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    排氣歧管熱變形問題研究

    2014-09-01 15:54:11張育春
    新媒體研究 2014年12期
    關(guān)鍵詞:發(fā)動機變形

    摘要隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán),發(fā)動機排氣溫度也逐漸升高,某發(fā)動機排氣歧管采用了高鎳奧氏體球鐵,試驗后發(fā)現(xiàn)難拆卸問題。通過對失效件的檢測分析發(fā)現(xiàn)靠近排氣歧管出口的兩缸法蘭相互收縮較為嚴(yán)重,正對排氣歧管出口的進氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。通過CAE分析方法確認(rèn)了排氣歧管進氣法蘭收縮問題是由于材料高溫蠕變導(dǎo)致的。通過試驗驗證的方法,確認(rèn)了排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能減小進氣法蘭收縮變形,能解決難拆卸問題。

    關(guān)鍵詞發(fā)動機;排氣歧管;變形;螺栓孔

    中圖分類號:U464 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)12-0063-02

    隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán),越來越多的先進技術(shù)被批量應(yīng)用,發(fā)動機排氣溫度也逐漸升高。目前,采用增壓技術(shù)后的汽油發(fā)動機的排氣溫度已經(jīng)達到甚至超過900℃,這對發(fā)動機排氣歧管的材料選擇提出了更高的要求。

    高鎳奧氏體球鐵具有良好的高溫力學(xué)性能,因此被普遍應(yīng)用于增壓發(fā)動機的排氣歧管上。國外早在20世紀(jì)末就已經(jīng)有發(fā)動機排氣歧管采用該材料。常用的材料牌號有ISO標(biāo)準(zhǔn)中的牌號JSA/X Ni35Si5Cr2和美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的牌號D-5S,兩者化學(xué)成分十分相近。這兩種奧氏體球墨鑄鐵,高溫下抗氧化能力特別優(yōu)越,耐高溫特性可達到920℃。但是,由于其中的Ni的含量很高,價格昂貴,而且如進一步提高作業(yè)溫度,則熱變形量增大。

    某增壓發(fā)動機采用了高鎳奧氏體球鐵作為排氣歧管的材料,初期設(shè)計計算時僅對排氣歧管的熱強度進行了分析評估,未考慮熱變形問題。通過耐久性測試發(fā)現(xiàn)排氣歧管進氣法蘭收縮變形,排氣歧管螺栓孔直接與排氣歧管雙頭螺柱卡死,導(dǎo)致排氣歧管難拆卸,如圖1所示。

    由于發(fā)動機在壽命期內(nèi),可能有部分發(fā)動機因維修需要,將涉及到拆卸排氣歧管,因此該問題必須找到相應(yīng)的解決方案。為了快速找到解決方案,開展了詳細(xì)的調(diào)查分析和試驗驗證。

    圖1排氣歧管螺栓孔與螺柱卡死

    1失效件檢測分析

    1.1 失效件尺寸檢測

    由于排氣歧管進氣法蘭發(fā)生了收縮變形,導(dǎo)致螺栓孔與螺柱卡死,因此首先對排氣歧管螺栓孔的相互位置進行檢測,檢測結(jié)果見表1。

    通過檢測可以發(fā)現(xiàn)螺栓孔2和3的孔間距離及螺栓孔9和10的孔間距離縮短較多。螺栓孔2,3,9,10所在的進氣法蘭離排氣歧管出口最近,也是發(fā)生收縮變形最大的區(qū)域。螺栓孔2,10所在的進氣法蘭正對排氣歧管出口,該進氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。

    表1螺栓孔的相互位置尺寸檢測結(jié)果

    孔間距離 理論值 實測值 變形量

    1-2 67.3 67.382 0.082

    2-3 41.7 40.248 -1.452

    3-4 83 82.457 -0.543

    4-5 47.6 47.588 -0.012

    5-6 63.9 63.886 -0.014

    7-8 81.7 81.737 0.037

    8-9 83 82.484 -0.516

    9-10 83 82.050 -0.950

    1.2 失效件微觀檢測

    為確認(rèn)失效件的成分和金相是否滿足要求,對失效件進行了取樣,通過成分分析發(fā)現(xiàn)C含量為1.86%,Si含量為4.91%,Mn含量為0.54%,P含量為0.026%,S含量為0.006%,Cr含量為2.17%,Ni含量為34.19%,Cu含量為0.007%,Mg含量為0.12%,化學(xué)成分均在合格范圍。

