活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋失效分析

于雪峰，譚 興，馬成福

中國(guó)石油西部管道烏魯木齊輸油氣分公司，新疆烏魯木齊 833418

1 故障描述

WAUKESHA 7042GSI型發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于天然氣壓縮機(jī)組，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋安裝在氣缸上部，氣缸蓋上設(shè)置有水套，主要功能是和氣缸共同密封氣缸的上平面，并與活塞頂部共同形成燃燒室空間。發(fā)動(dòng)機(jī)在大修更換氣缸蓋時(shí)，發(fā)現(xiàn)有氣缸蓋在排氣孔之間鼻梁處出現(xiàn)裂紋，并且在停機(jī)后對(duì)缸內(nèi)進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)氣缸中有少量通過(guò)裂紋進(jìn)入氣缸的冷卻液。由于氣缸工作狀態(tài)為高溫，如果氣缸內(nèi)有冷卻液的存在就會(huì)對(duì)氣缸造成損傷，而且也會(huì)對(duì)氣缸內(nèi)的潤(rùn)滑造成破壞，所以需要這種故障進(jìn)行分析和改進(jìn)，進(jìn)而減少這種故障發(fā)生的概率。因此，我們針對(duì)機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋鼻梁處出現(xiàn)裂紋的這種熱故障，對(duì)氣缸蓋進(jìn)行有限元熱應(yīng)力分析計(jì)算，找出裂紋出現(xiàn)原因，并對(duì)此種故障形式提出維護(hù)保養(yǎng)方案

2 故障成因初步分析

發(fā)動(dòng)機(jī)是燃料在氣缸中進(jìn)行燃燒，釋放化學(xué)能，加熱工質(zhì)使其膨脹，并通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成機(jī)械功的原動(dòng)機(jī)。燃料的燃燒使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室周圍的零部件部受到加熱使其工作濕度升高。氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷最高的零件之一，氣缸蓋也直接受到高溫高壓燃?xì)獾淖饔?，其熱?fù)荷的高低隨發(fā)動(dòng)機(jī)型式、結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)等變化。承受高熱負(fù)荷的氣缸蓋，有可能產(chǎn)生蠕變、熱疲勞等熱故障妨礙發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期可靠的工作，或者成為進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的障礙。

根據(jù)日本海事協(xié)會(huì)注冊(cè)船舶的統(tǒng)計(jì)，1973年大型低速發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的損壞率（按臺(tái)數(shù)）為：UEC型14.2%，B＆W型7.5%，蘇爾壽型18.6%，MAN型30.4%。我國(guó)東風(fēng)4型發(fā)動(dòng)機(jī)車1979年的廠修中，氣缸蓋裂損占總損壞率的69%，1982年的廠修中氣缸蓋平均更換率為4%，1983年為8.81%，1984年上半年為14.4%。1980年，在2000h試驗(yàn)（持續(xù)功率為2646kW）的后期，16V 240Z型柴泊機(jī)1-8缸氣缸蓋的破損率達(dá)50%。在研制N100型高速柴油機(jī)的過(guò)程中，氣缸蓋經(jīng)150h～650h運(yùn)行后便發(fā)現(xiàn)進(jìn)排氣閥孔與渦流室通道孔之間的鼻梁區(qū)出現(xiàn)裂紋。近年來(lái)引進(jìn)的大功率中速發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組中，發(fā)生氣缸蓋裂損的例子也不少。如某電站的五臺(tái)引進(jìn)機(jī)組中，經(jīng)兩年左右運(yùn)行后氣缸蓋裂損失效率達(dá)30%?？梢?jiàn)氣缸蓋熱裂損壞是發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的故障之一。

根據(jù)以上文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋排氣孔之間鼻梁處裂紋故障屬于常見(jiàn)故障，并且是由于高溫引起的熱故障，因此需要對(duì)氣缸蓋進(jìn)行熱分析計(jì)算。

3 計(jì)算說(shuō)明

由于氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)氣缸蓋模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化模型如圖1。

通過(guò)查閱發(fā)動(dòng)機(jī)說(shuō)明書(shū)和文獻(xiàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出需要輸入的計(jì)算參數(shù)如下：

氣缸蓋水冷卻側(cè)：冷卻液溫度78，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1150W/m2·k～2300W/m2·k，壓力 0.03MPa。

氣缸蓋火力面?zhèn)龋喝細(xì)鉁囟?550℃，燃?xì)馄骄鶋毫?.2MPa，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)469 W/m2·k。

氣缸蓋材料屬性：彈性模量140GPa～154GPa，泊松比0.3，膨脹系數(shù) 11.5-12.7E10-6℃-1，熱導(dǎo)率39.2W/m2·k 。

