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缸盖水套开裂分析及优化措施

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摘要:针对某型增压柴油机缸盖水套开裂问题,通过断口、能谱、金相分析以及常规机械性能测试,结合失效区域的工作条件,得出疲劳开裂为热负荷与机械负荷共同作用导致的结论。在此基础上提出了改善水套流量分布,增加楔形加强筋的改进方案。有限元分析表明:改进后的缸盖疲劳安全系数提高了10%。优化后的缸盖已成功应用于该型国四、国五发动机上。

关键词:缸盖水套;开裂;优化

引言

某型增压柴油发动机[1-2]完成1000h动态循环试验后,气密性测试发现缸盖水道漏气。剖切检测发现:缸盖第三缸排气道与水套间开裂,裂纹贯穿水道与排气道,如图1、图2所示。该型缸盖材料为A356.2,采用重力浇铸[3-5]和T64热处理工艺[6-7];双层水道设计,下层水道主要冷却缸盖火力面区域,上层水套主要冷却缸盖排气道。本次裂纹位于缸盖第三缸排气道与上水套间。

1裂纹分析

1.1断口分析

(1)断口裂纹始于水套表面,如图3所示。裂纹源处未发现裂纹、夹杂、铸造孔洞等原始铸造缺陷。裂纹源处断口主要为准解理和撕裂棱混合断口特征,存在典型疲劳贝纹线,如图4~5所示。(2)芯部断口主要呈现准解理和撕裂棱混合断口特征,以准解理断口为主,存在典型疲劳贝纹线,疲劳扩展区域占整个断口90%以上,属高周疲劳开裂形式,如图6~7所示。

1.2能谱分析

对断口表面物质进行能谱分析,结果如表1所示。断口表面主要为氧化产物,为开裂后高温环境下氧化所致。

1.3金相分析

样品表面未发现点蚀、晶间腐蚀等腐蚀现象。裂纹源处、裂纹扩展区域金相组织为α(Al)枝晶和点状或短杆状共晶硅,共晶硅分布较为理想,组织级别为2级;鱼骨状夹杂不明显,级别为1级;针状夹杂不明显,级别为1级;次表层存在少量铸造孔洞,如图8~9所示。

1.4常规机械性能检测

对失效缸盖取样做机械性能检测,结果如表2所示,满足缸盖使用要求。

1.5小结

断口主要呈现准解理断口特征,存在疲劳贝纹线,为典型疲劳开裂。开裂区域位于水道与气道之间,且靠近缸盖螺栓位置。开裂区域承受排气道高温气体带来的强大热负荷,壁厚传递来的缸内爆发压力的机械负荷以及缸盖螺栓力带来的拧紧力负荷。综合考虑缸盖的试验条件判断:由于热负荷与机械负荷耦合作用导致缸盖的排气道与水套间出现疲劳裂纹。

2优化方案

为解决因热负荷与机械负荷交互作用导致的缸盖疲劳断裂问题,提出优化水套结构,提高失效区域结构强度的整改方案。(1)增大上、下层水套节流孔的尺寸,如图10所示,以改善上层水套的流量分布,强化失效区域冷却,抵抗排气道热负荷。2)设计楔形加强筋,如图11所示,以提高开裂部位的结构强度;同时可以减小水套流通面积,改善流通特性,提高流通速度。

3优化效果

(1)CFD分析显示:与原设计方案相比,上层水套流量分布更均匀,失效区域不存在回流、紊流等不合理流动,如图12所示。(2)有限元分析显示:与原设计方案相比,失效区域疲劳安全系数提高10%,如图13所示。(3)重新做1000h动态循环耐久试验,优化后的缸盖气密性正常,剖切检测无裂纹。4结束语针对某型增压柴油发动机缸盖水套开裂问题,进行了断口、能谱、金相分析以及常规机械性能测试。测试分析表明:热负荷与机械负荷共同作用导致缸盖水套疲劳开裂。在此基础上提出了改善水套流量分布,增加楔形加强筋的改进方案。优化后的缸盖疲劳安全系数得到较大提高,通过一系列耐久试验后已成功应用于该型国四、国五机上。

参考文献

[1]杨世友,顾宏中,郭中朝.柴油机涡轮增压系统研究现状与进展[J].柴油机,2001(4):1-5.

[2]李昕光,张爱国.柴油机涡轮增压技术的发展现状及趋势[J].黑龙江科技信息,2008(9):14-14.

[3]陈玉平,史开旺.铝合金铸件金属型重力铸造生产工艺[J].铸造技术,2010,31(10):1364-1366.

[4]徐凤舟,杨浚涵.铝缸盖重力铸造[J].特种铸造及有色合金,2000(5):46-47.

[5]魏华胜.铸造工程基础[M].北京:机械工业出版社,2002.

[6]李念奎.铝合金材料及其热处理技术[M].北京:冶金工业出版社,2012.

[7]王琳.铝合金热处理的原理及关键技术[J].黑龙江科技信息,2014(10):98-98.

作者:温拾平 马超 高维进 刘勇 石勇 单位:江铃汽车股份有限公司

柴油机杂志责任编辑:张雨    阅读:人次