    通過排氣歧管進氣法蘭的顯微組織分析發(fā)現(xiàn)石墨球化率為2級,石墨球徑大小為7級,基體為奧氏體和碳化物。顯微組織如圖2所示。

    通過失效件的微觀檢測,可以確認(rèn)各技術(shù)指標(biāo)均正常。

    圖2顯微組織圖片

    2CAE計算分析

    通過建立排氣歧管的計算分析模型,對排氣歧管進行了熱變形分析,首次分析結(jié)果顯示排氣歧管進氣法蘭為伸長變形,這與試驗結(jié)果明顯矛盾,于是分析差異原因,發(fā)現(xiàn)該收縮變形可能是由于高溫蠕變導(dǎo)致的。

    高溫蠕變是指材料在長時間的高溫和一定的載荷下,產(chǎn)生的變形和時間的關(guān)系。由于施加的載荷不同,高溫蠕變可以分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫扭轉(zhuǎn)蠕變等。

    計算模型中初步將高溫蠕變因數(shù)考慮后,進行分析計算,結(jié)果顯示考慮高溫蠕變后排氣歧管法蘭發(fā)生了收縮變形,如圖3所示。該結(jié)果趨勢上已經(jīng)與試驗結(jié)果一致了,由此可以明確該熱變形的主要原因是由于高溫蠕變導(dǎo)致的?;诂F(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)很少,短時間內(nèi),很難搭建準(zhǔn)確的計算模型,因此放棄了通過CAE計算分析的方法對比各優(yōu)化方案的準(zhǔn)確的變形量,選擇了直接試驗驗證的方式進行優(yōu)化改進。

    圖3考慮高溫蠕變后的收縮變形

    3方案驗證與結(jié)論

    3.1 擴大螺栓孔直徑

    零部件在高溫作用下很難做到不變形,而排氣歧管如果發(fā)生一定量的變形后,法蘭面的密封功能不失效,也是可以滿足使用要求的。

    擴大螺栓孔的目的就是允許排氣歧管的法蘭面發(fā)生一定量的變形。假如排氣歧管的熱變形到一定程度,就穩(wěn)定了,不再變化了,那么該方案就能解決排氣歧管試驗后難拆卸的問題。

    結(jié)合失效件的檢測數(shù)據(jù),將孔9設(shè)置為排氣歧管定位孔,其直徑為8.5 mm。將其他的螺柱安裝孔直徑由9.5 mm擴大為11 mm,這樣兩孔之間的相互距離縮短量不超過1.6 mm,理論上就應(yīng)該可以輕松的拆卸。

    通過200小時額定功率試驗,對發(fā)動機進行拆解發(fā)現(xiàn)排氣歧管仍然拆卸困難,因此該方案失敗了。

    3.2 螺栓孔徑向開槽

    在擴大螺栓孔直徑的基礎(chǔ)上,將除定位孔9以外的其他螺栓孔增加徑向開槽結(jié)構(gòu),開槽方向定為螺柱容易散熱的方向。該方案的目的是希望通過徑向開槽,來增加螺柱的散熱,保證螺柱在工作時能提供足夠的夾緊力,從而抑制排氣歧管熱變形。

    通過試驗驗證,發(fā)動機排氣歧管仍然拆卸困難,因此該方案也失敗了。

    3.3 排氣歧管材料中加Mo

    在擴大螺栓孔直徑的基礎(chǔ)上,改變現(xiàn)有排氣歧管的合金成分,在原材料中增加1%含量的Mo。該方案的目的是希望通過增加1%含量的Mo來提高排氣歧管的耐高溫特性。

    通過試驗驗證,發(fā)動機排氣歧管仍然拆卸困難,因此該方案也失敗了。

    3.4 排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    通過上述3個優(yōu)化方案的試驗驗證,結(jié)果均以失敗告終。因此,不得不更為系統(tǒng)和全面的考慮其他的優(yōu)化方案。

    通過原始方案和3個優(yōu)化方案的驗證結(jié)果,可以看出通過簡單的變更已經(jīng)很難解決該問題。于是提出了通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,來提高結(jié)構(gòu)強度,從而抑制排氣歧管收縮變形的想法。由于排氣歧管結(jié)構(gòu)的調(diào)整最大的問題是排氣歧管的熱強度是否滿足要求。更改后的方案很有可能出現(xiàn)熱強度不滿足要求的情況,如果直接試驗驗證很有可能出現(xiàn)排氣歧管局部開裂的問題。為了避免該問題的發(fā)生,又利用了CAE分析的手段對優(yōu)化后的模型進行熱強度計算。

