熱沖擊工況排氣管法蘭漏氣問(wèn)題分析及優(yōu)化

0 引言

國(guó)六排放法規(guī)和油耗要求非常嚴(yán)苛，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度也越來(lái)越高。燃燒爆壓的提升和廢氣溫度的大幅升高，使排氣系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間承受高溫高壓環(huán)境的沖擊，運(yùn)行環(huán)境極其惡劣

。

他表示，大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和Calyxt等公司的科學(xué)家已經(jīng)著手設(shè)計(jì)更有營(yíng)養(yǎng)、更方便、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)作物。低成本的基因編輯技術(shù)使得小型企業(yè)能夠在長(zhǎng)期由大型農(nóng)企主導(dǎo)的領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)中嶄露頭角。

排氣系統(tǒng)的高溫密封問(wèn)題目前還一直是業(yè)內(nèi)難題，市場(chǎng)上的故障也有相當(dāng)一部分是排氣管的斷裂、漏氣問(wèn)題。排氣管不僅是作為一個(gè)廢氣傳輸部件，同時(shí)還固定增壓器，作為受力部件，在高溫高壓的環(huán)境下，加上發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)帶來(lái)的排氣管斷裂、漏氣問(wèn)題尤為突出。針對(duì)這種復(fù)雜的高溫高壓環(huán)境，零件的故障分析將很難模擬還原實(shí)際工況過(guò)程。同時(shí)不同的機(jī)型，不同的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，會(huì)有不同的溫度變化，不同的受力結(jié)構(gòu)這些邊界得變化，這些邊界條件的變化對(duì)高溫密封的實(shí)際要求都會(huì)產(chǎn)生較大影響，所以必須針對(duì)不同的機(jī)器去做有針對(duì)性的分析，提出有針對(duì)性的實(shí)施方案，才能有效的解決高溫密封問(wèn)題。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱沖擊試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)放行耐久考核的重要試驗(yàn)之一。其試驗(yàn)過(guò)程是在標(biāo)定工況狀態(tài)與發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖狀態(tài)之間往返循環(huán)，全油門(mén)到發(fā)動(dòng)機(jī)最高排氣溫度，然后迅速進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖，使廢氣溫度急速下降室溫，在高達(dá)幾百度的溫差下，特別是排氣管，必然會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的變化及變形，所以冷熱交變工況對(duì)排氣系統(tǒng)零部件的可靠性考核非常嚴(yán)苛。

在進(jìn)行某柴油機(jī)排氣管在熱沖擊耐久試驗(yàn)考核過(guò)程中，出現(xiàn)排氣管法蘭漏氣問(wèn)題，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)可靠性，通過(guò)對(duì)耐久試驗(yàn)過(guò)程中的問(wèn)題現(xiàn)象逐步分析，提出針對(duì)性的優(yōu)化方案，并結(jié)合仿真技術(shù)計(jì)算評(píng)估，使排氣管最終通過(guò)熱沖擊耐久考核驗(yàn)證，保證發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的可靠性

。

從墊片面壓對(duì)比曲線(xiàn)圖3.2也可以看出，四層墊片的冷熱面壓變化幅值很大，持續(xù)的大幅值變化會(huì)嚴(yán)重影響墊片的回彈密封，同時(shí)墊片疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)較高。而三層墊片結(jié)構(gòu)，冷熱狀態(tài)壓力幅值變化非常小，說(shuō)明墊片的受力無(wú)論溫度的變化，密封狀態(tài)都很穩(wěn)定，且最小密封壓力也遠(yuǎn)滿(mǎn)足排氣壓力的要求

。

1 故障描述

圖1.1為某柴油機(jī)四缸整體式排氣管結(jié)構(gòu)，每缸通過(guò)兩顆對(duì)角布置的高溫螺栓固定在缸蓋上，其中，在三、四缸之間，有增壓器法蘭，固定增壓器；在一二缸之間有EGR法蘭，固定EGR閥。排氣管與缸蓋之間裝有耐高溫不銹鋼墊片，來(lái)保證排氣管與缸蓋結(jié)合面密封，防止法蘭面之間的廢氣泄漏。

