基于硬度的汽车零件回收评价准则研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.5MB 62 页 15积分
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摘 要
如何准确判断服役一段时间后结构的剩余强度能否满足继续使用的要求，是决定汽车零
部件是否可回收利用的关键问题之一。在当今向着循环型社会发展的趋势下，为了实现汽车
工业的可持续发展，缓解经济社会发展和资源稀缺的矛盾，必须提高报废汽车资源的利用率。
本文以汽车前桥和变速箱齿轮为对象，研究了通过结构表面硬度特性，无损判断结构件剩余
强度的理论和方法。
本文在研究过程中，首先分析了国内外大量的材料及汽车结构件的疲劳实验数据，并通
过对汽车前桥和变速箱齿轮进行针对性试验，得出了疲劳实验后汽车结构件在不同实验阶段
的强度特征。通过对处于不同受载状态（包括静强度、疲劳强度和低载强化试验）的结构件
的表面硬度测试试验，总结出低强度结构件（汽车前轴）和高强度结构件（汽车齿轮）的表
面硬度变化特征，建立了结构件的强度与硬度关系模型。以此模型为基础，利用人工神经网
络建立了包括不同强度结构件的强度与硬度关系的三维空间，进而总结出不同结构件的强度
与硬度关系的基本规律。最后本文总结了可以用硬度变化判断剩余强度的可回收零件，基于
硬度判断强度的评价准则，并分析了基于硬度变化判断强度的优点和局限性。
基于硬度变化的汽车零件回收评价方法，可以实现在不拆解整车的条件下，正确的评价
整车及车辆各结构件的剩余寿命，充分发挥车辆的强度潜力，减少材料和能源的浪费，为国
家创造很大的社会和经济效益，也为将来国家制定新的汽车报废标准提供技术参考。
关键词：表面硬度 剩余强度 汽车零件回收 评价准则
ABSTRACT
One of the key problems of reutilization of automotive parts is whether the surplus strength of
used structure can meet the continuous operational requirements. With the trend of recycling social
development and continuous auto industry, it is a matter of great urgency to relieve the
contravention between the social economy development and scarce resources, and raise the
utilization ratio of the discard automobile. By investigating the surplus strengths of truck front axle
and transmission gears, the article arrives at the theory and method for nondestructive judgment of
strengths of the parts using the variation characteristics of surface hardness.
In the first place, based on analyzing a great number of fatigues examinational data for
materials and automotive parts, the pertinence tests in the truck front axle and transmission gears
have been accomplished, thus get the conclusion of the strength characteristic in different stage.
Analyses of all kinds of test results is in diverse loading state including static, fatigue strength and
strengthening under low amplitude loading. The relationship between strength and hardness has
been founded, with the result of characteristics of surface hardness for low strength structure (truck
front axle) and high strength structure (transmission gear). Then on the basis of the model and
three-dimension space established by the neural network, the basic law has been summarized.
Finally, via the research arrives at the sum-up of recoverable parts which surplus strength judged by
hardness change, draws up the criteria, and analyses the advantages and limitations of estimating
strength on hardness change.
Evaluation method of automotive parts recycling on hardness change can exactly evaluate
surplus life of automobile and vehicle parts without dismantling completely. Fully developing
strength potential and reducing the waste of materials and energy, the research will have big
practical social and economic values, and technological referential effects on the automobile discard
criteria.
