高強化柴油機鑄鐵缸蓋承載特性研究

邱 巍

(廣西嘉德機械股份有限公司，廣西 玉林 537000)

1鑄鐵缸蓋承載特性研究重點

要確保鑄鐵缸蓋的承載能力滿足要求，需要鑄鐵缸蓋同時滿足其在低于其屈服強度的循環(huán)應(yīng)力作用下和條件疲勞極限下的兩種設(shè)計要求，循環(huán)應(yīng)力作用是受到無限壽命的影響，條件疲勞極限受到高強化柴油機服役工況、服役壽命、應(yīng)用范圍等方面的影響，當前為了考察高強化柴油機的疲勞特性，主要從耐久性角度出發(fā)。其中鑄鐵缸蓋主要承載預(yù)裝配相互作用力、氣體相互作用力、定常變溫應(yīng)力、高頻波動變溫應(yīng)力、低頻波動變溫應(yīng)力等。因此，鑄鐵缸蓋承載特性研究重點主要放在上述幾點應(yīng)力方面，來研究應(yīng)力溫度變化情況和荷載變化行為，以此掌握高強化柴油機鑄鐵缸蓋承載特性。

2鑄鐵缸蓋溫度變化特征研究

鑄鐵缸蓋是直接與柴油機中的高溫燃氣相接觸，同時鑄鐵缸蓋溫度主要受到柴油機缸蓋冷卻油腔形狀、柴油機轉(zhuǎn)速等方面的影響，因此為了研究鑄鐵缸蓋溫度變化特征，主要采用了熱電偶方法，以此準確測試出鑄鐵缸蓋邊界分布規(guī)律和仿真計算模型，在測試過程中要注意一點，由于火力面輔助引線鉆孔直徑比較大，因此導(dǎo)致火力面熱量無法向內(nèi)側(cè)進行傳遞，這會影響到測試溫度的精確性，因此要求在測試鑄鐵缸蓋溫度時，要求預(yù)先根據(jù)試驗要求進行溫度場分析，并將分析的結(jié)果與測試情況相比較，最終得出火力面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布情況，同時確保鑄鐵缸蓋溫度測試結(jié)果更為精確。根據(jù)研究表明，鑄鐵缸蓋的最高溫度點是其兩邊排氣門鼻梁位置。

3鑄鐵缸蓋荷載特性研究

為了掌握和研究荷載對鑄鐵缸蓋應(yīng)力的影響，主要采用了有限元軟件計算方法，主要計算了預(yù)裝配荷載、熱荷載、最高燃燒壓力荷載等。通過有限元軟件計算方法，可以得出預(yù)裝配荷載、熱荷載、氣體力荷載單獨作用下鑄鐵缸蓋的瞬時應(yīng)力狀態(tài)，同時在計算時與鑄鐵缸蓋的溫度、相互作用力、疲勞計算結(jié)果相結(jié)合，將相互作用力的觀察點定為鑄鐵缸蓋頂板、水腔、鑄鐵缸蓋底板、進排氣道壁燈部位。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)裝配荷載對鑄鐵缸蓋頂板、水腔、鑄鐵缸蓋底板、進排氣道壁燈部位的相互作用力貢獻最大，在其中占據(jù)主要地位；熱荷載作用下，導(dǎo)致鑄鐵缸蓋底板的溫度身高，底板向燃燒方向發(fā)生體積增大現(xiàn)象，同時對于鑄鐵缸蓋頂板連接應(yīng)力有釋放和緩和效果，但是對底板冷卻鉆孔會產(chǎn)生較大的反作用力，對于鼻梁區(qū)域也會產(chǎn)生較高的有壓縮趨勢的應(yīng)力，因此熱荷載對鑄鐵缸蓋底板連接應(yīng)力占據(jù)主要作用。

