基于軸心軌跡特征的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸再制造性分析方法

王玉琳 胡錦強(qiáng) 柯慶鏑 宋守許

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009

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基于軸心軌跡特征的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸再制造性分析方法

王玉琳 胡錦強(qiáng) 柯慶鏑 宋守許

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009

運(yùn)用主動(dòng)再制造理論對(duì)再制造毛坯質(zhì)量的不確定性進(jìn)行了分析研究，提出了一種基于軸心軌跡特征的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸再制造性分析方法。該方法通過運(yùn)用不變矩算法提取同一發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸不同磨損狀態(tài)下軸心軌跡的特征量，建立特征量與磨損量之間的映射關(guān)系，來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的再制造性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任意狀態(tài)下曲軸磨損的量化。試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用該方法對(duì)曲軸磨損量進(jìn)行識(shí)別具有較高的精度，為尋求曲軸服役期內(nèi)最佳再制造時(shí)機(jī)提供了較為準(zhǔn)確的判別依據(jù)，同時(shí)為服役期內(nèi)伴隨產(chǎn)品失效的同批次再制造毛坯質(zhì)量的不確定性控制等問題提供了解決方案。

主動(dòng)再制造；不確定性；軸心軌跡；曲軸磨損

0 引言

機(jī)電產(chǎn)品的再制造工程是以產(chǎn)品的全壽命周期設(shè)計(jì)和管理為指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)性能跨越式提升為目標(biāo)，以高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，對(duì)廢舊機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)與改造的一系列技術(shù)措施或工程活動(dòng)的總稱[1]。針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的再制造，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出了較多較完善的理論體系[2-3]。再制造的對(duì)象多為報(bào)廢或即將報(bào)廢的機(jī)電產(chǎn)品，其內(nèi)部關(guān)鍵零部件的失效程度與失效狀態(tài)均有很大的差異。有些零部件因過度或不當(dāng)使用而造成失效狀態(tài)的多樣化，呈現(xiàn)較差的再制造性；還有一些零部件尚未達(dá)到再制造要求，若提前再制造，其內(nèi)部潛在的使用價(jià)值就不能達(dá)到最大化利用，從而造成資源與能源的浪費(fèi)。上述因素使得再制造毛坯在數(shù)量和質(zhì)量上呈現(xiàn)較大的不確定性，最終造成再制造產(chǎn)品修復(fù)過程中的不確定性和復(fù)雜性，阻礙再制造技術(shù)的進(jìn)一步工業(yè)化應(yīng)用。

關(guān)于再制造毛坯質(zhì)量不確定性的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從不同的角度對(duì)其進(jìn)行了探討。MUKHOPADHYAY 等[4]研究了不確定性環(huán)境下不同回收品的質(zhì)量等級(jí)對(duì)再制造策略的影響；DAS等[5]研究了制造與再制造混合系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃問題，通過建立混合整數(shù)規(guī)劃模型確定最優(yōu)的回收產(chǎn)品數(shù)量以及制造不同質(zhì)量級(jí)別產(chǎn)品的數(shù)量；宋守許等[6]提出了基于壽命匹配的零部件再制造優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；劉長(zhǎng)義等[7]提出了基于改進(jìn) BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸再制造平衡性質(zhì)量控制方法。上述學(xué)者均是針對(duì)再制造毛坯質(zhì)量的不確定性來尋求其質(zhì)量控制方法的，他們多是研究報(bào)廢后的產(chǎn)品質(zhì)量控制，并未從源頭上解決毛坯質(zhì)量的不確定性問題。為此，劉光復(fù)等[8]提出了“主動(dòng)再制造”這一思想，即在產(chǎn)品或零部件的整個(gè)服役周期內(nèi)，存在一段最佳的再制造時(shí)間區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)對(duì)其進(jìn)行再制造，可實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)投入、技術(shù)要求以及環(huán)境排放等的綜合最佳。

