定形珩磨技術(shù)在中型柴油機氣缸體上的應(yīng)用

羅國良，李連升，宋海洋，李明磊

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，交通運輸領(lǐng)域的碳排放約占全部碳排放的9%，柴油機作為交通運輸領(lǐng)域的主要動力裝備，其節(jié)能減排對實現(xiàn)“2030年碳達峰、2060年碳中和”的雙碳目標(biāo)具有重要意義[1-2]。中型柴油機為降低油耗和排放普遍采用清潔燃燒、超高壓共軌、多級增壓、智能附件等先進技術(shù)。柴油機氣缸體在工作過程中受到靜態(tài)裝配載荷、動態(tài)機械載荷和高溫變形載荷的作用[3]，易發(fā)生缸孔變形，導(dǎo)致活塞漏氣量增加，磨損和機油耗增大、排放惡化。珩磨是用鑲嵌在珩磨頭上的砂條(油石)對內(nèi)孔表面磨削，獲得較高精度的加工工藝，主要運用于缸體、曲軸孔、缸孔和連桿大孔的精整加工。采用定形珩磨技術(shù)對氣缸體缸孔進行珩磨，可減少缸孔因缸蓋螺栓安裝預(yù)緊力作用產(chǎn)生的變形，使缸孔與活塞環(huán)形成良好的配合，降低活塞漏氣量、機油耗和磨損。

定形珩磨技術(shù)分為普通珩磨、分段同心珩磨、平板工裝組裝珩磨和自由定形珩磨等，其中，平板工裝組裝珩磨技術(shù)在輕型汽油、柴油發(fā)動機生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛[4-5]。本文中，將平板工裝組裝珩磨技術(shù)應(yīng)用在高爆發(fā)壓力(≥25 MPa)的中型柴油機的無缸套氣缸體上，采用統(tǒng)計學(xué)中的相關(guān)系數(shù)法對珩磨工裝、氣缸蓋裝配到氣缸體上產(chǎn)生的缸孔變形進行定量一致性評價，探討定形珩磨技術(shù)在中型柴油機氣缸體加工中應(yīng)用的可行性和應(yīng)用效果。

1 理論依據(jù)

采用傅里葉變換和基于統(tǒng)計的相關(guān)系數(shù)法評價定形珩磨技術(shù)生產(chǎn)的氣缸體缸孔變形。

對于圓柱形的缸孔及其產(chǎn)生的變形，采用離散傅里葉變換將總變形分解成各階變形的疊加[6]，其表達式為：

ξ(Φ)=r0+∑Amp-kcos(k(Φ+δk)) ,

式中：ξ(Φ)為缸孔形狀；Φ為極角，°；Amp-k為k階變形幅值，mm；r0為缸孔半徑，mm；δk為k階相位角，°。

單獨的各階變形的幅值和變形相位角為：

δk=arctan (Bk/Ak)，

式中Ak、Bk為傅里葉系數(shù)。

繪圖中缸孔表面的各階變形ξk表示為：

ξk=r0+Akcos(kΦ)+Bksin(kΦ)。

以圖形表示的上述分解過程如圖1所示，其中第0階為同心圓直徑變形，第1階為偏心變形，第2階為橢圓變形，第3階為3花瓣變形，更高階的形狀以此類推[7]。

圖1 缸孔變形的傅里葉分解圖

缸孔變形數(shù)據(jù)是一種靜態(tài)數(shù)據(jù)，可以采用概率統(tǒng)計的一致性系數(shù)、相關(guān)系數(shù)和系統(tǒng)偏差來評價裝配珩磨工裝、原氣缸蓋2種情況產(chǎn)生的缸孔變形的一致性和差異性[8]。

以向量Xi、Xj表示安裝珩磨工裝、原氣缸蓋后的缸孔變形結(jié)果，則每種情況的缸孔變形均值

式中n為變形結(jié)果的數(shù)量。

2種變形情況的相關(guān)系數(shù)[9]

一致性系數(shù)

系統(tǒng)偏差

2 模型

采用有限元分析技術(shù)分別對珩磨工裝和氣缸蓋裝配到氣缸體上產(chǎn)生的缸孔變形進行仿真分析。為了兼顧仿真精度和計算效率，以排量為7.7 L的6缸柴油機的第1、2、3、6缸為研究對象，搭建柴油機有限元模型，包含的部件有珩磨工裝(或氣缸蓋)、氣缸墊、氣缸體、飛輪殼、氣缸蓋螺栓和飛輪殼螺栓，如圖2所示。計算分析步包括初始小位移和平均螺栓預(yù)緊力載荷。

圖2 柴油機有限元模型

氣缸蓋采用蠕墨鑄鐵制成，模型如圖3所示。珩磨工裝的材料為鑄鋼，為使其剛度與氣缸蓋相當(dāng)，在設(shè)計中遵循以下原則：1)整體式，珩磨工裝采用六缸一體的形式，保證整體剛度；2)等高原則，珩磨工裝的高度與氣缸蓋高度相同，可以采用同樣的缸蓋螺栓進行安裝；3)去除部分缸心材料，因珩磨工裝由彈性模量更大的鑄鋼制成，因此在工裝上設(shè)置比缸徑稍大的材料去除孔以降低剛度，同時便于珩磨頭自上而下對氣缸體缸孔進行珩磨，珩磨工裝模型如圖4所示。