在穩(wěn)態(tài)定常熱荷載基礎(chǔ)上，要思考氣體力、高頻波動熱荷載對鑄鐵缸蓋連接應(yīng)力的影響，通過上述計算發(fā)現(xiàn)鑄鐵缸蓋的高頻變溫應(yīng)力變化會與溫度變化呈現(xiàn)出相反的狀態(tài)，通俗來講就是溫度達到最高點時，高頻變溫應(yīng)力達到最低點，同時還可以發(fā)現(xiàn)鑄鐵缸蓋的工作循環(huán)內(nèi)變溫應(yīng)力會隨著檢測深度的變化而變化，在鑄鐵缸蓋喉口處可發(fā)現(xiàn)表面的變溫應(yīng)力存在波動幅值，隨著檢測的深入發(fā)現(xiàn)達到2 mm處時，變溫應(yīng)力波動幅值低于5 MPa，因此高頻波動變溫應(yīng)力僅僅只是對鑄鐵缸蓋2 mm以內(nèi)的區(qū)域產(chǎn)生影響。同時還發(fā)現(xiàn)氣體力的作用只是應(yīng)壓力幅度增加，同時高頻波動變溫應(yīng)力與氣體力應(yīng)力存在明顯的差異性，并且高頻波動變溫應(yīng)力的數(shù)值較大，甚至是達到55 MPa，相對于氣體力應(yīng)力而言，數(shù)值是其1.8倍，因此高頻波動變溫應(yīng)力對鑄鐵缸蓋頂板區(qū)域的疲勞可靠性產(chǎn)生較大影響。

另外，還發(fā)現(xiàn)鑄鐵缸蓋在加熱過程中，頂板的特征點溫度也會急劇上升，在加熱90 s后開始變得穩(wěn)定，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)最大溫度增高速度大小為7.5 ℃/s，在怠速過程中最大溫度降低速度大小為9 ℃/s。同時隨著溫度的變化，鑄鐵缸蓋喉口區(qū)的應(yīng)力也不斷變化，當溫度漸漸上升時應(yīng)力出現(xiàn)負值，當溫度漸漸下降時應(yīng)力出現(xiàn)正值，同時距離喉口較遠的部位溫度水平會越來越低，同時應(yīng)力幅值也逐漸下降。總而言之，除開鑄鐵缸蓋喉口之外的其它部分溫度水平不高，應(yīng)力幅值隨之較低，同時要注意鑄鐵缸蓋喉口處承受支撐物體的應(yīng)力最高。

在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速條件下，鑄鐵缸蓋頂面2 mm左右的薄層存在明顯的瞬態(tài)溫度起伏不定，其鑄鐵缸蓋區(qū)域溫度基本不變；工作循環(huán)中瞬態(tài)溫度起伏不定引起的高頻變溫應(yīng)力與瞬態(tài)溫度變化直接相關(guān)，而高頻波動變溫應(yīng)力只存在于頂面薄層中，氣體應(yīng)力在該區(qū)域進一步增大，因此有必要考慮高頻變溫應(yīng)力對鑄鐵缸蓋區(qū)域高周疲勞強度評價的影響；結(jié)果表明，當?shù)∷俸皖~定轉(zhuǎn)速交替時，鑄鐵缸蓋喉部溫度變化很大，最大溫升速率為7.5 ℃/s，最大溫降速率為9 ℃/s，喉部區(qū)域的應(yīng)力與溫度變化速率有關(guān)，而遠離鑄鐵缸蓋喉部的其它部位的溫度和應(yīng)力幅值較低，因此鑄鐵缸蓋塞燃燒室喉部是低周疲勞的重點；同時研究了柴油機工作狀態(tài)下鑄鐵缸蓋的穩(wěn)態(tài)溫度場、高頻溫度場、低周溫度場、穩(wěn)態(tài)變溫應(yīng)力、高頻變溫應(yīng)力、低周變溫應(yīng)力、機械應(yīng)力、熱機械連接應(yīng)力等，為疲勞奠定了基礎(chǔ)。對下一步的鑄鐵缸蓋進行壽命預(yù)先推測，也為鑄鐵缸蓋材料的研究和開發(fā)提供了荷載憑據(jù)。

4結(jié)語

綜上所述，鑄鐵缸蓋在柴油機中缺一不可，同時鑄鐵缸蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要承受柴油機荷重和熱荷重，因此在運行過程中要尤為注重高強化柴油機鑄鐵缸蓋的最大應(yīng)力和可靠性，而影響最大應(yīng)力和可靠性的最大因素又是鑄鐵缸蓋承載特性，因此本文對此展開了研究，確保人們可以掌握鑄鐵缸蓋承載特性的基礎(chǔ)知識，同時為高強化柴油機發(fā)展奠定基礎(chǔ)。