在對(duì)主動(dòng)再制造的研究中，劉濤等[9-10]針對(duì)產(chǎn)品失效后被動(dòng)再制造的現(xiàn)狀，提出了面向主動(dòng)再制造的可持續(xù)設(shè)計(jì)概念和模塊化設(shè)計(jì)流程，形成主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)框架和模塊優(yōu)化；鮑宏等[11]針對(duì)主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)過程中的創(chuàng)新問題，提出了一種應(yīng)用發(fā)明問題解決理論的主動(dòng)再制造綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法；柯慶鏑等[12]針對(duì)目前再制造毛坯數(shù)量及質(zhì)量的不確定性問題，提出了基于性能參數(shù)的主動(dòng)再制造時(shí)機(jī)抉擇評(píng)價(jià)模型，以產(chǎn)品的全生命周期能耗為依據(jù)確定最佳主動(dòng)再制造時(shí)間。

在對(duì)主動(dòng)再制造的研究中，研究者多在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初考慮了再制造因素，卻很少考慮再制造毛坯服役狀態(tài)不確定性這一問題，即沒有綜合考慮產(chǎn)品在服役過程中的環(huán)境、平均服役時(shí)間以及工況等的差異性，從而導(dǎo)致再制造的時(shí)間點(diǎn)與實(shí)際的時(shí)間點(diǎn)存在較大差異。為了解決這一問題，本文首先闡述主動(dòng)再制造的核心理念，同時(shí)以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸心軌跡特征作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過建立評(píng)價(jià)指標(biāo)特征與磨損失效間的映射關(guān)系，將任意服役狀態(tài)下的特征與最佳再制造時(shí)機(jī)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的特征作對(duì)比，以此作為判斷曲軸是否達(dá)到再制造要求的依據(jù)，從而提出了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸再制造性的分析方法。

1 主動(dòng)再制造理論

主動(dòng)再制造是以保障產(chǎn)品原設(shè)計(jì)功能、性能為基本目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、產(chǎn)品總服役時(shí)間最長(zhǎng)為準(zhǔn)則，對(duì)正在使用的同一設(shè)計(jì)方案、同一批次生產(chǎn)的產(chǎn)品在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段內(nèi)主動(dòng)實(shí)施再制造的一系列工程活動(dòng)[8]。其最大的特點(diǎn)在于“主動(dòng)性”，即在產(chǎn)品服役過程中根據(jù)產(chǎn)品的性能退化，提前“主動(dòng)”地分析在何時(shí)需要實(shí)施再制造，通過控制再制造毛坯質(zhì)量以達(dá)到“最低投入、最大利用”的目的?，F(xiàn)階段的大部分再制造工程，基本可視為“被動(dòng)”地進(jìn)行再制造，完全是根據(jù)產(chǎn)品退役后的失效狀態(tài)制訂相應(yīng)的再制造方案的。

圖1 產(chǎn)品主動(dòng)再制造時(shí)域和時(shí)機(jī)示意圖Fig.1 Predecisional remanufacturing timing curve of product

圖1為機(jī)電產(chǎn)品在服役過程中的性能退化及產(chǎn)品主動(dòng)再制造時(shí)域與時(shí)機(jī)示意圖。主動(dòng)再制造的優(yōu)勢(shì)在于，理想狀態(tài)下可使產(chǎn)品的使用壽命無限延長(zhǎng)，盡可能提高其使用價(jià)值。主動(dòng)再制造后產(chǎn)品總的使用價(jià)值Vu可用下式來表示：

(1)

式中，等號(hào)右邊的第二項(xiàng)表示多次再制造后產(chǎn)品新增的使用價(jià)值；tAR為主動(dòng)再制造的時(shí)間點(diǎn)；ti為產(chǎn)品第i次再制造修復(fù)后的壽命周期；n為再制造修復(fù)次數(shù)。

傳統(tǒng)再制造對(duì)象包括產(chǎn)品級(jí)和零件級(jí)兩大主要部分，根據(jù)主動(dòng)再制造四大特征中關(guān)鍵零部件優(yōu)先性原則[13]，可將零部件作為主要研究對(duì)象。主動(dòng)再制造的核心主要是研究再制造毛坯質(zhì)量的不確定性問題，重點(diǎn)在于確定性能退化拐點(diǎn)(IP)，在該點(diǎn)零部件失效程度大體一致，毛坯質(zhì)量將在同一質(zhì)量等級(jí)上，有益于進(jìn)行大批量的再制造工程活動(dòng)。零部件的失效量化指標(biāo)一般為運(yùn)行時(shí)間和失效程度，失效程度可通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為運(yùn)行時(shí)間，但由于產(chǎn)品服役環(huán)境、環(huán)境與工況的差異性，導(dǎo)致由運(yùn)行時(shí)間量化的拐點(diǎn)與實(shí)際的拐點(diǎn)存在較大的差異。為此，本文采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，將內(nèi)部不易得到的失效狀態(tài)運(yùn)用監(jiān)測(cè)手段予以表達(dá)，從而得以真實(shí)反映零部件的失效情況。

