某四氣門單體氣缸蓋頂板的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究*

辛 花 王艷麗 趙中余 閆 瑋 狄建兵

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所）

1 前言

因復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及嚴(yán)酷的工作環(huán)境使得氣缸蓋可靠性成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)[1]，這就對(duì)氣缸蓋中每個(gè)基本結(jié)構(gòu)提出了很高的可靠性要求。氣缸蓋頂板與底板、側(cè)壁共同組成氣缸蓋的基本結(jié)構(gòu)。在工作過(guò)程中頂板主要受螺栓預(yù)緊力的作用，同時(shí)與氣門室罩密封連接，不僅用于支撐配氣機(jī)構(gòu)的安裝和保護(hù)配氣機(jī)構(gòu)，還與氣缸蓋底板、側(cè)壁共同形成密閉的空腔以封閉氣缸蓋的冷卻液 （除風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋外）。所以頂板失效會(huì)使氣缸蓋冷卻液泄漏進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。長(zhǎng)期以來(lái)，柴油機(jī)設(shè)計(jì)研究人員希望能預(yù)知柴油機(jī)氣缸蓋結(jié)構(gòu)的可靠性，或?qū)飧咨w已發(fā)生的裂紋等故障有正確的分析結(jié)論[2]。本文主要對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)四氣門單體氣缸蓋頂板的承載方式、裂紋故障部位、應(yīng)力分布狀態(tài)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，為四氣門單體氣缸蓋頂板的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)提供參考。

2 建模及應(yīng)力分析

目前常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋，無(wú)論其外部或內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何多變復(fù)雜，其基本的拓?fù)淇蚣芙Y(jié)構(gòu)均可統(tǒng)一簡(jiǎn)化為一個(gè)封閉的帶有若干互不連通小孔的空心六面體框架結(jié)構(gòu)[1]。所以，氣缸蓋的頂板一般簡(jiǎn)化為帶有若干孔系的平板結(jié)構(gòu)。由于本文的研究對(duì)象主要是氣缸蓋頂板，在建立簡(jiǎn)化模型時(shí)，只建立了該氣缸蓋的基本拓?fù)淇蚣芙Y(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

氣缸蓋頂板常見(jiàn)的一種失效模式是貫穿性裂紋，一般出現(xiàn)在缸體絲對(duì)孔之間的區(qū)域以及氣門導(dǎo)管孔之間的區(qū)域。圖2是該四氣門單體氣缸蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)前出現(xiàn)在氣門導(dǎo)管孔之間區(qū)域的裂紋。

根據(jù)氣缸蓋頂板常見(jiàn)的失效部位，氣缸蓋頂板的考察點(diǎn)位置如圖3所示。

由于工作過(guò)程中氣缸蓋頂板溫度較低，所以頂板裂紋主要是由循環(huán)機(jī)械應(yīng)力引起疲勞失效導(dǎo)致的。為確定機(jī)械載荷對(duì)頂板應(yīng)力狀態(tài)的影響，分別對(duì)氣缸蓋在預(yù)緊和爆發(fā)工況下進(jìn)行靜力分析。

在預(yù)緊工況下，逐漸提高預(yù)緊力的大小，分析其對(duì)頂板應(yīng)力狀態(tài)的影響。

在210 kN的預(yù)緊工況下，頂板的最大主應(yīng)力分布云圖如圖4所示。雖然隨著預(yù)緊力的變化頂板的最大主應(yīng)力值會(huì)發(fā)生變化，但分布趨勢(shì)與圖4所示基本一致。考察點(diǎn)最大主應(yīng)力值隨預(yù)緊力大小變化關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，隨著螺栓預(yù)緊力的增加，氣缸蓋考察點(diǎn)的表面應(yīng)力變化顯著，基本呈線性關(guān)系。

在爆發(fā)工況下，預(yù)緊力大小確定，改變爆發(fā)壓力的大小，分析爆發(fā)壓力對(duì)頂板應(yīng)力狀態(tài)的影響。

在預(yù)緊力為210 kN、爆發(fā)壓力為17 MPa的爆發(fā)壓力下，頂板的最大主應(yīng)力云圖如圖6所示。在18 MPa、19 MPa及20 MPa爆發(fā)工況下，頂板的最大主應(yīng)力分布云圖與圖6基本一致?？疾禳c(diǎn)最大主應(yīng)力值隨爆發(fā)壓力變化關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，隨著爆發(fā)壓力的增加，氣缸蓋頂板考察點(diǎn)最大主應(yīng)力值的大小隨著爆發(fā)壓力的改變變化很小。