在試驗(yàn)室熱沖擊臺(tái)架上，熱沖擊耐久試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缸蓋四缸邊緣位置出現(xiàn)熏黑現(xiàn)象，初步說(shuō)明排氣管法蘭已經(jīng)發(fā)生漏氣，暫停試驗(yàn)后，拆下排氣管后發(fā)現(xiàn)碳煙已經(jīng)穿過(guò)排氣管墊片密封帶，如圖1.2所示，說(shuō)明排氣管墊片已密封失效，導(dǎo)致漏氣產(chǎn)生。

2 故障分析

復(fù)測(cè)耐久后的螺栓力矩，最小處僅剩初始力矩的30%，從表2.1中發(fā)現(xiàn)，耐久拆檢緊力矩和松力矩，與初始力矩比值，中間兩缸的力矩小于邊上兩缸的力矩值，這主要是由于受冷熱沖擊影響，造成排氣管相對(duì)缸蓋平面，兩邊翹曲，兩側(cè)螺栓受拉力作用而力矩較大，實(shí)際在熱沖和冷沖過(guò)程中，排氣管會(huì)不斷的在伸長(zhǎng)和收縮之間變化，螺栓力矩的衰減大也說(shuō)明排氣管法蘭的變形過(guò)大。

5.課堂搶答。教師發(fā)布課中練習(xí)題，并讓學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過(guò)“雨課堂”進(jìn)行搶答，同時(shí)設(shè)置了答題最快的三名學(xué)生可以得到一個(gè)課堂紅包的環(huán)節(jié)；最后，教師公布正確答案及答題結(jié)果。意圖是通過(guò)課堂答題的形式，檢查學(xué)生對(duì)課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，同時(shí)處于課堂學(xué)習(xí)中期階段，學(xué)生的學(xué)習(xí)關(guān)注度有所下降，設(shè)置通過(guò)搶答及發(fā)紅包的形式，再次激發(fā)學(xué)生的參與積極性，增強(qiáng)課堂的趣味性。

排氣管墊片由原來(lái)的四層(半波)結(jié)構(gòu)改為三層(兩層半波帶限位層)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，其中上下兩層為起波結(jié)構(gòu)，中間一層稱(chēng)為stop層，保護(hù)上下兩層起波墊片，防止波型被壓潰；同時(shí)，因?yàn)橛衧top層支撐，墊片與排氣管法蘭面接觸的支撐面大大增加，相同的螺栓緊固力作用下，排氣管約束加大，對(duì)應(yīng)的排氣管的法蘭熱變形將減小，有利于密封。

經(jīng)過(guò)對(duì)故障的分析之后，基本鎖定故障原因?yàn)閮煞矫妫阂皇桥艢夤苁芾錈釠_擊，排氣管法蘭變形較大；二是四層墊片的結(jié)構(gòu)，法蘭變形引起墊片回彈衰減，螺栓力矩衰減較大，最終表現(xiàn)墊片密封壓力不足，導(dǎo)致漏氣。

為降低排氣管兩側(cè)的漏氣風(fēng)險(xiǎn)，將1缸和4缸的螺栓由兩顆固定增加到三顆固定，增加螺栓約束來(lái)限制排氣管變形量。由仿真結(jié)果對(duì)比看出，如圖3.3所示，相同排氣管墊片結(jié)構(gòu)，增加螺栓后，排氣管法蘭變形量可降低約30%，改進(jìn)效果明顯。但是，增加螺栓固定約束會(huì)降低排氣管的低周壽命，是否滿(mǎn)足低周壽命要求，需要進(jìn)一步的仿真計(jì)算評(píng)估。

2.1 排氣管法蘭變形

測(cè)量耐久后排氣管法蘭平面度為初始平面度要求值的五倍，說(shuō)明排氣管法蘭變形較為嚴(yán)重。排氣管在平面臺(tái)上目測(cè)發(fā)現(xiàn)，排氣管法蘭結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生了永久性變形，成內(nèi)凸形狀，同時(shí)推測(cè)在試驗(yàn)過(guò)程中，排氣溫度處于最高點(diǎn)，排氣管材料將受高溫作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，抗變形能力減弱，排氣管的熱變形可能會(huì)比常溫測(cè)量的此值更大，漏氣的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更高。

