基于提高冷卻溫度的機(jī)車柴油機(jī)部件可靠性研究*

鄭永強(qiáng)， 薛良君， 張 強(qiáng)

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司 產(chǎn)品設(shè)計(jì)部， 江蘇常州 213011)

隨著國(guó)家公轉(zhuǎn)鐵政策持續(xù)推進(jìn)，貨運(yùn)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變革，大宗商品公路運(yùn)輸逐步轉(zhuǎn)為鐵路運(yùn)輸，減少大氣污染、改善環(huán)境空氣質(zhì)量。據(jù)美國(guó)Union Pacific鐵路公司統(tǒng)計(jì)，2017年貨運(yùn)量4 713億t英里，折算百公里經(jīng)濟(jì)成本燃油0.5 dm3/t，運(yùn)輸成本是公路的5.2%每噸公里。因此，低成本的貨運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車，尤其是3 234 kW功率等級(jí)交流傳動(dòng)機(jī)車的需求迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)鐵路內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)多采用開(kāi)式循環(huán)，高溫冷卻水出口溫度控制遠(yuǎn)低于在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)100℃，和大氣的對(duì)數(shù)溫差小，而散熱器的尺寸與溫差成反比，導(dǎo)致散熱器體積、質(zhì)量較大，不利于機(jī)車總體布置。因此，提高高溫冷卻水、機(jī)油出口溫度，降低輔助消耗熱量，減小散熱器體積及質(zhì)量對(duì)貨運(yùn)機(jī)車設(shè)計(jì)非常必要。在柴油機(jī)性能方面，較高的冷卻平衡溫度使得高溫水進(jìn)、出口溫差減小，油耗呈下降趨勢(shì)，熱損失及摩擦損失減小，對(duì)提高熱效率有一定益處。

柴油機(jī)燃燒放熱大部分熱量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能做功，其余熱量通過(guò)傳熱釋放和磨損消耗，提高冷卻溫度存在很大風(fēng)險(xiǎn)，傳遞給氣缸蓋、活塞及滑動(dòng)軸承的熱量增加，溫度升高，必然影響承受熱負(fù)荷、液力潤(rùn)滑零部件的可靠性及使用壽命。因此，進(jìn)行熱負(fù)荷分析、滑動(dòng)軸承NHD分析及溫度場(chǎng)測(cè)試對(duì)柴油機(jī)提高冷卻溫度來(lái)講意義重大。

1 冷卻溫升試驗(yàn)研究

1.1 研究方向

柴油機(jī)冷卻控制依據(jù)成熟模式、用途等不盡相同，歐美國(guó)家如GE、EMD、MTU公司及國(guó)鐵240、280系列柴油機(jī)對(duì)冷卻控制的方式及受控溫度見(jiàn)表1。R12V280ZJ型柴油機(jī)平均有效壓力1.91 MPa，柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，活塞平均速度10 m/s；單缸功率295 kW，單缸排量18.5 dm3，排放滿足EPA Tier3。該型柴油機(jī)機(jī)油出口溫度≤90 ℃、高溫冷卻水出口溫度≤92 ℃，與同類機(jī)型相比，冷卻溫度控制數(shù)值上有一定差距，表1也反映了柴油機(jī)冷卻控制的技術(shù)趨勢(shì)。

表1 各型柴油機(jī)冷卻控制方式及受控溫度

1.2 試驗(yàn)研究

提升柴油機(jī)機(jī)油及冷卻水控制溫度試驗(yàn)，宏觀上應(yīng)保證主軸承溫度、機(jī)油壓力兩個(gè)重要參數(shù)值在可靠范圍內(nèi)，按照目標(biāo)值逐步提升溫度至熱平衡狀態(tài)。該型柴油機(jī)采用鋁基溝槽瓦，合金層硬度50～60HBW，材料能承受的短期運(yùn)行溫度≤180 ℃，長(zhǎng)期運(yùn)行溫度≤150 ℃，軸瓦長(zhǎng)期運(yùn)行最高溫度≤115 ℃，機(jī)油進(jìn)柴壓力≥450 kPa。