零部件的失效與外部監(jiān)測(cè)信號(hào)具有一定的內(nèi)在聯(lián)系。零部件的主要失效形式包括疲勞破壞和磨損，其中磨損又是導(dǎo)致失效的最主要因素。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，磨損會(huì)導(dǎo)致零部件之間的配合間隙增大，產(chǎn)生碰撞、沖擊和噪聲等，而產(chǎn)品的振動(dòng)與軸心軌跡的變化則是碰撞與沖擊的外在表現(xiàn)。軸心與振動(dòng)的變化可通過外部監(jiān)測(cè)獲取，分析信號(hào)的頻譜特征以及軌跡的變化特征，便可建立特征與磨損失效間的映射關(guān)系，由該關(guān)系即可對(duì)零部件的失效狀態(tài)進(jìn)行判斷，并可預(yù)測(cè)不同失效狀態(tài)下的特征，為主動(dòng)再制造的時(shí)機(jī)選擇提供判斷依據(jù)。

2 基于在線監(jiān)測(cè)的再制造性分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸再制造毛坯分析

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的關(guān)鍵零部件主要有曲軸、缸體與缸蓋等。缸體與缸蓋的服役壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于曲軸，所以對(duì)它們進(jìn)行再制造性研究?jī)r(jià)值不高。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞動(dòng)力、承受沖擊載荷的重要部件，其形狀復(fù)雜，精度高，制造工藝繁瑣，熱處理和表面強(qiáng)化等要求嚴(yán)格，毛坯成本和加工費(fèi)用也較高，通常情況下曲軸的失效多為磨損，再制造修復(fù)成本相對(duì)較低,因此曲軸具有較高的再制造價(jià)值?？蓪⑶S作為發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件進(jìn)行可再制造性分析，建立映射關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸磨損失效的定量識(shí)別。

再制造性識(shí)別方式有兩種：一種是通過監(jiān)測(cè)不同時(shí)刻的特征量運(yùn)用映射關(guān)系了解其失效程度；另一種是通過映射關(guān)系掌握任意失效狀態(tài)下的信號(hào)特征，為再制造的時(shí)機(jī)判斷提供依據(jù)。對(duì)于某一零部件，在其性能退化拐點(diǎn)處的失效狀態(tài)對(duì)應(yīng)著一個(gè)磨損量σe，由映射關(guān)系得到對(duì)應(yīng)該磨損量的一組特征量，當(dāng)實(shí)測(cè)特征量與該組特征量信息相匹配時(shí)，即達(dá)到再制造要求。分析方案如圖2所示，圖中的Δσ表示主動(dòng)再制造區(qū)域內(nèi)σe兩邊的冗余磨損量。采用該方法進(jìn)行再制造性判斷，退役時(shí)的再制造毛坯的失效程度大體一致，質(zhì)量被控制在同一等級(jí)上，可有效解決再制造毛坯質(zhì)量的不確定性問題。

圖2 再制造性分析方案Fig.2 Remanufacturing analysis program

2.2 基于在線監(jiān)測(cè)的曲軸分析

曲軸的失效可以通過采用監(jiān)測(cè)敏感部位的振動(dòng)和軸心軌跡的變化等方法獲取。在實(shí)際的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)中，敏感部位的選擇直接影響采集信號(hào)的精準(zhǔn)性，同時(shí)振動(dòng)信號(hào)在傳遞過程中也會(huì)有一定的損耗，而軸心軌跡則能直觀反映轉(zhuǎn)子在軸承中的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)情況。當(dāng)因磨損導(dǎo)致配合間隙變大時(shí)，連桿與曲軸間的碰撞便會(huì)加劇，軸心軌跡就會(huì)發(fā)生較大的偏移，在軌跡內(nèi)部包含很多重要的特征信息,所以軸心軌跡特征的變化可作為表征曲軸失效的重要手段，以掌握曲軸的服役狀態(tài)。