排氣管固定在缸蓋上，在螺栓緊固力的約束作用下，會(huì)限制排氣管的熱變形，緊固力越大，排氣管變形越小，但依照之前經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，過(guò)大的螺栓緊固力，會(huì)使排氣管本身產(chǎn)生的熱變形應(yīng)力無(wú)法得到釋放，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致排氣管在熱沖擊循環(huán)中產(chǎn)生裂紋或斷裂。

2.2 排氣管墊片結(jié)構(gòu)

通過(guò)排氣管法蘭測(cè)溫，可以排除不銹鋼墊片因高溫問(wèn)題造成的材料機(jī)械性能失效。墊片結(jié)構(gòu)是影響墊片密封的最重要因素。針對(duì)墊片結(jié)構(gòu)，該機(jī)型排氣管墊片采用四層半波結(jié)構(gòu)，如圖2.2所示，沖壓波型具有一定的寬度和高度，排氣管在冷熱沖擊過(guò)程中不斷的變形，使排氣管墊片也一直在承受壓縮回彈的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，四層(半波)墊片累加波高較大，在裝機(jī)完成后，四層墊片波形將會(huì)有較大的回彈余量，在靜態(tài)密封狀態(tài)下可以滿(mǎn)足密封要求，但在冷熱變形狀態(tài)下，較大的波高容易造成排氣管的熱變形較大。隨著墊片回彈性能的衰減，較大的法蘭變形，導(dǎo)致密封壓力不足，導(dǎo)致漏氣產(chǎn)生。實(shí)際的耐久試驗(yàn)也得以說(shuō)明此問(wèn)題。

2.3 螺栓力矩衰減

該機(jī)器在之前已完成的負(fù)載循環(huán)耐久試驗(yàn)，未發(fā)生該漏氣問(wèn)題，而在熱沖擊耐久試驗(yàn)中卻出現(xiàn)該問(wèn)題，對(duì)比試驗(yàn)工況，說(shuō)明在冷熱突變工況下，是造成排氣管漏氣的主要產(chǎn)生原因，此工況對(duì)排氣管墊片的密封要求更高。

which implicitly define ρM are no longer valid here, since they were deduced by assuming an identity window function.

3 方案改進(jìn)優(yōu)化

根據(jù)故障分析結(jié)果，提出兩種改進(jìn)措施：措施1，優(yōu)化墊片結(jié)構(gòu)，提升墊片波型的動(dòng)態(tài)密封能力，同時(shí)可降低排氣管法蘭變形；措施2，增加螺栓數(shù)量，增加排氣管法蘭固定約束力，減小排氣管的法蘭變形。

3.1 排氣管墊片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為全面細(xì)致排查故障原因，列出詳細(xì)的故障分析樹(shù)，如圖2.1所示，通過(guò)故障樹(shù)排查，可以更明確的鎖定故障產(chǎn)生原因，進(jìn)而更有效的提出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)方案措施：

（2）進(jìn)口國(guó)人均GDP（ln pergdp）對(duì)中國(guó)機(jī)械運(yùn)輸設(shè)備出口的擴(kuò)展邊際和數(shù)量邊際顯著為正，表明進(jìn)口國(guó)國(guó)民購(gòu)買(mǎi)能力的提高對(duì)中國(guó)機(jī)械運(yùn)輸設(shè)備的種類(lèi)和數(shù)量增長(zhǎng)都起到了明顯的推動(dòng)作用，人均GDP每增長(zhǎng)1%，產(chǎn)品出口種類(lèi)增長(zhǎng)0.028%，數(shù)量增長(zhǎng)0.106%，但對(duì)價(jià)格邊際的影響為負(fù)。由于我國(guó)機(jī)械運(yùn)輸設(shè)備缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，而隨著進(jìn)口國(guó)人均收入水平的提高，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次的要求也越高，所以企業(yè)出口只能以更低的價(jià)格獲得市場(chǎng)份額。