圖1 柴油機(jī)機(jī)油溫度及壓力關(guān)系

標(biāo)定工況下通過(guò)臺(tái)架冷卻控制，在中冷溫度不變的條件下，機(jī)油及高溫冷卻水出口溫度目標(biāo)值每增加2 ℃，熱平衡后主軸承溫度、機(jī)油壓力、高溫水泵出口壓力及相應(yīng)出口溫度見(jiàn)圖1及圖2所示。機(jī)油進(jìn)、出口溫度成線性增長(zhǎng)，溫差降低，在主軸承安全運(yùn)行10%裕量點(diǎn)時(shí)，出口溫度目標(biāo)值達(dá)到95 ℃，進(jìn)柴壓力509.2 kPa，該溫度下機(jī)油密度842 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度16.74 mm2/s，符合OEM建議要求。機(jī)油出口控制溫度從90 ℃升高至95 ℃后，機(jī)油進(jìn)、出口溫差降低31.4%；高溫水出口控制溫度從92 ℃升高至97 ℃后，高溫水進(jìn)、出口溫差增長(zhǎng)20%。

控制目標(biāo)機(jī)油出口溫度≤95 ℃及冷卻水出口溫度≤97 ℃確定后，在穩(wěn)態(tài)工況下，熱平衡試驗(yàn)基于熱平衡式(1)[1]進(jìn)行熱量分配研究，分析改善燃油燃燒后各系統(tǒng)的熱量分配[2]。

Qt=Qe+Qw+Qo+Qc+Qr

(1)

式中Qt為燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量，kW；Qe為轉(zhuǎn)化為有效功的熱量，kW；Qw為高溫冷卻水帶走的熱量，kW；Qo為機(jī)油帶走的熱量，kW；Qc為中冷水帶走的熱量，kW；Qr為排氣及輻射損失的熱量，kW。

2 氣缸蓋熱負(fù)荷分析

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

氣缸蓋采用Creo2.0建立三維參數(shù)化模型，運(yùn)用MSC公司MSC-NASTRAN、ABAQUS等有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算及前、后處理，計(jì)算模型網(wǎng)格采用六面體單元，見(jiàn)圖3。氣缸蓋材料蠕墨鑄鐵，20 ℃物理性能為：彈性模量130 GPa、泊松比0.28、密度7000 kg/m3、熱膨脹系數(shù)1.23×10-5m/(m·K)、導(dǎo)熱系數(shù)47.4 W/(m·K)，考慮溫度對(duì)材料性能的影響，抗拉極限強(qiáng)度390 MPa，壓縮屈服強(qiáng)度505 MPa。

圖2 柴油機(jī)高溫水溫度及壓力關(guān)系

圖3 氣缸蓋有限元分析模型

圖4 缸內(nèi)燃燒溫度及傳熱系數(shù)

氣缸蓋熱負(fù)荷分析考慮了組裝壓力、氣體壓力的影響，在最惡劣工況柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，超10%扭矩下進(jìn)行。氣缸蓋冷卻水溫度按照熱平衡目標(biāo)值，考慮進(jìn)、出口水溫差取進(jìn)水溫度為90.3 ℃，冷卻水壓力考慮15%的裕量后取330 kPa。采用BOOST軟件模擬缸內(nèi)工作過(guò)程，得出燃?xì)鉁囟?、?duì)流傳熱系數(shù)在曲軸轉(zhuǎn)角720°范圍內(nèi)的曲線如圖4所示。熱力循環(huán)計(jì)算平均燃?xì)鉁囟萒Gm及平均傳熱系數(shù)αGm分別為615 ℃和802 W/(m2·K)。氣缸蓋暴露在大氣中，環(huán)境溫度和傳熱系數(shù)取20 ℃和23 W/(m2·K)[3]。對(duì)進(jìn)氣道、排氣道表面溫度和傳熱系數(shù)取60 ℃、605 ℃和150 W/(m2·K)、350 W/(m2·K)[4]。對(duì)燃燒室側(cè)傳熱系數(shù)充分考慮活塞頂燃燒室形狀在徑向的差異性，取平均燃?xì)鉁囟燃皞鳠嵯禂?shù)。忽略熱輻射的影響。

