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柴油機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)原理和目的及步驟
發(fā)布時(shí)間:2024-03-15 22:29:22  ▏閱讀:

 

新聞主題

柴油發(fā)電機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)原理和目的

 

摘要:氣缸體是柴油發(fā)電機(jī)的重要基礎(chǔ)部件,為了考核柴油發(fā)電機(jī)氣缸體的可靠性,需對(duì)氣缸體進(jìn)行液壓加載疲勞試驗(yàn),從而確定氣缸體的疲勞壽命和安全系數(shù)范圍。通過(guò)對(duì)一定數(shù)量的氣缸體進(jìn)行疲勞試驗(yàn),對(duì)氣缸體疲勞試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行了定義,對(duì)試驗(yàn)件的損壞進(jìn)行了分類,找出氣缸體的薄弱部位,為設(shè)計(jì)師改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 

一、氣缸體疲勞試驗(yàn)的目的

 

      氣缸體是柴油發(fā)電機(jī)的重要基礎(chǔ)部件,運(yùn)行中主要承受氣體爆發(fā)壓力和連桿曲軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)其施加的載荷,因此在柴油發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中要求氣缸體具有足夠的剛度和強(qiáng)度。為了保證氣缸體的使用壽命,對(duì)疲勞強(qiáng)度也有較高的要求。

為了評(píng)定氣缸體在柴油機(jī)工作狀況下的可靠性,在進(jìn)行氣缸體疲勞試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)氣缸體施加一定的脈動(dòng)載荷。通常在液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)上,模擬在一定爆發(fā)壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)氣缸體所能承受的載荷進(jìn)行試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)主要是用來(lái)對(duì)現(xiàn)生產(chǎn)中的零部件進(jìn)行驗(yàn)證,因此樣品必須與現(xiàn)生產(chǎn)水平保持一致。在柴油機(jī)開發(fā)的早期階段,也用于對(duì)柴油機(jī)零部件進(jìn)行初期的試驗(yàn),以確定其可靠性。在確定氣缸體疲勞試驗(yàn)中所施加的脈沖壓力時(shí),主要考慮氣缸體(或氣缸套)的耐壓性能和主軸承蓋的承載能力,同時(shí)考察氣缸體整體承受脈沖壓力的能力。

      康明斯公司經(jīng)過(guò)10年的試驗(yàn)摸索及相關(guān)工作,現(xiàn)已形成完備的試驗(yàn)方法,成功地制造了性能優(yōu)異的缸體疲勞試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)方法和設(shè)備水平已與國(guó)際接軌。同時(shí),積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)成果,現(xiàn)將部分內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。目前,國(guó)內(nèi)的氣缸體材料多為鑄鐵和鋁合金,大機(jī)型氣缸體多使用灰鑄鐵,尤其以HT250為主。本文主要介紹了灰鑄鐵氣缸體在疲勞試驗(yàn)中的試驗(yàn)件損壞情況。

 

二、疲勞試驗(yàn)設(shè)備、原理、方法

 

1、試驗(yàn)設(shè)備

      發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、泵站、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、恒壓伺服泵站及管路系統(tǒng)等組成,主要應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)件、部件的動(dòng)態(tài)性能、疲勞壽命等力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)可以完成以下幾種試驗(yàn)項(xiàng)目:拉伸疲勞試驗(yàn)、拉壓疲勞試驗(yàn)、斷裂韌度試驗(yàn)、裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)、應(yīng)力疲勞試驗(yàn)、應(yīng)變疲勞試驗(yàn),符合GB/T2611《試驗(yàn)機(jī)通用技術(shù)要求》、GB/T16826《電液伺服 試驗(yàn)機(jī)》、GB3075《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》、JB/T9397《拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)技術(shù)條件》、GB228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(1)全數(shù)字電液伺服六通道氣缸體疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)該系統(tǒng)如圖1所示,其主要性能指標(biāo)是脈動(dòng)壓力為0~22 MPa、工作頻率為1~5 Hz、油源壓力為28 MPa、油源流量為100L/min、油源功率為55kW。