綜合分析圖5、圖7發(fā)現(xiàn)，氣缸蓋頂板在預(yù)緊工況的最大主應(yīng)力值約占頂板整體應(yīng)力 （即爆發(fā)工況下的應(yīng)力，因頂板整體應(yīng)力主要是由預(yù)緊力和爆發(fā)壓力引起的，而爆發(fā)工況既受預(yù)緊力又受爆發(fā)壓力）的75%～85%；爆發(fā)工況下，氣缸蓋頂板最大主應(yīng)力幅值變化較小，因此動(dòng)態(tài)載荷較小。

3 頂板的改進(jìn)設(shè)計(jì)及分析

盡管氣缸蓋結(jié)構(gòu)和受力情況復(fù)雜，其機(jī)械失效的模式多種多樣，但無(wú)論發(fā)生何種失效模式，其根本原因都是因?yàn)槌惺艿妮d荷過(guò)大。雖然頂板的應(yīng)力值較低，但如圖2所示危險(xiǎn)部位也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)疲勞裂紋。

加強(qiáng)筋在氣缸蓋承載體系中的作用就是有效增加氣缸蓋的結(jié)構(gòu)剛度，改變被加強(qiáng)區(qū)域的承載方式。通過(guò)增加加強(qiáng)筋或調(diào)整加強(qiáng)筋在氣缸蓋中的布置，可以有效增加結(jié)構(gòu)剛度、降低區(qū)域的應(yīng)力集中，這已經(jīng)被廣泛用于氣缸蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中[1]。根據(jù)這一設(shè)計(jì)理念，在頂板上的缸體絲對(duì)孔之間以及常見(jiàn)的失效區(qū)域布置加強(qiáng)筋，形成帶加強(qiáng)筋的框架頂板結(jié)構(gòu)形式，如圖8所示。

在與圖4相同的邊界條件和載荷條件下對(duì)改進(jìn)后的頂板進(jìn)行分析計(jì)算，最大主應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

對(duì)比分析圖4和圖9可發(fā)現(xiàn)，采用帶有加強(qiáng)筋板的框架頂板結(jié)構(gòu)后，頂板的應(yīng)力分布走向完全改變，整個(gè)頂板的高應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)移到了加強(qiáng)筋板上，而且整個(gè)頂板本體區(qū)域的應(yīng)力值大幅下降。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為準(zhǔn)確掌握帶有加強(qiáng)筋板框架結(jié)構(gòu)形式的氣缸蓋頂板應(yīng)力分布情況，對(duì)改進(jìn)后的氣缸蓋頂板進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)。氣缸蓋測(cè)點(diǎn)的位置分布如圖10所示，電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 預(yù)緊工況電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

表2 爆發(fā)工況電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

為能更直觀的表達(dá)氣缸蓋頂板測(cè)點(diǎn)在預(yù)緊工況和爆發(fā)工況下的應(yīng)力值變化規(guī)律，任取4點(diǎn)作變化曲線圖，如圖11和圖12所示。

分析表1、表2及圖9發(fā)現(xiàn)，氣缸蓋頂板測(cè)點(diǎn)位置在安裝過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力約占?xì)飧咨w頂板整體應(yīng)力值的75%～85%；框架加強(qiáng)筋頂面上主應(yīng)力方向均沿框架筋板走向分布，即采用框架頂板結(jié)構(gòu)，使整個(gè)氣缸蓋的應(yīng)力都集中在加強(qiáng)筋上，保證了頂板的可靠性；爆發(fā)工況時(shí)氣缸蓋頂板應(yīng)力幅值變化較小，因此動(dòng)態(tài)載荷較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用有限元法對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)四氣門單體氣缸蓋頂板的承載方式進(jìn)行分析研究表明，氣缸蓋頂板在預(yù)緊工況的應(yīng)力值約占頂板整體應(yīng)力的75%～85%。針對(duì)高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行頂板優(yōu)化設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，采用帶有加強(qiáng)筋板的框架頂板結(jié)構(gòu)形式可以改善并改變頂板的承載方式，提高頂板的可靠性。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確型，為四氣門單體氣缸蓋頂板的可靠性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 張儒華，左正興，廖日東，等.氣缸蓋中一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的承載機(jī)理研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，3，22.

2 陳山.于懷明.氣缸蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)分析.山東內(nèi)燃機(jī)，2003，4.