2.2 溫度場(chǎng)分布及熱應(yīng)力

氣缸蓋火力岸溫度場(chǎng)分布反映了燃燒放熱程度及冷卻效果，直接影響其運(yùn)用的可靠性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。氣缸蓋外表面溫度較低，均在85 ℃以下；主要受熱表面是燃燒室側(cè)，最高溫度347 ℃，出現(xiàn)在兩個(gè)排氣閥座的鼻梁區(qū)，廢氣流速較快，對(duì)流換熱強(qiáng)烈，熱流密度較高；進(jìn)氣閥座鼻梁區(qū)溫度在335 ℃左右。冷卻側(cè)溫度分布均勻，最高229 ℃，位于排氣道表面，其余表面溫度在150 ℃以內(nèi)。實(shí)際測(cè)量結(jié)果鼻梁區(qū)與計(jì)算結(jié)果接近，其余均低于315 ℃。

火力岸燃燒室側(cè)由于較高的溫度場(chǎng)產(chǎn)生了最高熱應(yīng)力區(qū)，依據(jù)第一強(qiáng)度理論，該處的主應(yīng)力為壓應(yīng)力，方向?yàn)樨?fù)。在屈服強(qiáng)度較高的壓縮區(qū)域，壓應(yīng)力相比拉應(yīng)力更安全?；鹆Π稇?yīng)力分布見(jiàn)圖6，閥座過(guò)盈安裝在氣缸蓋，在高溫膨脹作用下產(chǎn)生最小壓應(yīng)力達(dá)到-332 MPa。相反，火力岸從燃燒室側(cè)到冷卻側(cè)的溫度梯度及氣道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起拉應(yīng)力，最高拉應(yīng)力206 MPa，發(fā)生在進(jìn)氣門閥座的外側(cè)。另外，在噴油器安裝孔底部，由于氣道布置對(duì)安裝孔結(jié)構(gòu)的削弱，使得該處最大拉應(yīng)力值為152 MPa。

圖5 氣缸蓋火力岸溫度場(chǎng)分布

圖6 氣缸蓋火力岸應(yīng)力分布

3 滑動(dòng)軸承NHD分析

柴油機(jī)主軸承及連桿軸瓦采用流體動(dòng)力潤(rùn)滑，依靠軸頸旋轉(zhuǎn)建立起具有一定壓力的油膜[5]，一定厚度的油膜可以避免金屬直接接觸造成混合潤(rùn)滑或者干摩擦，滑動(dòng)軸承除旋轉(zhuǎn)作用形成油膜承載外，還依靠零件表面對(duì)油膜擠壓來(lái)承載。因此，最小油膜厚度Hmin及峰值油膜壓力Pmax決定著軸承的使用壽命及可靠性。在圖1宏觀展示了主軸承溫度隨機(jī)油出口溫度的增長(zhǎng)關(guān)系，溫差隨溫度升高而減小，對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行NHD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))分析可以直觀反映該型柴油機(jī)的Hmin及Pmax，判斷溫升后使用的可靠性。

模型定義時(shí)，最高爆發(fā)壓力15.4 MPa的示功圖由BOOST計(jì)算得出，主軸承間隙1.336‰，連桿軸瓦間隙1.116‰，主軸承油溫105 ℃，連桿軸瓦油溫120 ℃，油品特性等同于SAE 20W-40。為提高計(jì)算準(zhǔn)確性，柴油機(jī)工況，連桿、活塞銷、曲軸等的幾何、質(zhì)量及運(yùn)動(dòng)特性在模型中分別作了定義。

3.1 最小油膜厚度Hmin

連桿上瓦最小油膜厚度1.59 μm，發(fā)生在58°位置處；連桿下瓦最小油膜厚度1.52 μm，發(fā)生在212°位置處；每循環(huán)載荷平均油膜厚度3.88 μm。主軸下瓦最小油膜厚度2.05 μm，位于下瓦244°位置處，發(fā)生在第4檔主軸頸；每循環(huán)載荷平均油膜厚度6.99 μm。最小油膜厚度發(fā)生在爆發(fā)上止點(diǎn)。見(jiàn)圖7。

圖7 峰值油膜壓力及最小油膜厚度

3.2 峰值油膜壓力Pmax

連桿瓦峰值油膜壓力362.1 MPa，位于上瓦2°處，連桿下瓦的最大油膜壓力為146 MPa，位于188°處。連桿瓦上、下瓦的最大比壓分別是41.6 MPa和11.5 MPa。主軸承峰值油膜壓力234.5 MPa，位于主軸下瓦198°處，發(fā)生在第2檔主軸頸；主軸承上瓦的最大油膜壓力為89.8 MPa，位于280°處，發(fā)生在第1檔主軸頸。主軸承上、下瓦的最大比壓分別是25.5 MPa和4.8 MPa，發(fā)生在第5、6檔。

