循环；r<0：拉压循环；r=0：脉动循环。r>0：拉拉循环或压压循环。 疲劳极限将若干根尺寸、材质相同的标准试样，在疲劳试验机上依次进行r=-1的常幅疲劳试验。各试样加载应力幅均不同，因此疲劳破坏所经历的应力循环次数N各不相同。以为纵坐标，以N为横坐标（通常为对数坐标），便可绘出该材料的应力—寿命曲线即S-N曲线如图（以40Cr钢为例）注：由于在r=-1时，max=/2，故S-N曲线纵坐标也可以采用max。目录104105106107108550650750850Nsmax/MPa 从图可以得出三点结论：(1)对于疲劳，决定寿命的最重要因素是应力幅。(2)材料的疲劳寿命N随应力幅的增大而减小。(3)存在这样一个应力幅，低于该应力幅，疲劳破坏不会发生，该应力幅称为疲劳极限，记为-1。目录104105106107108550650750850Nsmax/MPa 对低碳钢，其其弯曲疲劳极限拉压疲劳极限对于铝合金等有色金属，其S-N曲线没有明显的水平部分，一般规定时对应的称为条件疲劳极限，用表示。目录 工程上常利用冲击进行锻造、冲压、打桩以及粉碎等，这时就需要尽量降低冲击应力，以提高构件抗冲击的能力。冲击应力的大小取决于Kd的值，静位移Dst越大，动荷系数Kd越小，（因为静位移Dst增大，表示构件柔软，因而能更多地吸收冲击时的能量，从而降低冲击载荷和冲击应力，提高构件抗冲击的能力）。§14—6提高构件抵抗冲击能力的措施 增大静位移Dst的具体措施如：以上这些弹性元件不仅起了缓冲作用，而且能吸收一部分冲击动能，从而明显降低冲击动应力。另外，把刚性支座改为弹性支座能提高系统的静位移值，不失为一种提高构件的抗冲击能力的良好措施。值得注意的是，在提高静位移、减小Kd的同时，应避免提高静应力。对于等截面受冲拉（压）或扭转杆件，其冲击应力与构件的体积有关。增大构件的体积，可提高构件的抗冲击能力。对于变截面受冲杆件，上述增加体积降低冲击应力的方法并不适用。在汽车车粱与轮轴之间安装叠板弹簧；火车车窗玻璃与窗框之间、机器零件之间装有橡皮垫圈；以大块玻璃为墙的新型建筑物，把玻璃嵌在弹性约束之中等等。 §14—7材料的动力强度和冲击韧度由于冲击时材料变脆变硬，ss和sb随冲击速度而变化，因此工程上不用ss和sb，而用冲击韧度（ductility）来衡量材料的抗冲击能力。冲击韧度是在冲击试验机上测定的，通常做的是冲击弯曲试验。冲击韧度的单位为焦耳/毫米2，是材料的性能指标之一越大表示材料抗冲击能力越强。一般说来，塑性越好的材料越高，抗冲击能力越强，脆性材料则较弱，一般不适宜作受冲构件。 曲轴箱窜气量与进气管真空度的检测(1)曲轴箱窜气是每个发动机必然的情况，不管什么品牌什么排量的机器都会有曲轴箱窜气。(2)现在的发动机工作都是靠吸入混和气后压缩然后点燃作工产生动力，从压缩到燃烧中都会产生很高压力，被压缩的气体会从活塞和缸体的缝隙、活塞环开口、活塞环和缸体的缝隙等地方窜出去进入曲轴箱。活塞和缸筒，活塞环和缸筒之间都不是完全密封，活塞和缸筒配合上有一定间隙，缸筒和活塞环之间也不会是完完全全的圆，活塞环为了解决热胀冷缩还有开口缝隙，这些地方都会有被压缩和燃烧的气体泄漏。曲轴箱和缸体、缸盖上的气门室盖是连通的，这些气就会在发动机内流动，就是窜气，习惯上叫曲轴箱窜气，也有叫发动机窜气的。(3)随发动机工作窜气会越来越多必须排放出去否则会影响发动机动力和损坏发动机。曲轴箱窜气中含有不少有害成份，所以从很早以前各国家都规定发动机窜气必须回收再燃烧，这才有了曲轴箱窜气管把窜气从进气道吸入燃烧室再燃烧后从排气管排出。 (4)曲轴箱窜气和缸垫没关系，是活塞工作泄漏的气体。说是机油蒸汽也不准确，曲轴箱窜气要经过油底壳，因里边有大量高温机油和机油蒸汽因此会含有不少机油成份，但窜气并不是机油蒸汽。