    通過對失效件的檢測數(shù)據(jù)進行分析,可知靠近排氣歧管出口的兩缸法蘭相互收縮較為嚴(yán)重,正對排氣歧管出口的進氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。因此,提出了增加進氣法蘭面厚度和在排氣歧管各支管間增加加強筋的優(yōu)化方案,各螺栓孔按照擴大螺栓孔直徑的方案執(zhí)行。原始方案和優(yōu)化方案的對比如圖4所示。

    圖4原始方案和優(yōu)化方案的對比

    通過CAE分析計算,發(fā)動機排氣歧管滿足熱強度要求。于是開始制作手工樣件進行試驗測試,通過試驗驗證發(fā)現(xiàn)200小時額定功率試驗后排氣歧管能正常拆卸,將發(fā)動機恢復(fù)后繼續(xù)試驗,發(fā)動機累計完成500小時試驗后對發(fā)動機進行拆解,發(fā)現(xiàn)排氣歧管仍然能正常拆卸,且未發(fā)生開裂問題。因此,可以判定該方案能解決排氣歧管難拆卸問題。

    通過對模具的更改,得到最終的工裝件,通過各種耐久性測試,均未發(fā)現(xiàn)排氣歧管難拆卸問題,因此,該方案作為最終的批量生產(chǎn)方案得以實施。

    4結(jié)論

    文章通過對發(fā)動機試驗后排氣歧管進氣法蘭收縮問題進行了分析,并通過CAE計算分析的手段,確認(rèn)了排氣歧管進氣法蘭收縮問題是由于材料發(fā)生了高溫蠕變導(dǎo)致的。由于測試數(shù)據(jù)較少,短時間內(nèi)很難搭建考慮高溫蠕變的CAE準(zhǔn)確計算模型,因此選擇了試驗驗證的方式,對各優(yōu)化方案進行逐個驗證。

    通過對4個優(yōu)化方案的試驗驗證,確認(rèn)了排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能減小排氣歧管進氣法蘭收縮變形,能解決排氣歧管難拆卸問題。

    參考文獻

    [1]張國棟,游杰剛,劉海嘯,等.鎂質(zhì)耐火材料高溫蠕變特性的研究現(xiàn)狀[J].耐火與石灰,2008(2).

    [2]李傳栻.排氣歧管材料更新?lián)Q代的概況[J].現(xiàn)代鑄鐵,2011(S2).

    [3]崔曉鵬,劉海峰,王成剛,等.汽車用排氣歧管材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].鑄造,2008(10).

    [4]李紅慶,楊萬里,劉國慶,等.內(nèi)燃機排氣歧管熱應(yīng)力分析[J].內(nèi)燃機工程,2005(5).

    [5]毛文群.發(fā)動機排氣歧管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].機床與液壓,2013(6).

    作者簡介

    張育春(1981-),男,四川廣漢人,碩士研究生,主要從事發(fā)動機設(shè)計開發(fā)。

    endprint

    摘要隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán),發(fā)動機排氣溫度也逐漸升高,某發(fā)動機排氣歧管采用了高鎳奧氏體球鐵,試驗后發(fā)現(xiàn)難拆卸問題。通過對失效件的檢測分析發(fā)現(xiàn)靠近排氣歧管出口的兩缸法蘭相互收縮較為嚴(yán)重,正對排氣歧管出口的進氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。通過CAE分析方法確認(rèn)了排氣歧管進氣法蘭收縮問題是由于材料高溫蠕變導(dǎo)致的。通過試驗驗證的方法,確認(rèn)了排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能減小進氣法蘭收縮變形,能解決難拆卸問題。

    關(guān)鍵詞發(fā)動機;排氣歧管;變形;螺栓孔

    中圖分類號:U464 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)12-0063-02

    隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán),越來越多的先進技術(shù)被批量應(yīng)用,發(fā)動機排氣溫度也逐漸升高。目前,采用增壓技術(shù)后的汽油發(fā)動機的排氣溫度已經(jīng)達到甚至超過900℃,這對發(fā)動機排氣歧管的材料選擇提出了更高的要求。