圖3 原氣缸蓋模型 圖4 珩磨工裝模型

當(dāng)活塞在缸內(nèi)往復(fù)運動時，氣缸體缸孔內(nèi)表面與活塞環(huán)外表面形成工作副，密封缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高壓氣體，同時潤滑工作表面。為了減少活塞漏氣量，降低機油消耗和缸孔-活塞環(huán)配副的磨損，需要使缸孔與活塞環(huán)的變形一致，最大程度地減少氣缸體缸孔的變形[10]。因此，分析氣缸體缸孔變形時需主要關(guān)注上止點第一道活塞環(huán)到下止點第三道活塞環(huán)之間的工作表面。本文中以氣缸體上表面為起始基點，缸孔變形分析區(qū)域為基點下10～100 mm的圓柱面，如圖5中藍色區(qū)域所示。

圖5 分析區(qū)域剖截面(藍色)

3 仿真結(jié)果分析

氣缸體采用普通珩磨方式加工，裝配氣缸蓋，氣缸體第1、2、3、6缸孔產(chǎn)生的2～8階變形如圖6所示。由圖6可知，第4和6階變形超出或接近設(shè)計目標(biāo)，不符合設(shè)計要求，需要采用定形珩磨技術(shù)降低缸孔變形。

圖6 裝配原氣缸蓋后缸孔變形圖

以軸向10 mm、周向3°為單位將分析曲面均勻分區(qū)，提取所有節(jié)點的徑向變形作為變量分析缸孔變形。第1階變形為偏心變形，對活塞漏氣量、機油消耗和磨損影響比較小，因此定義總變形減去第1階變形為真實變形。裝配珩磨工裝和原氣缸蓋后的第1、2、3、6缸真實變形的一致性系數(shù)、系統(tǒng)偏差和相關(guān)系數(shù)如表1所示。

由表1可知，裝配珩磨工裝和氣缸蓋缸孔真實變形的一致性系數(shù)均在1±5%以內(nèi)、系統(tǒng)偏差在0附近，相關(guān)系數(shù)均大于0.98，表明裝配珩磨工裝對氣缸體缸孔變形的影響與裝配氣缸蓋相當(dāng)，珩磨工裝可以應(yīng)用于該氣缸體的珩磨工藝過程。

表1 真實變形分析結(jié)果

4 試驗驗證

采用定形珩磨技術(shù)試制一批氣缸體，采用V-INCOMETER設(shè)備對其中4件試制氣缸體的缸孔變形進行實際測量，測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。計算試制氣缸體第1、2、3、6缸缸孔的各階平均變形，并與設(shè)計目標(biāo)進行比較，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，第1、2、3、6缸缸孔各階變形均小于設(shè)計目標(biāo)。普通珩磨、定形珩磨后的缸孔變形與設(shè)計目標(biāo)的比較如圖9所示。由圖9可知，采用定形珩磨后的氣缸體缸孔變形大幅減小，有利于降低活塞漏氣量、機油耗和缸孔磨損，改善碳排放和污染物排放。

圖7 測試系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖8 定形珩磨氣缸體的缸孔變形 圖9 普通、定形珩磨與設(shè)計目標(biāo)的比較

將采用定形珩磨技術(shù)生產(chǎn)的氣缸裝配到整機中進行臺架試驗驗證。經(jīng)過負載循環(huán)、超負荷、熱沖擊等耐久試驗，柴油機最低油耗為183.00 g/(kW·h)，污染物排放滿足國六b階段排放標(biāo)準(zhǔn)，活塞漏氣量穩(wěn)定在130 L/min，機油耗穩(wěn)定在0.09 g/(kW·h)，活塞環(huán)和缸孔磨損在正常范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

采用有限元分析、離散傅里葉變換、相關(guān)系數(shù)法評價了定形珩磨技術(shù)在某中型柴油機氣缸體生產(chǎn)中的應(yīng)用，對采用該技術(shù)生產(chǎn)的氣缸體進行了零部件測試和臺架試驗驗證。

1)離散傅里葉變換可以對缸孔變形進行分解，對缸孔各階變形進行定量評價。

2)珩磨工裝和氣缸蓋產(chǎn)生的缸孔變形的一致性系數(shù)在1±5%以內(nèi)、系統(tǒng)偏差約為0、相關(guān)系數(shù)大于0.95，表明珩磨工裝裝配到氣缸體產(chǎn)生的缸孔變形與裝配氣缸蓋一致，可以應(yīng)用于氣缸體的缸孔珩磨工藝過程。

3)采用定形珩磨技術(shù)可以大幅降低無缸套氣缸體的缸孔變形，減少活塞漏氣量、機油耗和活塞環(huán)-缸孔副的磨損，并由此降低碳排放和污染物排放。