新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)原理和目的

 

摘要：氣缸體是柴油發(fā)電機(jī)的重要基礎(chǔ)部件，為了考核柴油發(fā)電機(jī)氣缸體的可靠性，需對氣缸體進(jìn)行液壓加載疲勞試驗(yàn)，從而確定氣缸體的疲勞壽命和安全系數(shù)范圍。通過對一定數(shù)量的氣缸體進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對氣缸體疲勞試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行了定義，對試驗(yàn)件的損壞進(jìn)行了分類，找出氣缸體的薄弱部位，為設(shè)計(jì)師改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 

一、氣缸體疲勞試驗(yàn)的目的

 

      氣缸體是柴油發(fā)電機(jī)的重要基礎(chǔ)部件，運(yùn)行中主要承受氣體爆發(fā)壓力和連桿曲軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對其施加的載荷，因此在柴油發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中要求氣缸體具有足夠的剛度和強(qiáng)度。為了保證氣缸體的使用壽命，對疲勞強(qiáng)度也有較高的要求。

為了評定氣缸體在柴油機(jī)工作狀況下的可靠性，在進(jìn)行氣缸體疲勞試驗(yàn)時(shí)需要對氣缸體施加一定的脈動(dòng)載荷。通常在液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)上，模擬在一定爆發(fā)壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)氣缸體所能承受的載荷進(jìn)行試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)主要是用來對現(xiàn)生產(chǎn)中的零部件進(jìn)行驗(yàn)證，因此樣品必須與現(xiàn)生產(chǎn)水平保持一致。在柴油機(jī)開發(fā)的早期階段，也用于對柴油機(jī)零部件進(jìn)行初期的試驗(yàn)，以確定其可靠性。在確定氣缸體疲勞試驗(yàn)中所施加的脈沖壓力時(shí)，主要考慮氣缸體（或氣缸套）的耐壓性能和主軸承蓋的承載能力，同時(shí)考察氣缸體整體承受脈沖壓力的能力。

      康明斯公司經(jīng)過10年的試驗(yàn)摸索及相關(guān)工作，現(xiàn)已形成完備的試驗(yàn)方法，成功地制造了性能優(yōu)異的缸體疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)方法和設(shè)備水平已與國際接軌。同時(shí)，積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)成果，現(xiàn)將部分內(nèi)容進(jìn)行簡單介紹。目前，國內(nèi)的氣缸體材料多為鑄鐵和鋁合金，大機(jī)型氣缸體多使用灰鑄鐵，尤其以HT250為主。本文主要介紹了灰鑄鐵氣缸體在疲勞試驗(yàn)中的試驗(yàn)件損壞情況。

 

二、疲勞試驗(yàn)設(shè)備、原理、方法

 

1、試驗(yàn)設(shè)備

      發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、泵站、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、恒壓伺服泵站及管路系統(tǒng)等組成，主要應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)件、部件的動(dòng)態(tài)性能、疲勞壽命等力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)可以完成以下幾種試驗(yàn)項(xiàng)目：拉伸疲勞試驗(yàn)、拉壓疲勞試驗(yàn)、斷裂韌度試驗(yàn)、裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)、應(yīng)力疲勞試驗(yàn)、應(yīng)變疲勞試驗(yàn)，符合GB/T2611《試驗(yàn)機(jī)通用技術(shù)要求》、GB/T16826《電液伺服 試驗(yàn)機(jī)》、GB3075《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》、JB/T9397《拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)技術(shù)條件》、GB228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（1）全數(shù)字電液伺服六通道氣缸體疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)該系統(tǒng)如圖1所示，其主要性能指標(biāo)是脈動(dòng)壓力為0~22 MPa、工作頻率為1~5 Hz、油源壓力為28 MPa、油源流量為100L/min、油源功率為55kW。

（2）內(nèi)燃機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)機(jī)主要性能指標(biāo)是脈動(dòng)壓力為0~32 MPa、脈動(dòng)壓力加載頻率在4~20 Hz連續(xù)可調(diào)、油源壓力為45MPa、油源流量為68L/min、油源功率為60kW。

2、原理

       氣缸體疲勞試驗(yàn)的加載方式見圖2。試驗(yàn)主要考核主軸承壁（或連體主軸承壁）、缸套、氣缸體本體，同時(shí)對其它相關(guān)零件也有一定的考核作用。在氣缸體疲勞試驗(yàn)中，液壓設(shè)備加載的壓力通過相關(guān)夾具首先傳遞到活塞連桿系統(tǒng)，然后傳遞到主軸承壁及氣缸體整體。在試驗(yàn)過程中，相關(guān)緊固件同時(shí)受力，在加載的油腔部分缸套和缸墊同時(shí)受到考核。