    高鎳奧氏體球鐵具有良好的高溫力學(xué)性能,因此被普遍應(yīng)用于增壓發(fā)動機的排氣歧管上。國外早在20世紀(jì)末就已經(jīng)有發(fā)動機排氣歧管采用該材料。常用的材料牌號有ISO標(biāo)準(zhǔn)中的牌號JSA/X Ni35Si5Cr2和美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的牌號D-5S,兩者化學(xué)成分十分相近。這兩種奧氏體球墨鑄鐵,高溫下抗氧化能力特別優(yōu)越,耐高溫特性可達到920℃。但是,由于其中的Ni的含量很高,價格昂貴,而且如進一步提高作業(yè)溫度,則熱變形量增大。

    某增壓發(fā)動機采用了高鎳奧氏體球鐵作為排氣歧管的材料,初期設(shè)計計算時僅對排氣歧管的熱強度進行了分析評估,未考慮熱變形問題。通過耐久性測試發(fā)現(xiàn)排氣歧管進氣法蘭收縮變形,排氣歧管螺栓孔直接與排氣歧管雙頭螺柱卡死,導(dǎo)致排氣歧管難拆卸,如圖1所示。

    由于發(fā)動機在壽命期內(nèi),可能有部分發(fā)動機因維修需要,將涉及到拆卸排氣歧管,因此該問題必須找到相應(yīng)的解決方案。為了快速找到解決方案,開展了詳細(xì)的調(diào)查分析和試驗驗證。

    圖1排氣歧管螺栓孔與螺柱卡死

    1失效件檢測分析

    1.1 失效件尺寸檢測

    由于排氣歧管進氣法蘭發(fā)生了收縮變形,導(dǎo)致螺栓孔與螺柱卡死,因此首先對排氣歧管螺栓孔的相互位置進行檢測,檢測結(jié)果見表1。

    通過檢測可以發(fā)現(xiàn)螺栓孔2和3的孔間距離及螺栓孔9和10的孔間距離縮短較多。螺栓孔2,3,9,10所在的進氣法蘭離排氣歧管出口最近,也是發(fā)生收縮變形最大的區(qū)域。螺栓孔2,10所在的進氣法蘭正對排氣歧管出口,該進氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。

    表1螺栓孔的相互位置尺寸檢測結(jié)果

    孔間距離 理論值 實測值 變形量

    1-2 67.3 67.382 0.082

    2-3 41.7 40.248 -1.452

    3-4 83 82.457 -0.543

    4-5 47.6 47.588 -0.012

    5-6 63.9 63.886 -0.014

    7-8 81.7 81.737 0.037

    8-9 83 82.484 -0.516

    9-10 83 82.050 -0.950

    1.2 失效件微觀檢測

    為確認(rèn)失效件的成分和金相是否滿足要求,對失效件進行了取樣,通過成分分析發(fā)現(xiàn)C含量為1.86%,Si含量為4.91%,Mn含量為0.54%,P含量為0.026%,S含量為0.006%,Cr含量為2.17%,Ni含量為34.19%,Cu含量為0.007%,Mg含量為0.12%,化學(xué)成分均在合格范圍。

    通過排氣歧管進氣法蘭的顯微組織分析發(fā)現(xiàn)石墨球化率為2級,石墨球徑大小為7級,基體為奧氏體和碳化物。顯微組織如圖2所示。

    通過失效件的微觀檢測,可以確認(rèn)各技術(shù)指標(biāo)均正常。

    圖2顯微組織圖片

    2CAE計算分析

    通過建立排氣歧管的計算分析模型,對排氣歧管進行了熱變形分析,首次分析結(jié)果顯示排氣歧管進氣法蘭為伸長變形,這與試驗結(jié)果明顯矛盾,于是分析差異原因,發(fā)現(xiàn)該收縮變形可能是由于高溫蠕變導(dǎo)致的。

    高溫蠕變是指材料在長時間的高溫和一定的載荷下,產(chǎn)生的變形和時間的關(guān)系。由于施加的載荷不同,高溫蠕變可以分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫扭轉(zhuǎn)蠕變等。