(2)內(nèi)燃機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)機(jī)主要性能指標(biāo)是脈動(dòng)壓力為0~32 MPa、脈動(dòng)壓力加載頻率在4~20 Hz連續(xù)可調(diào)、油源壓力為45MPa、油源流量為68L/min、油源功率為60kW。

2、原理

       氣缸體疲勞試驗(yàn)的加載方式見圖2。試驗(yàn)主要考核主軸承壁(或連體主軸承壁)、缸套、氣缸體本體,同時(shí)對(duì)其它相關(guān)零件也有一定的考核作用。在氣缸體疲勞試驗(yàn)中,液壓設(shè)備加載的壓力通過(guò)相關(guān)夾具首先傳遞到活塞連桿系統(tǒng),然后傳遞到主軸承壁及氣缸體整體。在試驗(yàn)過(guò)程中,相關(guān)緊固件同時(shí)受力,在加載的油腔部分缸套和缸墊同時(shí)受到考核。

(1)氣缸套耐壓試驗(yàn)

      氣缸套耐壓試驗(yàn)是將設(shè)備輸出的高壓液壓油注入到模擬活塞上方的空間,以此考察氣缸套的耐壓性能。

(2)主軸承蓋承載能力試驗(yàn)

      主軸承蓋承載能力試驗(yàn)是將設(shè)備輸出的高壓液壓油注入到模擬活塞上方的空間,對(duì)模擬活塞施加一定的脈沖壓力。通過(guò)模擬活塞、活塞、連桿、模擬曲軸將力傳遞到主軸承蓋上,以此考察其疲勞性能。

3、方法

      試驗(yàn)將通過(guò)負(fù)荷增加法(負(fù)荷增加法主要用于試驗(yàn)樣件數(shù)量非常有限的情況;在條件允許的情況下,也可以按P-S-N曲線法進(jìn)行)進(jìn)行。該試驗(yàn)過(guò)程一直進(jìn)行到氣缸體出現(xiàn)裂縫,或者裂紋根本不出現(xiàn)(由試驗(yàn)設(shè)備或其他柴油機(jī)零件所限)。根據(jù)所使用的試驗(yàn)臺(tái)架,可以采用以下加載方式。

(1)單缸加載

      在該過(guò)程中,每次只對(duì)1個(gè)氣缸進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)多缸加載

      同時(shí)對(duì)2個(gè)或2個(gè)以上氣缸進(jìn)行試驗(yàn)。所有的主軸承蓋都要進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)載荷在0和所需要的最大試驗(yàn)載荷之間脈動(dòng)。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)機(jī).png

圖1  發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)機(jī)

柴油機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)的加載方式.png

圖1  柴油機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)的加載方式

 

三、疲勞試驗(yàn)步驟

 

1、確定加載方式

      根據(jù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門對(duì)氣缸體疲勞性能的要求,確定適當(dāng)?shù)募虞d方式。

2、材料非線性

      材料非線性是指材料具有非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Abaqus軟件支持用戶使用*PLASTIC選項(xiàng)定義金屬材料的塑性性能。*PLASTIC選項(xiàng)中的數(shù)據(jù)將材料的真實(shí)屈服應(yīng)力定義為真實(shí)塑性應(yīng)變的函數(shù)。同時(shí)Abaqus支持在各材料參數(shù)中使用溫度相關(guān)的數(shù)據(jù),例如:彈性模量、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變曲線等。為了更準(zhǔn)確的獲得應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,在分析時(shí)缸體材料采用彈塑性數(shù)據(jù),即試驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線,如圖3所示。

