柴油機(jī)進(jìn)氣門(mén)頸部特征分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 引言

斷裂失效是氣門(mén)常見(jiàn)的一種失效方式，往往對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成毀滅性破壞，輕者需修理，重者要更換整機(jī)。這樣給用戶和制造廠都造成了巨大的利益損害。因此，柴油機(jī)廠、各大汽配件廠乃至國(guó)家科委都對(duì)提高氣門(mén)的質(zhì)量給予了的高度關(guān)注。張效工等針對(duì)氣門(mén)落座對(duì)排氣門(mén)失效的影響進(jìn)行了研究，研究了不同參數(shù)對(duì)氣門(mén)落座特性的影響

。氣門(mén)頸部是應(yīng)力集中的最嚴(yán)重的區(qū)域之一，但是關(guān)于氣門(mén)結(jié)構(gòu)對(duì)氣門(mén)失效影響的研究卻很少，王景等人通過(guò)有限元模擬研究了氣門(mén)盤(pán)部結(jié)構(gòu)對(duì)氣門(mén)失效的影響

。但是關(guān)于氣門(mén)頸部結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)氣門(mén)失效的影響研究卻很少，基于各種軟件的優(yōu)勢(shì)不同，本文利用SolidWorks三維軟件進(jìn)行建立氣門(mén)模型，再把三維模型導(dǎo)入到有限元軟件進(jìn)行溫度或應(yīng)力分析，改變參數(shù)，通過(guò)對(duì)比進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為氣門(mén)頸部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 氣門(mén)頸部結(jié)構(gòu)特征

氣門(mén)頸部結(jié)構(gòu)是桿部與盤(pán)部的過(guò)渡部分，存在著應(yīng)力集中，而且會(huì)受到高溫、高腐蝕性氣體的沖刷，存在著氣門(mén)的第二熱點(diǎn)，其工況條件非常惡劣。這也是頸部常發(fā)生彎曲疲勞斷裂的原因所在。因此頸部結(jié)構(gòu)的合理性顯得尤為重要。氣門(mén)頸部結(jié)構(gòu)有下面三種：①圓弧型②圓弧+過(guò)渡錐角型③圓弧+過(guò)渡錐角+背錐角型，氣門(mén)頸部結(jié)構(gòu)如圖1。

圓弧型加工起來(lái)比較簡(jiǎn)單，圓弧直接把桿部和盤(pán)部相連，但是應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，因此只適合小型普通發(fā)動(dòng)機(jī)，圓弧+過(guò)渡錐角型氣門(mén)加工起來(lái)比圓弧型略為復(fù)雜，但是頸部和盤(pán)部的平順性大大提高。圓弧+過(guò)渡錐角+背錐角型氣門(mén)加工起來(lái)比前面兩種復(fù)雜，但其過(guò)渡區(qū)域的平順性最好，適應(yīng)于負(fù)荷較大的發(fā)動(dòng)機(jī)。

氣門(mén)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)盤(pán)部掉頭、頸部斷裂、盤(pán)部翹曲變形等損壞現(xiàn)象，不僅會(huì)導(dǎo)致氣門(mén)的失效，嚴(yán)重者甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的損毀造成惡性事故，為了改善氣門(mén)的性能，提高氣門(mén)質(zhì)量，對(duì)頸部結(jié)構(gòu)參數(shù)頸部過(guò)渡錐角β和過(guò)渡半徑R進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。過(guò)渡半徑R和過(guò)渡錐角β不僅對(duì)通過(guò)氣門(mén)頸部的氣流有較大影響，還影響著頸部應(yīng)力集中的程度和分布的均勻程度。R的范圍一般為(0.2～0.5)D，D為盤(pán)外圓直徑，β的范圍一般為15°～30°，且在盤(pán)部厚度一定的情況下，過(guò)渡半徑R和過(guò)渡錐角β決定了氣門(mén)頭部的剛度

。為了提高氣門(mén)的質(zhì)量和壽命水平，對(duì)氣門(mén)進(jìn)氣門(mén)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得尤為必要，頸部特征結(jié)構(gòu)如圖2。過(guò)渡區(qū)域?yàn)閼?yīng)力分布的敏感區(qū)，可以基于參數(shù)化的形式，分析應(yīng)力隨頸部結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律，從而來(lái)確定最優(yōu)解。

3 進(jìn)氣門(mén)頸部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

優(yōu)化設(shè)計(jì)就是一種尋求最優(yōu)化方案的技術(shù)，所謂“最優(yōu)化”是指在滿足全部設(shè)計(jì)要求的情況下，達(dá)到一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)目標(biāo)，比如重量最輕、應(yīng)力最小、體積最小、成本最低、性能最好等。目前工程上最用的最多的一種優(yōu)化方法為幾何優(yōu)化，即采用的是人機(jī)交互的方式，先根據(jù)部件的原有結(jié)構(gòu)用SolidWorks建立模型，然后進(jìn)行性能的分析，再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，繼續(xù)導(dǎo)入分析軟件進(jìn)行分析，反復(fù)的設(shè)計(jì)分析，直到達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)目的。對(duì)結(jié)構(gòu)的修改，必須遵照《設(shè)計(jì)手冊(cè)》，即修改的結(jié)構(gòu)尺寸須在規(guī)定的范圍內(nèi)。