2.3 軌跡特征的提取

奇異值分解(singular value decomposition,SVD)算法具有良好的穩(wěn)定性和不變性，其分解的奇異值能反映數(shù)據(jù)的內(nèi)在屬性，可以降低信號(hào)中的噪聲，提高信噪比[14]。對(duì)于一個(gè)含有噪聲的信號(hào)Y(N)={y1，y2，…，yN}，通過相空間的重構(gòu)構(gòu)造m×n階的Hankel矩陣Hm×n：

(2)

N=m+(n-1)

式中,Dm×n為無噪聲干擾的信號(hào)子空間;Wm×n為噪聲干擾信號(hào)子空間。

HU[17]的研究表明，圖像的7個(gè)不變矩具有平移、比例、旋轉(zhuǎn)的不變性，對(duì)形狀變化十分敏感，可作為識(shí)別軸心軌跡的特征值。

原點(diǎn)矩

mpq=?Rxpyqf(x,y)dxdy

(3)

中心矩

μpq=?R(x-xc)p(y-yc)qf(x,y)dxdy

(4)

式中,R為軸心軌跡邊緣區(qū)域；(xc，yc)為圖像重心，xc=m10/m00，yc=m01/m00。

為確保中心矩相對(duì)于圖像尺寸變化的不變性，對(duì)中心矩進(jìn)行歸一化處理。(p+q)階歸一化的中心矩

(5)

由上述公式得到7個(gè)HU不變矩：

(6)

這7個(gè)不變矩的數(shù)值變化范圍較大，為便于數(shù)據(jù)的處理，取對(duì)數(shù)對(duì)7個(gè)不變矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行壓縮：

Ik=lg|φk|k=1，2，…，7

(7)

通過計(jì)算可得到7個(gè)改進(jìn)的不變線性矩特征值，實(shí)現(xiàn)待識(shí)別圖像集合到不變線性矩集合的映射。每一磨損狀態(tài)下軸心軌跡圖形均可由唯一的不變矩特征來表示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸心軌跡圖形的識(shí)別。

3 軸心軌跡智能識(shí)別試驗(yàn)與分析

曲軸的主要磨損部位為主軸頸和連桿軸頸，由于連桿軸頸的潤(rùn)滑條件較差、負(fù)荷較大，其磨損比主軸頸更嚴(yán)重，且磨損后連桿與曲軸間的撞擊程度即加劇，增大了對(duì)曲軸的沖擊載荷，所以本文主要研究連桿軸頸的磨損。為了真實(shí)模擬曲軸的磨損，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)某型號(hào)單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行曲軸磨損試驗(yàn)。在連桿軸徑尺寸分別磨損0、0.09 mm、0.18 mm、0.27 mm、0.36 mm和0.45 mm時(shí)，通過兩個(gè)互成90°的渦流傳感器，監(jiān)測(cè)曲軸在徑向兩處的位移變化，如圖3所示。圖3中的X、Y向標(biāo)定處是兩方向上的傳感器。

圖3 渦流傳感器監(jiān)測(cè)示意圖Fig.3 Vortex sensor monitoring diagram

3.1 軸心軌跡的SVD降噪

發(fā)動(dòng)機(jī)工況設(shè)定轉(zhuǎn)速為2400 r/min，負(fù)載為12 N·m，采樣頻率為10 kHz。圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)無磨損狀態(tài)下X、Y處軸心方向上的時(shí)域波形。

圖4 原機(jī)無磨損時(shí)域波形Fig.4 Time domain waveform of original machine with no wearing

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)完整的做功周期為2周，從各磨損狀態(tài)下的時(shí)域波形圖中截取512個(gè)點(diǎn)進(jìn)行SVD降噪處理。重構(gòu)的Hankel矩陣行數(shù)m分別取6、7、8、9、10、15，分析其分解后的奇異值分布。在各組截取數(shù)據(jù)中，當(dāng)m≥8時(shí)，奇異值的變化相對(duì)較小，基本呈穩(wěn)定變化的趨勢(shì);但當(dāng)m=8時(shí)，前3個(gè)奇異值分量之和占據(jù)整體分量和的96%以上。綜合考慮對(duì)各組數(shù)據(jù)降噪的效果，取m=8為軸心軌跡信號(hào)重構(gòu)子矩陣的行數(shù)，所以構(gòu)建的Hankel矩陣為H8×505。當(dāng)m=8時(shí)，各組數(shù)據(jù)的前2次奇異值的能量與總體能量比達(dá)到98%，表明前2次的能量包含了信號(hào)的主體信息，根據(jù)前k次奇異值能量占優(yōu)原則，取k=2為奇異值分解的有效階次，完成軌跡的降噪處理。