3.3 軸承溫度對(duì)油膜承載的影響

軸承溫度升高不僅降低機(jī)油黏度，使承載能力降低，惡化運(yùn)行條件。按機(jī)車柴油機(jī)運(yùn)用工況，通過(guò)提高運(yùn)行溫度分析軸承的最小油膜厚度及峰值油膜壓力的變化，基于25 000 h軸承使用壽命條件，判斷軸承溫度變化對(duì)可靠性的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由計(jì)算可知，軸承溫度升高，主軸承及連桿軸瓦油膜壓力增加10%，油膜厚度減小25%。依據(jù)OEM對(duì)該型材料運(yùn)用、模擬及臺(tái)架試驗(yàn)研究，對(duì)應(yīng)該尺寸軸承，Hmin應(yīng)大于1.45 μm，Pmax應(yīng)小于455 MPa，因此，該型柴油機(jī)在機(jī)油出口溫度95 ℃，主軸承溫度105 ℃下運(yùn)行是可靠的。

4 活塞溫度場(chǎng)研究

活塞采用振蕩冷卻，冷卻介質(zhì)機(jī)油溫度的變化會(huì)影響到燃燒室側(cè)及冷卻側(cè)的熱負(fù)荷，對(duì)環(huán)槽部位，溫度過(guò)高容易使機(jī)油結(jié)焦，產(chǎn)生的碳顆粒輕則影響活塞環(huán)的摩擦磨損，重則引起拉缸。采用硬度塞法對(duì)活塞溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量研究，并與溫度提升前進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果顯示，冷卻介質(zhì)溫度升高及為降低排放而改進(jìn)的新型燃燒室導(dǎo)致活塞頂喉口位置溫度增大，最高達(dá)到395 ℃，進(jìn)、排氣側(cè)溫差15 ℃左右，燃燒室底部最高343 ℃?；钊敳捎脙?yōu)質(zhì)耐熱鋼，在溫度小于450 ℃時(shí)具有足夠的機(jī)械性能[6]?；钊谝坏拉h(huán)槽部位溫度小于210 ℃，盡管溫度較高，但和同類缸徑，相同冷卻形式的柴油機(jī)活塞相比結(jié)果較接近。

表2 軸承運(yùn)行溫度對(duì)Hmin及Pmax的影響

表3 活塞溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及對(duì)比研究

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)柴油機(jī)主軸承溫度宏觀監(jiān)測(cè)，分析高溫冷卻水及機(jī)油進(jìn)、出柴油機(jī)溫度及壓力的變化，確定了柴油機(jī)的冷卻控制目標(biāo)，高溫冷卻水出口溫度由92 ℃提升至97 ℃，機(jī)油出口溫度由90 ℃提升至95 ℃。基于冷卻控制溫度的提高，分別對(duì)柴油機(jī)承受熱負(fù)荷的關(guān)鍵部件氣缸蓋、活塞及軸瓦可靠性的影響進(jìn)行模擬分析、開(kāi)發(fā)試驗(yàn)及機(jī)車運(yùn)用得出以下結(jié)論。

(1)氣缸蓋溫度分布規(guī)律與測(cè)試結(jié)果接近，火力岸溫度均低于350 ℃，滿足蠕墨鑄鐵材料的性能要求；火力岸燃燒室側(cè)最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)332 MPa，冷卻側(cè)的最大拉應(yīng)力206 MPa滿足材料允許的可靠性要求。

(2)主軸承及連桿軸瓦在軸承溫度105 ℃、120 ℃下的最小油膜厚度及峰值油膜壓力滿足選用軸承材料的要求，能達(dá)到既定的使用壽命。活塞在冷卻溫度升高前、后的最高溫度較為接近，對(duì)使用可靠性無(wú)影響。

(3)冷卻控制目標(biāo)提升后，柴油機(jī)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)、機(jī)車運(yùn)用的驗(yàn)證方式證明了氣缸蓋、軸瓦及活塞的可靠性。