由圖2可知，現(xiàn)有進(jìn)氣門(mén)盤(pán)外圓直徑D為55 mm，過(guò)渡圓弧半徑為15mm，過(guò)渡錐角β為15°。此時(shí)以過(guò)渡圓弧半徑R和過(guò)渡錐角β為變量，對(duì)等效應(yīng)力進(jìn)行分析比較，根據(jù)R與D值之間的關(guān)系，且R和β都不能過(guò)大否則會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，此時(shí)可將R的變化為13mm、15mm、17mm、19mm、21mm、23mm。β的變化為15°、17°、19°、21°、23°、25°?？梢缘玫綄?duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì)表，如表1。

因此可以根據(jù)R來(lái)分組，一共可采集36個(gè)數(shù)據(jù)，共可以分成6組進(jìn)行分析。首先分析第一組，即R=13mm時(shí)，β分別為15°、17°、19°、21°、23°、25°。分別對(duì)軸向應(yīng)力分布，盤(pán)部應(yīng)力分布進(jìn)行分析對(duì)比。

目前業(yè)界內(nèi)變形分析的因子抽取，普遍是基于主成分分析、獨(dú)立成分分析、典型相關(guān)性分析及偏最小二乘回歸分析的原理進(jìn)行抽取和變換的，其主要缺點(diǎn)包括[4-7]：主成分分析、獨(dú)立成分分析側(cè)重于因子側(cè)的最大化信息表述和抽取，典型相關(guān)性分析側(cè)重于效應(yīng)量和因子的相關(guān)性最大化，都不夠全面；典型相關(guān)性分析和偏最小二乘回歸分析都只能考察變量的線性相關(guān)性，對(duì)于非線性系統(tǒng)則容易失真；數(shù)據(jù)的預(yù)處理也極為重要，如果對(duì)未經(jīng)降噪、去量綱、時(shí)序?qū)R等預(yù)處理的因子樣本直接進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，那分析結(jié)論的精度通常是不可接受的。

本文采用的是單一變量法，即控制其中的一個(gè)參數(shù)不變，改變另一個(gè)參數(shù)，以等效應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，查看等效應(yīng)力的分布，計(jì)算出等效應(yīng)力的大小，然后進(jìn)行結(jié)果的分析比較，找出最優(yōu)解或最優(yōu)解的范圍，本文試驗(yàn)樣品的尺寸如圖3。

4 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算可以得到以下六祖進(jìn)氣門(mén)應(yīng)力徑向與軸向分布結(jié)果。

圖4為六組數(shù)據(jù)中，氣門(mén)軸向最大應(yīng)力變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，各組軸向最大應(yīng)力變化基本一致，過(guò)渡錐角β和過(guò)渡圓弧半徑R對(duì)最大應(yīng)力的變化皆有較大影響，變化規(guī)律為：β在15°～21°變化時(shí)，最大應(yīng)力值隨著β的增大而減??；當(dāng)β在21°～25°變化時(shí)，最大應(yīng)力值是遞增的，故在β=21°時(shí)，最大應(yīng)力最小。這是因?yàn)楫?dāng)β增大的同時(shí)，頭部剛性會(huì)增加，氣門(mén)的變形會(huì)減少，故相應(yīng)的應(yīng)力值也會(huì)減少，β繼續(xù)增加時(shí)，氣門(mén)質(zhì)量成為影響最大應(yīng)力的主要因素，這時(shí)β越大質(zhì)量越大，氣門(mén)落力增幅較明顯，所以最大應(yīng)力程增長(zhǎng)趨勢(shì)。過(guò)渡圓弧半徑R在13mm～21mm變化時(shí)，半徑越大，最大應(yīng)力值就越小；R大于21mm時(shí)，半徑越大，最大應(yīng)力值越大，在R=21mm時(shí)，最大應(yīng)力值最小。R在13mm ～ 21mm變化時(shí)，影響最大應(yīng)力的因素是氣門(mén)通流面積，當(dāng)R增大時(shí)，氣門(mén)通流面積增大，通流面積越大，應(yīng)力值反而越小，所以應(yīng)力值會(huì)隨著半徑增大呈遞減趨勢(shì)；當(dāng)R繼續(xù)增大時(shí)影響最大應(yīng)力的主要因素是氣門(mén)質(zhì)量，過(guò)渡圓弧半徑越大，質(zhì)量越大，最大應(yīng)力值也就越大。綜合分析在β=21°，R=21mm時(shí)最大應(yīng)力值最小，質(zhì)量最優(yōu)。

試樣的干密度也會(huì)對(duì)試樣強(qiáng)度產(chǎn)生影響,由圖5可知,混合物試樣的強(qiáng)度主要是由膨潤(rùn)土承擔(dān).純膨潤(rùn)土試樣的干密度為1.5 g/cm3,而在摻砂混合物試樣中,膨潤(rùn)土的干密度可用膨潤(rùn)土有效干密度ρb的概念[13]進(jìn)行計(jì)算:

圖5為氣門(mén)盤(pán)部表面徑向應(yīng)力變化，各組盤(pán)部應(yīng)力隨β與R的變化趨勢(shì)基本相同，β在15° ～21°變化時(shí)，盤(pán)部最大應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)，而β在21°～25°之間時(shí)，盤(pán)部最大應(yīng)力呈遞增趨勢(shì)。在β=21°，盤(pán)部最大應(yīng)力值最小。這是由于β增大，氣門(mén)頭部變厚，變形就會(huì)減小，最大應(yīng)力值也就隨之減?。划?dāng)β大于21°時(shí)，隨著β的增大，氣門(mén)頭部質(zhì)量也會(huì)增大，此時(shí)氣門(mén)落座力增幅較明顯，所以最大應(yīng)力值就會(huì)隨著β的增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。把β相同，但R值不用的結(jié)果進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)：R從13mm增大到19mm時(shí)，盤(pán)部的最大應(yīng)力值隨著R的增大而減??；R大于19mm時(shí)，盤(pán)部最大應(yīng)力值繼續(xù)增加，在R=19mm時(shí)盤(pán)部最大應(yīng)力值最小。這是由于R增加，過(guò)渡處的平順性也會(huì)提高，應(yīng)力集中程度會(huì)降低，最大應(yīng)力值也會(huì)相應(yīng)減少；當(dāng)R大于19mm時(shí)，質(zhì)量成為影響最大應(yīng)力的主要因素，R增加，質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)增加，且此時(shí)落座力增幅相對(duì)較大，所以盤(pán)部最大應(yīng)力值程增長(zhǎng)趨勢(shì)。綜合分析可得，當(dāng)β=21°，R=19mm時(shí)，盤(pán)部最大應(yīng)力值最小。

我國(guó)的水法、防洪法、河道管理?xiàng)l例以及一些部門(mén)、地方規(guī)章，都規(guī)定禁止在河道、堤防及其管理范圍內(nèi)種植林木和高稈作物。水法第三十七條規(guī)定：禁止在江河、湖泊、水庫(kù)、運(yùn)河、渠道內(nèi)棄置、堆放阻礙行洪的物體和種植阻礙行洪的林木及高稈作物。防洪法第二十二條第二款規(guī)定：禁止在行洪河道內(nèi)種植阻礙行洪的林木和高稈作物。河道管理?xiàng)l例第二十四條規(guī)定：在河道管理范圍內(nèi)，禁止修建圍堤、阻水渠道、阻水道路；種植高稈農(nóng)作物、蘆葦、杞柳、荻柴和樹(shù)木（堤防防護(hù)林除外）。第二十條規(guī)定：有堤防的河道，其管理范圍為兩岸堤防之間的水域、沙洲、灘地（包括可耕地）、行洪區(qū)，兩岸堤防及護(hù)堤地。

現(xiàn)在各類(lèi)跨境電商比賽很多。要想通過(guò)比賽促進(jìn)跨境電商專(zhuān)業(yè)教學(xué)，比賽絕不能脫離跨境電商崗位實(shí)際。學(xué)生參加的跨境電商比賽至少要有網(wǎng)店開(kāi)設(shè)、網(wǎng)店產(chǎn)品發(fā)布、網(wǎng)店裝修、網(wǎng)店運(yùn)營(yíng)與營(yíng)銷(xiāo)策劃推廣、網(wǎng)店客戶服務(wù)與管理及跨境電商物流等跨境電商必有的幾個(gè)任務(wù)模塊。

5 小結(jié)

本文簡(jiǎn)述了氣門(mén)頸部應(yīng)力分析的傳熱理論及頸部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，并且對(duì)等效應(yīng)力的表達(dá)進(jìn)行了闡述。通過(guò)SolidWorks建立不同參數(shù)下的模模型，并利用Abaqus進(jìn)行應(yīng)力了熱-應(yīng)力耦合分析，獲得了不同參數(shù)下氣門(mén)軸向應(yīng)力分布以及氣門(mén)盤(pán)部應(yīng)力分布曲線，分析表明：選用β=21°，R=21mm是，其軸向最大應(yīng)力值最小，選用β=21°，R=19mm時(shí)盤(pán)部最大應(yīng)力最小。由于β=21°，R=21mm的盤(pán)部最大應(yīng)力值與β=21°，R=19mm的盤(pán)部最大應(yīng)力值相差不大，綜合考慮最優(yōu)參數(shù)組合應(yīng)選用β=21°，R=21mm，即過(guò)渡錐角為21°，過(guò)渡圓角半徑為21mm。綜合考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸向應(yīng)力與盤(pán)部應(yīng)力的影響，對(duì)氣門(mén)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能對(duì)企業(yè)提高氣門(mén)質(zhì)量有一定的參考，還能對(duì)氣門(mén)工作條件有改善作用，延長(zhǎng)氣門(mén)的使用壽命，提高企業(yè)效益。

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