    計算模型中初步將高溫蠕變因數(shù)考慮后,進行分析計算,結(jié)果顯示考慮高溫蠕變后排氣歧管法蘭發(fā)生了收縮變形,如圖3所示。該結(jié)果趨勢上已經(jīng)與試驗結(jié)果一致了,由此可以明確該熱變形的主要原因是由于高溫蠕變導(dǎo)致的?;诂F(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)很少,短時間內(nèi),很難搭建準(zhǔn)確的計算模型,因此放棄了通過CAE計算分析的方法對比各優(yōu)化方案的準(zhǔn)確的變形量,選擇了直接試驗驗證的方式進行優(yōu)化改進。

    圖3考慮高溫蠕變后的收縮變形

    3方案驗證與結(jié)論

    3.1 擴大螺栓孔直徑

    零部件在高溫作用下很難做到不變形,而排氣歧管如果發(fā)生一定量的變形后,法蘭面的密封功能不失效,也是可以滿足使用要求的。

    擴大螺栓孔的目的就是允許排氣歧管的法蘭面發(fā)生一定量的變形。假如排氣歧管的熱變形到一定程度,就穩(wěn)定了,不再變化了,那么該方案就能解決排氣歧管試驗后難拆卸的問題。

    結(jié)合失效件的檢測數(shù)據(jù),將孔9設(shè)置為排氣歧管定位孔,其直徑為8.5 mm。將其他的螺柱安裝孔直徑由9.5 mm擴大為11 mm,這樣兩孔之間的相互距離縮短量不超過1.6 mm,理論上就應(yīng)該可以輕松的拆卸。

    通過200小時額定功率試驗,對發(fā)動機進行拆解發(fā)現(xiàn)排氣歧管仍然拆卸困難,因此該方案失敗了。

    3.2 螺栓孔徑向開槽

    在擴大螺栓孔直徑的基礎(chǔ)上,將除定位孔9以外的其他螺栓孔增加徑向開槽結(jié)構(gòu),開槽方向定為螺柱容易散熱的方向。該方案的目的是希望通過徑向開槽,來增加螺柱的散熱,保證螺柱在工作時能提供足夠的夾緊力,從而抑制排氣歧管熱變形。

    通過試驗驗證,發(fā)動機排氣歧管仍然拆卸困難,因此該方案也失敗了。

    3.3 排氣歧管材料中加Mo

    在擴大螺栓孔直徑的基礎(chǔ)上,改變現(xiàn)有排氣歧管的合金成分,在原材料中增加1%含量的Mo。該方案的目的是希望通過增加1%含量的Mo來提高排氣歧管的耐高溫特性。

    通過試驗驗證,發(fā)動機排氣歧管仍然拆卸困難,因此該方案也失敗了。

    3.4 排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    通過上述3個優(yōu)化方案的試驗驗證,結(jié)果均以失敗告終。因此,不得不更為系統(tǒng)和全面的考慮其他的優(yōu)化方案。

    通過原始方案和3個優(yōu)化方案的驗證結(jié)果,可以看出通過簡單的變更已經(jīng)很難解決該問題。于是提出了通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,來提高結(jié)構(gòu)強度,從而抑制排氣歧管收縮變形的想法。由于排氣歧管結(jié)構(gòu)的調(diào)整最大的問題是排氣歧管的熱強度是否滿足要求。更改后的方案很有可能出現(xiàn)熱強度不滿足要求的情況,如果直接試驗驗證很有可能出現(xiàn)排氣歧管局部開裂的問題。為了避免該問題的發(fā)生,又利用了CAE分析的手段對優(yōu)化后的模型進行熱強度計算。

    通過對失效件的檢測數(shù)據(jù)進行分析,可知靠近排氣歧管出口的兩缸法蘭相互收縮較為嚴(yán)重,正對排氣歧管出口的進氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。因此,提出了增加進氣法蘭面厚度和在排氣歧管各支管間增加加強筋的優(yōu)化方案,各螺栓孔按照擴大螺栓孔直徑的方案執(zhí)行。原始方案和優(yōu)化方案的對比如圖4所示。

    圖4原始方案和優(yōu)化方案的對比

    通過CAE分析計算,發(fā)動機排氣歧管滿足熱強度要求。于是開始制作手工樣件進行試驗測試,通過試驗驗證發(fā)現(xiàn)200小時額定功率試驗后排氣歧管能正常拆卸,將發(fā)動機恢復(fù)后繼續(xù)試驗,發(fā)動機累計完成500小時試驗后對發(fā)動機進行拆解,發(fā)現(xiàn)排氣歧管仍然能正常拆卸,且未發(fā)生開裂問題。因此,可以判定該方案能解決排氣歧管難拆卸問題。