（1）氣缸套耐壓試驗(yàn)

      氣缸套耐壓試驗(yàn)是將設(shè)備輸出的高壓液壓油注入到模擬活塞上方的空間，以此考察氣缸套的耐壓性能。

（2）主軸承蓋承載能力試驗(yàn)

      主軸承蓋承載能力試驗(yàn)是將設(shè)備輸出的高壓液壓油注入到模擬活塞上方的空間，對模擬活塞施加一定的脈沖壓力。通過模擬活塞、活塞、連桿、模擬曲軸將力傳遞到主軸承蓋上，以此考察其疲勞性能。

3、方法

      試驗(yàn)將通過負(fù)荷增加法（負(fù)荷增加法主要用于試驗(yàn)樣件數(shù)量非常有限的情況；在條件允許的情況下，也可以按P-S-N曲線法進(jìn)行）進(jìn)行。該試驗(yàn)過程一直進(jìn)行到氣缸體出現(xiàn)裂縫，或者裂紋根本不出現(xiàn)（由試驗(yàn)設(shè)備或其他柴油機(jī)零件所限）。根據(jù)所使用的試驗(yàn)臺(tái)架，可以采用以下加載方式。

（1）單缸加載

      在該過程中，每次只對1個(gè)氣缸進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）多缸加載

      同時(shí)對2個(gè)或2個(gè)以上氣缸進(jìn)行試驗(yàn)。所有的主軸承蓋都要進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)載荷在0和所需要的最大試驗(yàn)載荷之間脈動(dòng)。

 

圖1  發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)機(jī)

圖1  柴油機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)的加載方式

 

三、疲勞試驗(yàn)步驟

 

1、確定加載方式

      根據(jù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門對氣缸體疲勞性能的要求，確定適當(dāng)?shù)募虞d方式。

2、材料非線性

      材料非線性是指材料具有非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Abaqus軟件支持用戶使用*PLASTIC選項(xiàng)定義金屬材料的塑性性能。*PLASTIC選項(xiàng)中的數(shù)據(jù)將材料的真實(shí)屈服應(yīng)力定義為真實(shí)塑性應(yīng)變的函數(shù)。同時(shí)Abaqus支持在各材料參數(shù)中使用溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如：彈性模量、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變曲線等。為了更準(zhǔn)確的獲得應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，在分析時(shí)缸體材料采用彈塑性數(shù)據(jù)，即試驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3所示。

3、確定試驗(yàn)樣品

（1）試驗(yàn)樣品必須是完整的氣缸體總成，包括連桿總成、活塞、活塞銷、活塞卡環(huán)、氣缸套以及連桿軸瓦、主軸承瓦、主軸承螺栓、氣缸蓋螺栓、氣缸墊。

（2）在氣缸體的初始試驗(yàn)階段，需要3個(gè)氣缸體進(jìn)行試驗(yàn)，但在產(chǎn)品的確認(rèn)階段需要8個(gè)氣缸體。

（3）在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前，需要對試驗(yàn)氣缸體進(jìn)行常規(guī)檢驗(yàn)，以確定試驗(yàn)氣缸體是否符合技術(shù)條件及圖紙要求。

（4）試驗(yàn)樣品必須明確其在設(shè)計(jì)過程或生產(chǎn)過程中所處的具體環(huán)節(jié)。

4、試驗(yàn)過程

（1）首先計(jì)算出試驗(yàn)負(fù)荷，試驗(yàn)負(fù)荷等于名義負(fù)荷×期望的安全系數(shù)再減去1-2個(gè)增量。按此負(fù)荷進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

（2）達(dá)到指定循環(huán)次數(shù)，氣缸體沒有損壞，則負(fù)荷水平每次增加1個(gè)增量繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到氣缸體損壞。

（3）氣缸體損壞前的最后負(fù)荷值即為疲勞強(qiáng)度的估計(jì)值。

（4）載荷增量是名義載荷的15%~25%。

      如果條件允許采用P-S-N曲線法，則估算疲勞極限時(shí)，可得出存活率為50%的P-S-N曲線。其中，主軸承蓋承載能力試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后lgS-lgN曲線見圖4。

 

圖3  氣缸體金屬材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4  柴油機(jī)氣缸體承載能力中值lgs-lgn曲線

 

四、試驗(yàn)狀態(tài)與實(shí)例分析

 

1、疲勞試驗(yàn)狀態(tài)