3.2 軸心軌跡不變矩特征

經(jīng)過SVD降噪后，由X、Y向的數(shù)據(jù)合成得到軸心軌跡，如圖5所示。觀察可知，在無磨損或磨損較小的情況下，在一個(gè)工作周期內(nèi)軸心軌跡的形狀較規(guī)則，因?yàn)樵谠撃p狀態(tài)下，連桿與曲軸間的相對(duì)碰撞次數(shù)較少，對(duì)曲軸軸心軌跡影響較??；但隨著曲軸磨損的加劇，因磨損導(dǎo)致的連桿軸瓦與曲軸軸頸間的配合間隙增大，使其在相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的碰撞次數(shù)增多，最終結(jié)果是軸心軌跡向無規(guī)則形狀變化，且軌跡更加集中，曲率半徑不斷減小，隨著磨損量的增大，該特征愈加明顯。這一明顯變化，為監(jiān)測(cè)及識(shí)別軌跡特征提供了可能。

(a)磨損量e=0

(b)磨損量e=0.36 mm圖5 實(shí)測(cè)不同磨損狀態(tài)的軸心軌跡Fig.5 Shaft center trajectory with different wear quantity

利用式(6)和式(7)對(duì)實(shí)測(cè)的軸心軌跡降噪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在不同磨損狀態(tài)下，共有6組不變矩?cái)?shù)值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后樣本的不變矩?cái)?shù)值如表1所示。

表1 不變矩?cái)?shù)值

有學(xué)者認(rèn)為只有基于二階矩的不變矩對(duì)二維物體的描述才真正具有旋轉(zhuǎn)縮放和平移的不變性，其中I1與I2都是由二階矩組成的，對(duì)不變性保持較好，而其余幾個(gè)不變矩對(duì)圖像的識(shí)別不敏感，效果不明顯[18]。其中I1是軸心軌跡發(fā)散程度的度量指標(biāo)，軌跡的發(fā)散程度越小，其值相對(duì)越??；而I2則是軸心軌跡對(duì)稱性的度量指標(biāo)，對(duì)稱性越好，其值相對(duì)越小。其余不變矩對(duì)二維圖像識(shí)別相對(duì)不敏感，在識(shí)別結(jié)果上存在一定誤差，基于準(zhǔn)確性考慮，本文選用前兩個(gè)不變矩?cái)?shù)值作為識(shí)別軸心軌跡的特征量。

比較軸心軌跡圖形中軌跡的變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著曲軸磨損量的增大，其軌跡的對(duì)稱性逐漸變差，離散程度逐漸降低且變得相對(duì)集中，且軌跡的曲率半徑不斷減小，究其原因是間隙的增大加劇了曲軸與連桿間的碰撞。再比較表1中不變矩?cái)?shù)值的變化情況可以看出，隨著磨損量的增大，不變矩I1的數(shù)值逐漸減小，I2的數(shù)值逐漸增大，表明隨著曲軸磨損的加劇，其軌跡的變化特征與不變矩?cái)?shù)值大小變化趨勢(shì)具有一致性，這也形成了相互的驗(yàn)證，說明了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其余不變矩?cái)?shù)值變化規(guī)律不明顯且無明顯的特征，對(duì)二維圖像的特征識(shí)別不敏感，所以在本文中未作參考。通過不變矩?cái)?shù)值I1、I2與磨損量e之間的變化規(guī)律，可構(gòu)建磨損量與不變矩之間的映射關(guān)系。

將I1與磨損量e導(dǎo)入MATLAB中，應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，得到圖6所示的擬合曲線；同時(shí)將I1、I2與磨損量e進(jìn)行曲面擬合，得到圖7所示的擬合曲面。曲面擬合的均方差為0.036 83，相關(guān)系數(shù)為0.9858，在誤差允許范圍內(nèi)。運(yùn)用該擬合方法，可以有效地減小多次擬合后產(chǎn)生的誤差，在整體上提高磨損特征識(shí)別的精度。