说是汽油蒸汽也比较片面，的确在压缩时会有一部分汽油蒸汽窜出去但也不是全部。曲轴箱窜气中主要包含四种成份：汽油蒸汽、机油蒸汽、燃烧后的废气、各种气体混合后产生化学反应的其它成份。(1)什么是进气管真空度，发动机在运转过程中，进气歧管内将会产出一定的真空度，而这一真空度的大小、稳定与否将直接反映出发动机的总体性能与故障部位。真空是低于大气压的压力，测量单位一般是千帕。一台性能好的发动机运转时的真空度比较高。(2)进气管真空度受什么影响，当气节门在任何角度保持不变时，只要发动机转速加快，或是进气歧管无泄漏且气缸密封性良好，真空度就会增加。当发动机运转比较慢或气缸进气效率变低，那么歧管内的真空度就会变低。进气管真空度取决于发动机的工作状态并于不同的工作状态有比较稳定的对应关系，其中，主要与节气门的开度有关。怠速时，节气门的开度小，对进气的节流作用大，进气管的真空度较高。此外，进气管真空度随海拔的升高而降低。海拔每升高1000米，真空度将减小10千帕。由此可看，进气管真空度的值越高，基本就证明发动机当前的性能状态越好，可以算作发动机的性能指数。 测定曲轴箱窜气量测定曲轴箱窜气量是检测气缸密封性的重要手段。气缸活塞组配合副磨损，间隙增大，或活塞环对口、断裂及拉缸时，窜入曲轴箱的气体量将会增加，发动机动力性会随之下降。在发动机确定的工况下，曲轴箱窜气量可反映气缸活塞组总的技术状况和磨损程度。以曲轴箱窜气量作为诊断参数，可间接了解气缸活塞组结构参数的变化状况，并诊断其故障。曲轴箱窜气量与发动机的负荷、转速及曲轴箱的密封性有关，在测定这项参数时，应注意密封曲轴箱和选择适当的发动机负荷与转速范围。 1.检测仪基本原理与结构(1)基于节流原理的测头测量时将接头下端与加机油口严密相接，测头传感线与表相接。B孔与大气相通。当发动机曲轴箱有气体窜出时，窜气以速度V通过中心孔排入大气，由于中心孔有气体流过，A点压力PA便低于大气压力，B点为大气压力P0。于是，在支管中的A、B两端便产生压力差P0-PA，它使空气由B点流向A点。大气压力P0是一个定值，而A点压力PA是随中心孔窜气流速V的变化而变化。即窜气量的大小决定着支管中空气流速的大小，这样只要测出支管中空气流速的大小，便可得出曲轴箱窜气量。为达到这一目的，在支管中串联一个灵敏度很高的测头。 (2)测头信号的转换测头为热敏元件，当一恒定电流通过加热线圈时，其热敏元件内温度升高并于静止空气中达到一定数值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统。此热电势与电路中产生的基准反电势互相抵消，使输出信号为零，仪表即指在零位。若测头热敏元件有空气流过时，因热交换使热电偶热电势发生变化，并与基准电势比较后产生微弱差值信号，经仪表内放大器放大推动表头上作，显示出窜气量的大小。 (3)测量仪表测量仪表由放大电路、表头、按键、微调器、指示灯和传感器线插孔等组成，如图2-7c所示。放大电路的作用是将传感器的信号放大处理后传给表头并转换成窜气量值显示。当电源键按下时，电源指示灯亮，未检测时表头指针应指向零位。否则，可通过电源微调钮调整。按键分两档，按低档时测值在表头的上行刻度显示，按高档则在下行刻度显示。 2.测试过程1)调整测量表头。按下电源键和低档键，传感器线插入插孔，测量接头平放，中心孔无气流通过，将表头指针调整到零位。2)堵塞曲轴箱各通风口、油尺孔等．仅保留加机油口为窜气口。3)气压制动汽车的发动机须拆除空气压缩机，以免气体通过回油孔充入曲轴箱，影响窜气量的测量。据试验，EQ6100-1和CA6102发动机在2000r/min稳定运转时，窜入曲轴箱的气量为5L/min，为简化测试，可不拆空压机，只是从曲轴箱窜气量值中减去5L/min即可。4)起动发动机，在正常热状态下开始测试。 3.