    通過對模具的更改,得到最終的工裝件,通過各種耐久性測試,均未發(fā)現(xiàn)排氣歧管難拆卸問題,因此,該方案作為最終的批量生產(chǎn)方案得以實施。

    4結(jié)論

    文章通過對發(fā)動機試驗后排氣歧管進氣法蘭收縮問題進行了分析,并通過CAE計算分析的手段,確認(rèn)了排氣歧管進氣法蘭收縮問題是由于材料發(fā)生了高溫蠕變導(dǎo)致的。由于測試數(shù)據(jù)較少,短時間內(nèi)很難搭建考慮高溫蠕變的CAE準(zhǔn)確計算模型,因此選擇了試驗驗證的方式,對各優(yōu)化方案進行逐個驗證。

    通過對4個優(yōu)化方案的試驗驗證,確認(rèn)了排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能減小排氣歧管進氣法蘭收縮變形,能解決排氣歧管難拆卸問題。

    參考文獻

    [1]張國棟,游杰剛,劉海嘯,等.鎂質(zhì)耐火材料高溫蠕變特性的研究現(xiàn)狀[J].耐火與石灰,2008(2).

    [2]李傳栻.排氣歧管材料更新?lián)Q代的概況[J].現(xiàn)代鑄鐵,2011(S2).

    [3]崔曉鵬,劉海峰,王成剛,等.汽車用排氣歧管材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].鑄造,2008(10).

    [4]李紅慶,楊萬里,劉國慶,等.內(nèi)燃機排氣歧管熱應(yīng)力分析[J].內(nèi)燃機工程,2005(5).

    [5]毛文群.發(fā)動機排氣歧管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].機床與液壓,2013(6).

    作者簡介

    張育春(1981-),男,四川廣漢人,碩士研究生,主要從事發(fā)動機設(shè)計開發(fā)。

    endprint

    摘要隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán),發(fā)動機排氣溫度也逐漸升高,某發(fā)動機排氣歧管采用了高鎳奧氏體球鐵,試驗后發(fā)現(xiàn)難拆卸問題。通過對失效件的檢測分析發(fā)現(xiàn)靠近排氣歧管出口的兩缸法蘭相互收縮較為嚴(yán)重,正對排氣歧管出口的進氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。通過CAE分析方法確認(rèn)了排氣歧管進氣法蘭收縮問題是由于材料高溫蠕變導(dǎo)致的。通過試驗驗證的方法,確認(rèn)了排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能減小進氣法蘭收縮變形,能解決難拆卸問題。

    關(guān)鍵詞發(fā)動機;排氣歧管;變形;螺栓孔

    中圖分類號:U464 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)12-0063-02

    隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán),越來越多的先進技術(shù)被批量應(yīng)用,發(fā)動機排氣溫度也逐漸升高。目前,采用增壓技術(shù)后的汽油發(fā)動機的排氣溫度已經(jīng)達到甚至超過900℃,這對發(fā)動機排氣歧管的材料選擇提出了更高的要求。

    高鎳奧氏體球鐵具有良好的高溫力學(xué)性能,因此被普遍應(yīng)用于增壓發(fā)動機的排氣歧管上。國外早在20世紀(jì)末就已經(jīng)有發(fā)動機排氣歧管采用該材料。常用的材料牌號有ISO標(biāo)準(zhǔn)中的牌號JSA/X Ni35Si5Cr2和美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的牌號D-5S,兩者化學(xué)成分十分相近。這兩種奧氏體球墨鑄鐵,高溫下抗氧化能力特別優(yōu)越,耐高溫特性可達到920℃。但是,由于其中的Ni的含量很高,價格昂貴,而且如進一步提高作業(yè)溫度,則熱變形量增大。

    某增壓發(fā)動機采用了高鎳奧氏體球鐵作為排氣歧管的材料,初期設(shè)計計算時僅對排氣歧管的熱強度進行了分析評估,未考慮熱變形問題。通過耐久性測試發(fā)現(xiàn)排氣歧管進氣法蘭收縮變形,排氣歧管螺栓孔直接與排氣歧管雙頭螺柱卡死,導(dǎo)致排氣歧管難拆卸,如圖1所示。