計(jì)算正常工作狀態(tài)時(shí)取氣缸蓋冷卻側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)為1275W/m2·k，通過(guò)ANSYS軟件計(jì)算得出缸蓋在正常工況下溫度場(chǎng)，如圖2。

圖1 氣缸蓋簡(jiǎn)化模型

圖2 氣缸蓋正常工作溫度場(chǎng)

由圖2可以看高溫區(qū)出現(xiàn)在排氣孔口鼻梁處，最高溫度為260℃～280℃，而且比周圍低溫區(qū)高近100℃。此計(jì)算結(jié)果溫度分布與文獻(xiàn)中同類發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果大致相同，再進(jìn)行正常工作狀態(tài)下熱應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，得出結(jié)果，如圖3。

圖3 氣缸蓋正常工作應(yīng)力分布

由圖3可以看出，氣缸蓋排氣孔口鼻梁處為壓應(yīng)力極值處，為 102×104MPa～120×104MPa。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，由于積碳或水垢，或者異常負(fù)荷導(dǎo)致高溫的情況等異常狀況可能發(fā)生，因此需要再計(jì)算異常工況下的氣缸蓋溫度分布情況。

溫度分布和應(yīng)力分布，取冷卻側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)為750W/m2·k，燃?xì)馄骄鶞囟葹?00℃，計(jì)算得出氣缸蓋溫度分布和應(yīng)力分布如圖4、圖 5。

圖4 氣缸蓋異常工作溫度場(chǎng)

圖5 氣缸蓋異常工作應(yīng)力分布

由圖4可以看出，在異常工作狀況下，鼻梁處的溫度為347℃～372℃，比正常工作狀況下升高近100℃，壓應(yīng)力為147×104MPa～173×104MPa。

氣缸蓋的材料是鑄鐵，其抗壓強(qiáng)度為1600MPa～2000MPa，根據(jù)計(jì)算可以得知，氣缸蓋在正?；虍惓９ぷ飨聣簯?yīng)力都基本符合要求，但是金屬在長(zhǎng)時(shí)間的高溫、高壓作用下，即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形，稱為蠕變。一般說(shuō)來(lái)碳鋼、鑄鐵的工作溫度高于300℃，就要考慮蠕變的影響。因此，可以看出氣缸蓋鼻梁處出現(xiàn)裂紋故障是由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的異常高溫和冷卻側(cè)的換熱不良導(dǎo)致氣缸蓋鼻梁處產(chǎn)生了蠕變，造成壓塑性變形，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后冷卻到室溫時(shí)，壓塑性變形無(wú)法還原導(dǎo)致產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，從而形成斷裂。因此，減小此種故障產(chǎn)生的概率主要是控制氣缸內(nèi)溫度和冷卻側(cè)的換熱效果。

4 改進(jìn)措施

由以上分析可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋排氣孔口鼻梁處出現(xiàn)裂紋的主要原因是此處局部溫度過(guò)高，因此需要控制此處的溫度以減小這種故障發(fā)生的概率，主要的控制方法也就需要圍繞著與溫度相關(guān)的參數(shù)。

影響氣缸內(nèi)溫度的參數(shù)很多，有平均有效壓力、轉(zhuǎn)速、冷卻水側(cè)溫度及換熱效果、點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣溫度及壓力、過(guò)量空氣系數(shù)等因素、壓縮比及爆震。其中冷卻水側(cè)溫度和換熱系數(shù)、過(guò)量空氣系數(shù)及爆震的影響比較顯著，因此控制此三個(gè)參數(shù)對(duì)減小此種故障概率可以起到很顯著的效果。

5 結(jié)論

利用ANSYS商用軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋建立了有限元模型，進(jìn)行了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋排氣孔口鼻梁處斷裂的主要原因是鼻梁處在高溫下受到熱壓應(yīng)力的作用發(fā)生了壓塑性變形，機(jī)組停機(jī)后冷卻到常溫時(shí)鼻梁處產(chǎn)生了拉應(yīng)力導(dǎo)致斷裂。主要的技術(shù)改造方案是加大鼻梁處寬度尺寸，增加此處的換熱面積及冷卻水的流通量，以此來(lái)降低鼻梁處的溫度梯度，減小熱應(yīng)力。但是這種改造方案會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，所以需要與原廠工程師進(jìn)行深入的探討和反復(fù)計(jì)算才能確定。此外，還可以在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)中控制冷卻水側(cè)溫度和換熱系數(shù)、調(diào)整過(guò)量空氣系數(shù)及減少爆震發(fā)生頻率這三個(gè)方面來(lái)減小鼻梁處斷裂發(fā)生的概率，提高氣缸蓋工作的可靠性。

[1]中國(guó)石油管道公司烏魯木齊輸油氣分公司編譯.WAUKESHA發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)[M].烏魯木齊：新疆大學(xué)出版社.

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