Key word：Surface hardness，Surplus strength，Automobile parts recycling，
Evaluation criterion
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ................................................................. 1
§1.1 选题背景及意义 ....................................................... 1
§1.1.1 选题背景 ........................................................1
§1.1.2 选题意义 ........................................................2
§1.2 国内外汽车回收利用的现状 ............................................. 3
§1.3 汽车回收利用研究现状分析 ............................................. 7
§1.4 本文研究的主要内容 ................................................... 8
第二章 材料的强度变化与硬度特征 ............................................... 9
§2.1 硬度概述 ............................................................. 9
§2.1.1 硬度定义 ........................................................9
§2.1.2 硬度的测试方法 ..................................................9
§2.1.3 便携式硬度计的分类 .............................................10
§2.2 材料的强度与硬度关系 ................................................ 11
§2.2.1 材料的强度与硬度的静态关系 .....................................11
§2.2.2 材料的强度与硬度的动态关系 .....................................12
§2.3 剩余强度衰减规律的历史回顾 .......................................... 17
§2.4 基于硬度测试的剩余强度评价 .......................................... 19
第三章 结构件的强度与硬度关系的试验研究 ...................................... 20
§3.1 引言 ................................................................ 20
§3.2 汽车前桥硬度试验研究 ................................................ 20
§3.2.1 汽车前桥结构 ...................................................20
§3.2.2 汽车前桥静、动载试验 ...........................................20
§3.2.3 汽车前桥表面硬度测定试验 .......................................22
§3.2.4 试验结果分析与讨论 .............................................23
§3.2.5 汽车前桥强度与硬度关系 .........................................24
§3.3 汽车齿轮硬度试验研究 ................................................ 26
§3.3.1 汽车齿轮结构 ...................................................26
§3.3.2 汽车齿轮静、动载试验 ...........................................27
§3.3.3 汽车齿轮表面硬度测定试验 .......................................29
§3.3.4 试验结果分析与讨论 .............................................32
§3.3.5 汽车齿轮强度与硬度关系 .........................................37
§3.4 本章小结 ............................................................ 38
第四章 基于硬度变化的结构强度评价理论 ........................................ 39
§4.1 引言 ................................................................ 39
§4.2 汽车结构件的强度与硬度关系的比较分析 ................................ 39
§4.3 结构件强度与硬度关系空间的构建方法 .................................. 40