    由于發(fā)動機在壽命期內(nèi),可能有部分發(fā)動機因維修需要,將涉及到拆卸排氣歧管,因此該問題必須找到相應(yīng)的解決方案。為了快速找到解決方案,開展了詳細(xì)的調(diào)查分析和試驗驗證。

    圖1排氣歧管螺栓孔與螺柱卡死

    1失效件檢測分析

    1.1 失效件尺寸檢測

    由于排氣歧管進氣法蘭發(fā)生了收縮變形,導(dǎo)致螺栓孔與螺柱卡死,因此首先對排氣歧管螺栓孔的相互位置進行檢測,檢測結(jié)果見表1。

    通過檢測可以發(fā)現(xiàn)螺栓孔2和3的孔間距離及螺栓孔9和10的孔間距離縮短較多。螺栓孔2,3,9,10所在的進氣法蘭離排氣歧管出口最近,也是發(fā)生收縮變形最大的區(qū)域。螺栓孔2,10所在的進氣法蘭正對排氣歧管出口,該進氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。

    表1螺栓孔的相互位置尺寸檢測結(jié)果

    孔間距離 理論值 實測值 變形量

    1-2 67.3 67.382 0.082

    2-3 41.7 40.248 -1.452

    3-4 83 82.457 -0.543

    4-5 47.6 47.588 -0.012

    5-6 63.9 63.886 -0.014

    7-8 81.7 81.737 0.037

    8-9 83 82.484 -0.516

    9-10 83 82.050 -0.950

    1.2 失效件微觀檢測

    為確認(rèn)失效件的成分和金相是否滿足要求,對失效件進行了取樣,通過成分分析發(fā)現(xiàn)C含量為1.86%,Si含量為4.91%,Mn含量為0.54%,P含量為0.026%,S含量為0.006%,Cr含量為2.17%,Ni含量為34.19%,Cu含量為0.007%,Mg含量為0.12%,化學(xué)成分均在合格范圍。

    通過排氣歧管進氣法蘭的顯微組織分析發(fā)現(xiàn)石墨球化率為2級,石墨球徑大小為7級,基體為奧氏體和碳化物。顯微組織如圖2所示。

    通過失效件的微觀檢測,可以確認(rèn)各技術(shù)指標(biāo)均正常。

    圖2顯微組織圖片

    2CAE計算分析

    通過建立排氣歧管的計算分析模型,對排氣歧管進行了熱變形分析,首次分析結(jié)果顯示排氣歧管進氣法蘭為伸長變形,這與試驗結(jié)果明顯矛盾,于是分析差異原因,發(fā)現(xiàn)該收縮變形可能是由于高溫蠕變導(dǎo)致的。

    高溫蠕變是指材料在長時間的高溫和一定的載荷下,產(chǎn)生的變形和時間的關(guān)系。由于施加的載荷不同,高溫蠕變可以分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫扭轉(zhuǎn)蠕變等。

    計算模型中初步將高溫蠕變因數(shù)考慮后,進行分析計算,結(jié)果顯示考慮高溫蠕變后排氣歧管法蘭發(fā)生了收縮變形,如圖3所示。該結(jié)果趨勢上已經(jīng)與試驗結(jié)果一致了,由此可以明確該熱變形的主要原因是由于高溫蠕變導(dǎo)致的?;诂F(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)很少,短時間內(nèi),很難搭建準(zhǔn)確的計算模型,因此放棄了通過CAE計算分析的方法對比各優(yōu)化方案的準(zhǔn)確的變形量,選擇了直接試驗驗證的方式進行優(yōu)化改進。

    圖3考慮高溫蠕變后的收縮變形

    3方案驗證與結(jié)論

    3.1 擴大螺栓孔直徑

    零部件在高溫作用下很難做到不變形,而排氣歧管如果發(fā)生一定量的變形后,法蘭面的密封功能不失效,也是可以滿足使用要求的。

    擴大螺栓孔的目的就是允許排氣歧管的法蘭面發(fā)生一定量的變形。假如排氣歧管的熱變形到一定程度,就穩(wěn)定了,不再變化了,那么該方案就能解決排氣歧管試驗后難拆卸的問題。

    結(jié)合失效件的檢測數(shù)據(jù),將孔9設(shè)置為排氣歧管定位孔,其直徑為8.5 mm。將其他的螺柱安裝孔直徑由9.5 mm擴大為11 mm,這樣兩孔之間的相互距離縮短量不超過1.6 mm,理論上就應(yīng)該可以輕松的拆卸。