结果分析1)与刚刚走合完毕的新发动机相比，在用发动机的曲轴箱窜气量有一使用极限。例如EQ6100-1型发动机，稳定在2000r/min而空压机不工作时，若曲轴箱窜气量达70-80L/min，说明气缸活塞组磨损已到使用极限。2)在定期检测中，若某次窜气量测值突然明显增加，则可能是活塞环对口所致；在变动工况测试时，若稳定低速比高速时窜气量大，说明活塞环磨损已接近使用极限。3)在某一稳定转速检测时，若指针无规律按一定幅度摆动，说明有拉缸或断环故障。 检测进气管真空度1.检测原理进气管真空度指进气管内的进气压力与外界大气压力之差。通过检测该参数可评价发动机的气缸密封性，主要是针对汽油机而言。检测进气管真空度，大多数是在怠速条件下进行，因为技术状况良好的汽油机怠速时，进气管真空度有一较为稳定的值，同时怠速时进气管真空度高，对因进气管、气缸密封性不良引起的真空度下降较为敏感。若进气管垫、真空点火提前机构等处密封不良，气缸活塞组、配气机构因磨损或故障间隙增大，以及点火系统和供油系统的调整等都会影响发动机进气管的真空度。 2.检测方法检测进气管真空度的真空表由表头和软管构成，软管一头固定在真空表上，另一头可方便地连接在进气管上的检测孔上（真空助力或真空控制装置从进气管取真空的孔，即可作为检测孔）。检测步骤如下：1)发动机预热至正常工作温度。2)把真空表软管与进气歧管上的检测孔连接。3)变速器置于空档，发动机怠速稳定运转。4)在真空表上读取真空度读数。 3.检测结果分析1)在海平面高度发动机怠速运转时，若真空表指针稳定在57-70kPa之间，表明气缸密封性正常，海拔高度每升高500m，真空度应相应降低4-5kPa；密封性正常时如图所示。2)怠速时，指针在50.66～67.55kPa间摆动，表示气门粘滞或点火系统有故障。3)当气门关闭时，指针有规律地迅速跌落10-16kPa，表明气门与导管卡滞。图2-8C所示。4)如果气门弹簧折断或弹力不足，发动机在500r/min左右运转，则真空表指在33-74kPa范围内迅速摆动。某一只气门弹簧折断，指针将相应地产生快速波动，如图2-8d所示。 5)如果气门导管磨损松旷，则真空表读数较正常值低10-13kPa，且缓慢地在47-60kPa范围内摆动，如图2-8e所示。6)如果活塞环磨损严重，则发动机转速升至2000r/min时，突然关闭节气门，真空表指针迅速跌落至6-16kPa以下；当节气门关闭时，指针不能回复到83kPa，图2-8f所示。当迅速开启节气门时，指针不低于6-16kPa，则活塞环工作良好。7)如果气缸垫窜气，真空表读数会从正常值突然跌落至33kPa，当泄漏气缸在工作行程时，指针又恢复正常值，如图2-8g所示。8)如果混合气过稀，则指针不规则跌落；如果混合气过浓，则指针缓慢摆动．图2-8h所示。 9)进气歧管衬垫漏气与排气系统堵塞。进气歧管漏气时，真空表指示值比正常值低10-30kPa；排气系统堵塞时，发动机转速升至2000r/min，突然关闭节气，真空表指针从83kPa跌落至6kPa以下，并迅速回至正常，如图2-8i所示。10)如果点火过迟，则真空表指针稳定地指示在47-57kPa之间，如图2-8j所示。11)如果气门开启过迟，则真空表指针稳定地指示在27-50kPa之间，如图2-8k所示。12)如果火花塞电极间隙太小，断电器触点接触不良，则真空表指针缓慢地摆动在47-54kPa之间，如图2-8i所示。 4.检测标准根据GB/T15746.2-1995《汽车修理质量检查评定标准　发动机大修》的规定，大修竣工的汽油发动机在怠速时，进气歧管真空度应在57-70kPa范围内。进气歧管真空度波动：六缸汽油机不超过3kPa，四缸汽油机不超过5kPa(大气压力以海平面为准）。检测发动机进气管真空度时，应根据当地海拔高度修正检测标准。'