3、確定試驗(yàn)樣品

(1)試驗(yàn)樣品必須是完整的氣缸體總成,包括連桿總成、活塞、活塞銷、活塞卡環(huán)、氣缸套以及連桿軸瓦、主軸承瓦、主軸承螺栓、氣缸蓋螺栓、氣缸墊。

(2)在氣缸體的初始試驗(yàn)階段,需要3個(gè)氣缸體進(jìn)行試驗(yàn),但在產(chǎn)品的確認(rèn)階段需要8個(gè)氣缸體。

(3)在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前,需要對(duì)試驗(yàn)氣缸體進(jìn)行常規(guī)檢驗(yàn),以確定試驗(yàn)氣缸體是否符合技術(shù)條件及圖紙要求。

(4)試驗(yàn)樣品必須明確其在設(shè)計(jì)過(guò)程或生產(chǎn)過(guò)程中所處的具體環(huán)節(jié)。

4、試驗(yàn)過(guò)程

(1)首先計(jì)算出試驗(yàn)負(fù)荷,試驗(yàn)負(fù)荷等于名義負(fù)荷×期望的安全系數(shù)再減去1-2個(gè)增量。按此負(fù)荷進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

(2)達(dá)到指定循環(huán)次數(shù),氣缸體沒有損壞,則負(fù)荷水平每次增加1個(gè)增量繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),直到氣缸體損壞。

(3)氣缸體損壞前的最后負(fù)荷值即為疲勞強(qiáng)度的估計(jì)值。

(4)載荷增量是名義載荷的15%~25%。

      如果條件允許采用P-S-N曲線法,則估算疲勞極限時(shí),可得出存活率為50%的P-S-N曲線。其中,主軸承蓋承載能力試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后lgS-lgN曲線見圖4。

 

氣缸體金屬材料應(yīng)力應(yīng)變曲線.png

圖3  氣缸體金屬材料應(yīng)力應(yīng)變曲線 

柴油機(jī)氣缸體承載能力中值lgs-lgn曲線.png

圖4  柴油機(jī)氣缸體承載能力中值lgs-lgn曲線

 

四、試驗(yàn)狀態(tài)與實(shí)例分析

 

1、疲勞試驗(yàn)狀態(tài)

      對(duì)氣缸體疲勞試驗(yàn)而言,是對(duì)氣缸體進(jìn)行液壓加載的破壞性試驗(yàn),從而得出氣缸體的安全系數(shù)范圍和疲勞壽命,同時(shí)找到氣缸體的薄弱部位,為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)部門提供數(shù)據(jù)和改進(jìn)建議。

      每個(gè)氣缸體疲勞試驗(yàn)都需要加工模擬氣缸蓋、模擬曲軸等一系列夾具,同時(shí)要安裝活塞連桿系統(tǒng)、緊固件和氣缸墊等零件以盡量貼近真實(shí)工況,因此存在“理想狀態(tài)”的問(wèn)題,即在氣缸體疲勞試驗(yàn)中,夾具、活塞連桿系統(tǒng)、緊固件和氣缸墊有足夠的承受能力(包括受力和密封能力)的試驗(yàn)狀態(tài)。在理想試驗(yàn)狀態(tài)下受到考核并首先損壞的是主軸承壁、缸套部位和氣缸體整體。與之相對(duì)的在氣缸體疲勞試驗(yàn)中,首先受力損壞的是除氣缸體外的其它零件的試驗(yàn)狀態(tài),本文中稱之為“非理想狀態(tài)”。

      未將活塞連桿系統(tǒng)、氣缸墊等零件用夾具代替是因?yàn)橐诒M量貼近真實(shí)工況、減少工作量的同時(shí)對(duì)氣缸體外的其它零件進(jìn)行考核。

2、試驗(yàn)件損壞分類

      理想狀態(tài)和非理想狀態(tài)是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(損壞部位)界定的。本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將氣缸體疲勞試驗(yàn)件損壞分為兩大類,即理想狀態(tài)和非理想狀態(tài),在這兩大類下又進(jìn)行了細(xì)化,具體分類見表1。