§4.3.1 神经网络的基本概念 .............................................40
§4.3.2 径向基函数神经网络原理 .........................................41
§4.3.3 基于 MATLAB 的 RBF 神经网络构建及仿真分析方法 ....................42
§4.4 硬度与强度关系网络训练样本的构建 .................................... 42
§4.5 网络设计仿真及其效果分析 ............................................ 45
§4.5.1 汽车结构件强度与硬度关系模型 ...................................45
§4.5.2 网络设计分析总结 ...............................................47
§4.6 不同强度结构件强度与硬度变化规律 .................................... 47
§4.7 本章小结 ............................................................ 47
第五章 汽车零件可回收性硬度评价准则 .......................................... 48
§5.1 汽车可回收零件的种类和再制造途径 .................................... 48
§5.1.1 汽车可回收零件的种类 ...........................................48
§5.1.2 汽车可回收零件的再制造途径 .....................................48
§5.2 能够依据硬度变化判断可回收性的汽车零件 .............................. 50
§5.3 汽车零件可回收的硬度评价准则 ........................................ 51
§5.4 基于硬度判断强度的优点与局限性评析 .................................. 51
§5.4.1 基于硬度判断强度的优点 .........................................51
§5.4.2 基于硬度判断强度的缺点 .........................................52
§5.5 本章小结 ............................................................ 52
第六章 结论与展望 ............................................................ 53
§6.1 结论 ................................................................ 53
§6.2 论文的创新点 ........................................................ 53
§6.3 下一步研究展望 ...................................................... 54
§6.4 结束语 .............................................................. 54
参考文献 ..................................................................... 55
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................... 59
致 谢 ....................................................................... 60
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 选题背景及意义
§1.1.1 选题背景
进入二十一世纪，人类将告别上个世纪以来“大量生产、大量废弃”的开放式产业结构，
要节约资源、保护环境，使之朝着循环型社会的方向发展，汽车工业尤其如此。
汽车作为现代社会物质文明的象征，给人们的生活带来了巨大地改变。但随着全球汽车
保有量的不断增加，汽车在生产和使用过程中对多种材料和能源的需求量也将持续增长，而
这些资源中大多数是不可再生资源，如一些有色金属通过开采矿产获得，而这些矿产资源需
要上万年才能生成等；并且汽车生产耗用大量的能源和材料的同时，每年的废旧汽车数量也
在急剧增长，大量废旧汽车的积存也对生态环境造成了严重地污染。据测算，每报废一辆汽
车可以节约1t燃油、回收2.4t废钢铁和45kg有色金属[1]。为了缓解资源短缺与资源浪费的矛盾，
减少大量报废汽车产品对环境的危害，积极的开展汽车回收利用的研究，做好节能环保的工
作，求得社会和经济的可持续发展，是当今世界汽车工业面临和亟待解决的问题。
从汽车生命周期的角度来说，汽车回收在整个汽车产业发展过程中也起非常重要的作用。
汽车生命周期一般要经历生产、使用、维修和报废等几个步骤。若把汽车的“制造—销售—
使用—维修”称为汽车产业中的动脉工业，则汽车的“报废—拆解回收—废物利用—废弃处
置”则可被称为是汽车产业中的静脉工业，在汽车产业的发展史上，人们对汽车的动脉工业
倾注了充足的热情，对其静脉工业却曾一度置之不理，由此而引发的资源二次浪费和环境污
染问题向世人敲响了警钟[2]。如何在汽车寿命终结后最大限度地使其各组件回到产品的生命
周期的各个阶段或源头，重新参与产品新的生命周期；最大限度地在产品的全生命周期过程