3.2 排氣管增加螺栓固定

之前，廠(chǎng)團(tuán)委在調(diào)研過(guò)程中了解到，宋凱在新崗位上遇到一些難題：身為一名主操，他在思考問(wèn)題時(shí)，不能夠全方面地分析，自然也就無(wú)法做出準(zhǔn)確的判斷。而和他同在一個(gè)單位的馬存功也曾經(jīng)有過(guò)同樣的困惑。

4 排氣管低周疲勞校核

針對(duì)改進(jìn)方案：排氣管墊片調(diào)整為三層結(jié)構(gòu)；固定螺栓增加為10顆。計(jì)算評(píng)估墊片的密封性能，排氣管的低周壽命。

4.1 搭建計(jì)算模型

搭建完整的仿真計(jì)算模型，包括缸蓋、排氣管、增壓器、排氣接管等，如圖4.1所示。

常規(guī)檢驗(yàn)組準(zhǔn)確96例，錯(cuò)誤10例，檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確率88.89%，誤診率9.82%，治療有效率89.81%，失控1，假受控5，真受控率95.37%；PDCA改進(jìn)組準(zhǔn)確102例，錯(cuò)誤3例，準(zhǔn)確率94.44%，誤診率2.77%，治療有效率96.29%，失控0，假受控0，真受控率100%；差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

4.2 溫度場(chǎng)計(jì)算

計(jì)算出排氣管熱機(jī)工況和冷機(jī)工況下溫度變化的過(guò)程情況，即以此來(lái)模擬冷熱循環(huán)溫度狀態(tài)

，計(jì)算過(guò)程將在冷熱狀態(tài)下循環(huán)進(jìn)行。計(jì)算結(jié)果如圖4.2所示。

4.3 結(jié)果提取分析

排氣管墊片最小密封面壓計(jì)算結(jié)果如圖4.3所示，密封帶完整，且最小密封壓力遠(yuǎn)滿(mǎn)足實(shí)際排氣壓力要求。

排氣管低周壽命計(jì)算最低次數(shù)約為6200次，出現(xiàn)在排氣管內(nèi)側(cè)流道，滿(mǎn)足冷熱沖擊耐久試驗(yàn)次數(shù)要求

，如圖4.4所示。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)措施實(shí)施，重新搭載熱沖擊耐久試驗(yàn)，耐久完成后進(jìn)行零部件拆檢，如圖5.1所示，缸蓋法蘭面墊片密封帶外側(cè)干凈，沒(méi)有碳煙泄漏，同時(shí)檢查排氣管也沒(méi)有裂紋。

根據(jù)表1、表2可知，無(wú)論常量元素還是微量元素，大多都發(fā)生了富集現(xiàn)象，而元素的來(lái)源與地表水及地下水有很大關(guān)系。化學(xué)溶蝕對(duì)母巖化學(xué)成分的改變很大，CaCO3、MgCO3溶解后被水流帶走，剩余的難溶物質(zhì)開(kāi)始富集，Al2O3、Fe2O3等在母巖中的含量還不足1%，卻成為難溶堆積物的主要成分。這也說(shuō)明要形成一定厚度的殘余堆積物，需要溶蝕更大厚度的母巖。碳酸鹽巖的巖溶作用不斷將母巖中的可溶性成分溶解并隨水帶走，剩下的部分是難溶物質(zhì)富集起來(lái)，所以 Si、Al、Fe 的比例逐漸增多,Ca、Mg 等鹽基物質(zhì)則逐漸減少。

試驗(yàn)結(jié)果表明，排氣管法蘭密封效果良好，改進(jìn)措施有效，解決了漏氣問(wèn)題，排氣管也未有裂紋，試驗(yàn)考核通過(guò)。

6 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)故障現(xiàn)象，詳細(xì)的故障樹(shù)排查分析判斷熱沖擊問(wèn)題漏氣問(wèn)題產(chǎn)生的原因，針對(duì)故障原因提出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)方案，借助仿真計(jì)算對(duì)改進(jìn)措施進(jìn)行校核驗(yàn)證，有效的驗(yàn)證措施的可行性，極大的縮短改進(jìn)設(shè)計(jì)周期，最終通過(guò)對(duì)改進(jìn)措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，使漏氣問(wèn)題得到解決，提升排氣系統(tǒng)的可靠性。

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