磨損量與不變矩I1的關(guān)系為

(8)

磨損量與不變矩I1、I2之間的關(guān)系為

(9)

圖6 磨損量與不變矩I1的關(guān)系Fig.6 Relationship between wearquantity and invariant moment I1

圖7 磨損量隨不變矩I1、I2的變化曲面Fig.7 Curve of wear quantity with the moment invariant I1 and I2

由主動(dòng)再制造理論可知，曲軸在服役期存在一個(gè)最佳的再制造時(shí)機(jī)，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)一確定的磨損量eσ。根據(jù)式(8)可得到該磨損量下的特征值I1，用eσ去截取圖7的變化曲面，即可得到該磨損量下對(duì)應(yīng)的一組等高線(是關(guān)于I1、I2的相互關(guān)系)，將通過式(8)得到的I1代入，即可算出該磨損量下的特征值I2。由文獻(xiàn)[19]可知，曲軸主動(dòng)再制造時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的服役時(shí)間為5.01年，曲軸年均磨損量約為0.066 mm，所以該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的最佳再制造時(shí)間所對(duì)應(yīng)的磨損量e=0.33 mm，通過式(8)與截取的等高線，得到在最佳再制造時(shí)間點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的特征量(I1，I2)=(0.681，1.2963)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到某時(shí)刻的特征值達(dá)到或接近該值時(shí)，即可判斷曲軸已達(dá)到了再制造的要求，此時(shí)進(jìn)行再制造綜合價(jià)值最大。

運(yùn)用該映射關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)對(duì)服役期內(nèi)零部件磨損程度的識(shí)別，完成對(duì)零部件再制造時(shí)機(jī)的選擇，不需要考慮零部件使用環(huán)境與工況等因素的差異，即可使退役時(shí)的零部件質(zhì)量控制在同一等級(jí)上，解決了再制造毛坯質(zhì)量的不確定性問題。

4 結(jié)束語

針對(duì)再制造過程中出現(xiàn)的再制造毛坯質(zhì)量不確定性問題，運(yùn)用主動(dòng)再制造思想，通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件曲軸的磨損試驗(yàn)，提取原始軌跡信號(hào)，經(jīng)SVD降噪后擬合出軸心軌跡，運(yùn)用不變矩算法提取軸心軌跡圖像的不變矩特征參量，構(gòu)造出特征參量與磨損失效之間的映射關(guān)系，從而判斷曲軸主動(dòng)再制造時(shí)的服役狀態(tài)，完成對(duì)其再制造性的分析。信號(hào)分析結(jié)果表明，該方法可有效應(yīng)用于服役中的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，能夠?qū)崟r(shí)獲取曲軸的再制造性狀態(tài)，為實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的主動(dòng)再制造提供了技術(shù)保障。

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(編輯 袁興玲)

Remanufacturability Analysis Method for Engine Crankshafts Based on Shaft Center Trajectory

WANG Yulin HU Jinqiang KE Qingdi SONG Shouxu

School of Mechanical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，230009

The uncertainty of the remanufacturing blank qualities was analyzed by the theory of predecisional remanufacturing. A remanufacturability analysis method was presented based on shaft center trajectory. This method extracted the characteristic parameters of the shaft center trajectory of the same engine crankshaft under different wear conditions by using the moment invariant algorithm. The mapping relationship among the characteristic quantity and wear quantity was established to determine the remanufacturability of the engine parts so that the quantification of crankshaft wear under any conditions might be realized. The test results show that the method has high precision for identifying the wear of the crankshafts. It provides a more accurate criterion to find the optimal remanufacturing time in the service period of the crankshaft. At the same time, it provides a solution to the uncertain control problems of remanufacturing blank qualities in the service period with the same batch product failures.

predecisional remanufacturing；uncertainty；shaft center trajectory；crankshaft wear

2016-07-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305119，51375133)

TH122

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.13.014

王玉琳，男，1966年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授、博士。研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品回收與再利用。胡錦強(qiáng)，男，1990年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。柯慶鏑(通信作者)，男，1984年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授、博士。E-mail：qingdi.ke@hfut.edu.cn。宋守許，男，1964 年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士。