表1     柴油機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn)件損壞表

試驗(yàn)狀態(tài)
損壞部位
具體現(xiàn)象
備注
理想狀態(tài)
缸套
缸套穿孔
缸套部位較“薄”
環(huán)形損壞
缸間短裂紋
主軸承壁
主軸承壁損壞
“圓角”等應(yīng)力集中部位易先損壞
主軸承蓋損壞
主軸壁螺紋孔損壞壞
氣缸體本體
端面損壞
側(cè)面損壞
頂面損壞
非理想狀態(tài)
活塞
開裂
一般為鋁活塞承受能力不足造成
氣缸墊
環(huán)形脫落
氣缸墊密封能力不足造成
缸間缺損
 
主軸承蓋螺栓
受力超出螺栓承受范圍造成
螺栓
缸蓋螺栓

 

      以上損壞部位和形式中很多為單獨(dú)1種損壞,但也有2種以上損壞形式同時(shí)出現(xiàn)的情況,在這種情況下就需要進(jìn)行失效分析,根據(jù)材料、結(jié)構(gòu)和臺(tái)架等綜合情況判斷第一損壞部位,以確定整個(gè)氣缸體真正的薄弱部位,為設(shè)計(jì)部門改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3、實(shí)例分析

(1)某氣缸體材料:HT250。

(2)試驗(yàn)條件:缸內(nèi)壓力27MPa;試驗(yàn)頻率5Hz。

(3)運(yùn)行次數(shù):260萬(wàn)次。

(4)試驗(yàn)結(jié)果:氣缸體端面損壞,肉眼可見裂紋,長(zhǎng)度約10cm。

(5)磁粉探傷:氣缸體一側(cè)的端面整個(gè)斷裂,但其它位置未發(fā)現(xiàn)裂紋。

(6)斷口:將裂紋處取樣剖開后,未發(fā)現(xiàn)明顯疲勞源。

(7)受力:在氣缸體疲勞試驗(yàn)中,氣缸體端面會(huì)受到從主軸承蓋螺栓處垂直向下的頻繁拉力作用。

(8)分析:對(duì)斷口進(jìn)行觀察,傾向于此氣缸體在端面定位孔內(nèi)側(cè)下方的圓角處產(chǎn)生應(yīng)力集中并首先開裂,之后由于氣缸體端面繼續(xù)受力,導(dǎo)致裂紋向兩側(cè)及向外側(cè)延展,從而將端面撕裂。

(9)有限元分析結(jié)果 :利用Abaqus軟件計(jì)算缸體燃燒室內(nèi)高壓油壓力最大時(shí)結(jié)構(gòu)上的Mises應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明缸口開裂位置的Mises應(yīng)力較小,在70MPa以下,如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果提供給設(shè)計(jì)部門后,對(duì)氣缸體相關(guān)部位進(jìn)行了更改和加強(qiáng)設(shè)計(jì),更改后的氣缸體成功地通過(guò)了第2輪疲勞試驗(yàn)。模擬仿真的邊界條件修正后計(jì)算結(jié)構(gòu)如圖6所示。

 

柴油機(jī)氣缸體Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果.png

柴油機(jī)氣缸體Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

氣缸體修正載荷后應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果.png

氣缸體修正載荷后應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果

 

總結(jié):

      在進(jìn)行氣缸體疲勞試驗(yàn)時(shí),由于加載的液壓壓力遠(yuǎn)大于柴油發(fā)電機(jī)的正常工況,會(huì)產(chǎn)生損壞其它零部件的情況,所以氣缸體疲勞試驗(yàn)不僅考核氣缸體的可靠性,同時(shí)也考核相關(guān)零件的疲勞性能,這對(duì)柴油發(fā)電機(jī)零部件的開發(fā)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。同時(shí),根據(jù)氣缸體及其它零部件損壞的方式、位置可以判斷疲勞試驗(yàn)中受力的薄弱部位,進(jìn)而給設(shè)計(jì)部門提供設(shè)計(jì)依據(jù)。


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