中，提高资源的利用率，减少资源浪费[3-9]，形成整个汽车产业的循环经济已成为世界汽车工
业的重大课题之一。
汽车的报废并不意味着其中的所有总成和零部件均已失去使用价值，统计数据表明，一
辆汽车的报废，真正失去原有效能的零部件不到总数的5％，其余的各部件完全可以经过适当
翻新重新使用。这些零配件的再生利用，既可以减少再加工的社会成本(如金属零件的再冶炼、
再加工)，又可以节省资源消耗，同时也可降低维修、制造的成本。因此，如果能够合理有效
地回收报废汽车，最大限度地利用这些资源，处理好汽车工业和生态环境保护之间的关系，
是可持续发展中的重大问题之一。一些汽车工业较为发达的国家如美国、日本和德国等早在
二十世纪六七十年代就意识到汽车回收问题的重要性，并且提出了废旧汽车再生利用的概念。
基于硬度变化的汽车零件回收利用评价方法研究
2
在随后的近半个世纪的时间里，欧、美、日等发达国家对汽车回收已做了很多具体、深入和
实用的研究，各大汽车公司也成立了专门的汽车回收试验中心，而且报废汽车的回收更侧重
于对环境的保护。如今，汽车回收业已成为这些国家汽车产业中较有发展前途的产业。
我国在汽车回收方面的研究尚在起步阶段，报废汽车回收目前存在管理无序、技术落后
等问题，并且缺乏统一行业规范，也没有专业的回收研究中心。据国家信息中心的数字显示，
2005 年我国报废汽车为 200 万辆，且每年以此数字递增。尽管 2006 年2月初，国家发展和
改革委委员会、科学技术部和国家环保总局联合制定了《汽车产品回收利用技术政策》
[10, 11]，
国家强调了汽车零部件的可回收利用。但是，如何检测汽车产品是否可回收利用，尚无有效
的技术措施和手段。对汽车结构件来说，判断其是否可回收利用，关键是判断运行一段时间
后结构的剩余强度能否满足继续使用的要求。
目前
，
剩余强度评价主要是基于应力-强度干涉模型。剩余强度模型由于其天然的破坏准
则，受到到国内外众多研究者的重视[12-15]，虽然已提出了大量的剩余强度模型，但是使用不
理想。本文试图在长期强度研究的基础上，提出一种基于硬度测试的结构件强度无损评价的
简易方法。
§1.1.2 选题意义
随着我国的汽车保有量的不断增加，汽车工业已经成为我国国民经济的支柱产业，因此
汽车工业的每一次科技进步，都会带来显著的经济和社会效益。汽车运行一段时间后，虽然
一些性能指标（如油耗、加速性、振动等级等）会退化，但其结构件的强度却不一定都退化。
现有的汽车报废标准主要按简单的公里数计算，并没有考虑结构件实际的受载情况。从大量
汽车结构件的强度试验表明，汽车零部件在适当的低幅载荷（低于疲劳极限）下锻炼适当的
次数（即低载强化）后，其疲劳强度和疲劳寿命能得到明显的提高强度，也就是说运行一段
时间的结构件的强度随时间的变化不总是单调下降，有时还会上升[16-24]。如果对使用后强度
增加的结构件强制报废，将导致材料和能源的双重浪费。
鉴于从 2006 年起，国家强调汽车零部件的可回收利用，然而至今缺少判断零件可回收性
的方法。为了无损判断零件的剩余强度，及其剩余使用寿命，需要寻找可行的简易方法。由此
提出了通过硬度判断强度的思想。虽然材料的硬度与强度有近似的对应关系[25]，但是使用一段
时间后，结构表面的硬度是否变化，是否还与剩余强度有对应的关系，这些还研究很少。如果
能获得使用后结构表面的硬度与剩余强度的关系，就可在不拆解整车的条件下，通过对使用中
的汽车结构件进行表面硬度测量，评价其强度的状态，预测各结构件的剩余寿命，为继续长期
使用提供技术依据，也为将来国家制定新的汽车报废标准提供技术参考。同时，也使车辆的强
度潜力得到充分发挥，减少材料和能源的浪费，为国家创造巨大的社会和经济效益。因此，本
第一章 绪 论
3
项研究具有比较重要的社会现实意义和学术价值。
§1.2 国内外汽车回收利用的现状
1）美国汽车回收利用的现状
美国是世界上最大的汽车生产和使用国家，也是汽车回收利用较为有效的国家。美国近
年来每年报废汽车为1500万辆左右，目前的回收利用率已达到约80%(按汽车质量计)左右[26]。
汽车回收业已经成为美国汽车工业一个不可缺少的辅助产业，全美现在约有1.15万家规模不
等的汽车零部件回收商，他们所做的就是将可能废弃的零部件诸如发动机、电动机和其它零
散件拆卸下来，经检验，如未达到报废程度，就可对其进行整修和翻新，之后他们可以重新
出售这些“废品”（翻新前、后的汽车发动机缸体见1-1和1-2，翻新前、后中间轴和凸轮轴
见图1-3和1-4），这在法律上是允许的，报废的金属车体，则可用破碎机将其粉成金属碎片，
再将其运送到钢厂，钢厂用其铸造新车体，其材料质地还算是上好等级的。据测算，粉碎一
辆车的废壳几乎能够满足制造一辆新车的需要。统计数字显示，汽车回收业每年向美国钢铁
冶金行业提供废钢铁占冶金业回收量的33%之多。
图1-1 回收的汽车发动机缸体 图1-2 翻新后的汽车发动机缸体
图1-3 回收的中间轴和凸轮轴 图1-4 翻新后的中间轴和凸轮轴
为了提高旧车拆解效率并积累经验，而且更重要的是进行汽车及其零部件易拆解、可回
收性和再利用性的研究，美国福特、通用和克莱斯勒三大汽车制造商联合在美国密歇根州的
海兰帕克建立了汽车回收利用研究开发中心。
摘要：

摘要如何准确判断服役一段时间后结构的剩余强度能否满足继续使用的要求，是决定汽车零部件是否可回收利用的关键问题之一。在当今向着循环型社会发展的趋势下，为了实现汽车工业的可持续发展，缓解经济社会发展和资源稀缺的矛盾，必须提高报废汽车资源的利用率。本文以汽车前桥和变速箱齿轮为对象，研究了通过结构表面硬度特性，无损判断结构件剩余强度的理论和方法。本文在研究过程中，首先分析了国内外大量的材料及汽车结构件的疲劳实验数据，并通过对汽车前桥和变速箱齿轮进行针对性试验，得出了疲劳实验后汽车结构件在不同实验阶段的强度特征。通过对处于不同受载状态（包括静强度、疲劳强度和低载强化试验）的结构件的表面硬度测试试验，总结...

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