      對氣缸體疲勞試驗(yàn)而言，是對氣缸體進(jìn)行液壓加載的破壞性試驗(yàn)，從而得出氣缸體的安全系數(shù)范圍和疲勞壽命，同時(shí)找到氣缸體的薄弱部位，為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門提供數(shù)據(jù)和改進(jìn)建議。

      每個(gè)氣缸體疲勞試驗(yàn)都需要加工模擬氣缸蓋、模擬曲軸等一系列夾具，同時(shí)要安裝活塞連桿系統(tǒng)、緊固件和氣缸墊等零件以盡量貼近真實(shí)工況，因此存在“理想狀態(tài)”的問題，即在氣缸體疲勞試驗(yàn)中，夾具、活塞連桿系統(tǒng)、緊固件和氣缸墊有足夠的承受能力（包括受力和密封能力）的試驗(yàn)狀態(tài)。在理想試驗(yàn)狀態(tài)下受到考核并首先損壞的是主軸承壁、缸套部位和氣缸體整體。與之相對的在氣缸體疲勞試驗(yàn)中，首先受力損壞的是除氣缸體外的其它零件的試驗(yàn)狀態(tài)，本文中稱之為“非理想狀態(tài)”。

      未將活塞連桿系統(tǒng)、氣缸墊等零件用夾具代替是因?yàn)橐诒M量貼近真實(shí)工況、減少工作量的同時(shí)對氣缸體外的其它零件進(jìn)行考核。

2、試驗(yàn)件損壞分類

      理想狀態(tài)和非理想狀態(tài)是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果（損壞部位）界定的。本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將氣缸體疲勞試驗(yàn)件損壞分為兩大類，即理想狀態(tài)和非理想狀態(tài)，在這兩大類下又進(jìn)行了細(xì)化，具體分類見表1。

表1     柴油機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)件損壞表

 

      以上損壞部位和形式中很多為單獨(dú)1種損壞，但也有2種以上損壞形式同時(shí)出現(xiàn)的情況，在這種情況下就需要進(jìn)行失效分析，根據(jù)材料、結(jié)構(gòu)和臺(tái)架等綜合情況判斷第一損壞部位，以確定整個(gè)氣缸體真正的薄弱部位，為設(shè)計(jì)部門改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3、實(shí)例分析

（1）某氣缸體材料：HT250。

（2）試驗(yàn)條件：缸內(nèi)壓力27MPa;試驗(yàn)頻率5Hz。

（3）運(yùn)行次數(shù)：260萬次。

（4）試驗(yàn)結(jié)果：氣缸體端面損壞，肉眼可見裂紋，長度約10cm。

（5）磁粉探傷：氣缸體一側(cè)的端面整個(gè)斷裂，但其它位置未發(fā)現(xiàn)裂紋。

（6）斷口：將裂紋處取樣剖開后，未發(fā)現(xiàn)明顯疲勞源。

（7）受力：在氣缸體疲勞試驗(yàn)中，氣缸體端面會(huì)受到從主軸承蓋螺栓處垂直向下的頻繁拉力作用。

（8）分析：對斷口進(jìn)行觀察，傾向于此氣缸體在端面定位孔內(nèi)側(cè)下方的圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中并首先開裂，之后由于氣缸體端面繼續(xù)受力，導(dǎo)致裂紋向兩側(cè)及向外側(cè)延展，從而將端面撕裂。

（9）有限元分析結(jié)果 ：利用Abaqus軟件計(jì)算缸體燃燒室內(nèi)高壓油壓力最大時(shí)結(jié)構(gòu)上的Mises應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明缸口開裂位置的Mises應(yīng)力較小，在70MPa以下，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果提供給設(shè)計(jì)部門后，對氣缸體相關(guān)部位進(jìn)行了更改和加強(qiáng)設(shè)計(jì)，更改后的氣缸體成功地通過了第2輪疲勞試驗(yàn)。模擬仿真的邊界條件修正后計(jì)算結(jié)構(gòu)如圖6所示。

 

柴油機(jī)氣缸體Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

氣缸體修正載荷后應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果

 

總結(jié)：

      在進(jìn)行氣缸體疲勞試驗(yàn)時(shí)，由于加載的液壓壓力遠(yuǎn)大于柴油發(fā)電機(jī)的正常工況，會(huì)產(chǎn)生損壞其它零部件的情況，所以氣缸體疲勞試驗(yàn)不僅考核氣缸體的可靠性，同時(shí)也考核相關(guān)零件的疲勞性能，這對柴油發(fā)電機(jī)零部件的開發(fā)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。同時(shí)，根據(jù)氣缸體及其它零部件損壞的方式、位置可以判斷疲勞試驗(yàn)中受力的薄弱部位，進(jìn)而給設(shè)計(jì)部門提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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