    通過200小時額定功率試驗,對發(fā)動機進行拆解發(fā)現(xiàn)排氣歧管仍然拆卸困難,因此該方案失敗了。

    3.2 螺栓孔徑向開槽

    在擴大螺栓孔直徑的基礎(chǔ)上,將除定位孔9以外的其他螺栓孔增加徑向開槽結(jié)構(gòu),開槽方向定為螺柱容易散熱的方向。該方案的目的是希望通過徑向開槽,來增加螺柱的散熱,保證螺柱在工作時能提供足夠的夾緊力,從而抑制排氣歧管熱變形。

    通過試驗驗證,發(fā)動機排氣歧管仍然拆卸困難,因此該方案也失敗了。

    3.3 排氣歧管材料中加Mo

    在擴大螺栓孔直徑的基礎(chǔ)上,改變現(xiàn)有排氣歧管的合金成分,在原材料中增加1%含量的Mo。該方案的目的是希望通過增加1%含量的Mo來提高排氣歧管的耐高溫特性。

    通過試驗驗證,發(fā)動機排氣歧管仍然拆卸困難,因此該方案也失敗了。

    3.4 排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    通過上述3個優(yōu)化方案的試驗驗證,結(jié)果均以失敗告終。因此,不得不更為系統(tǒng)和全面的考慮其他的優(yōu)化方案。

    通過原始方案和3個優(yōu)化方案的驗證結(jié)果,可以看出通過簡單的變更已經(jīng)很難解決該問題。于是提出了通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,來提高結(jié)構(gòu)強度,從而抑制排氣歧管收縮變形的想法。由于排氣歧管結(jié)構(gòu)的調(diào)整最大的問題是排氣歧管的熱強度是否滿足要求。更改后的方案很有可能出現(xiàn)熱強度不滿足要求的情況,如果直接試驗驗證很有可能出現(xiàn)排氣歧管局部開裂的問題。為了避免該問題的發(fā)生,又利用了CAE分析的手段對優(yōu)化后的模型進行熱強度計算。

    通過對失效件的檢測數(shù)據(jù)進行分析,可知靠近排氣歧管出口的兩缸法蘭相互收縮較為嚴(yán)重,正對排氣歧管出口的進氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。因此,提出了增加進氣法蘭面厚度和在排氣歧管各支管間增加加強筋的優(yōu)化方案,各螺栓孔按照擴大螺栓孔直徑的方案執(zhí)行。原始方案和優(yōu)化方案的對比如圖4所示。

    圖4原始方案和優(yōu)化方案的對比

    通過CAE分析計算,發(fā)動機排氣歧管滿足熱強度要求。于是開始制作手工樣件進行試驗測試,通過試驗驗證發(fā)現(xiàn)200小時額定功率試驗后排氣歧管能正常拆卸,將發(fā)動機恢復(fù)后繼續(xù)試驗,發(fā)動機累計完成500小時試驗后對發(fā)動機進行拆解,發(fā)現(xiàn)排氣歧管仍然能正常拆卸,且未發(fā)生開裂問題。因此,可以判定該方案能解決排氣歧管難拆卸問題。

    通過對模具的更改,得到最終的工裝件,通過各種耐久性測試,均未發(fā)現(xiàn)排氣歧管難拆卸問題,因此,該方案作為最終的批量生產(chǎn)方案得以實施。

    4結(jié)論

    文章通過對發(fā)動機試驗后排氣歧管進氣法蘭收縮問題進行了分析,并通過CAE計算分析的手段,確認(rèn)了排氣歧管進氣法蘭收縮問題是由于材料發(fā)生了高溫蠕變導(dǎo)致的。由于測試數(shù)據(jù)較少,短時間內(nèi)很難搭建考慮高溫蠕變的CAE準(zhǔn)確計算模型,因此選擇了試驗驗證的方式,對各優(yōu)化方案進行逐個驗證。

    通過對4個優(yōu)化方案的試驗驗證,確認(rèn)了排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能減小排氣歧管進氣法蘭收縮變形,能解決排氣歧管難拆卸問題。

    參考文獻

    [1]張國棟,游杰剛,劉海嘯,等.鎂質(zhì)耐火材料高溫蠕變特性的研究現(xiàn)狀[J].耐火與石灰,2008(2).

    [2]李傳栻.排氣歧管材料更新?lián)Q代的概況[J].現(xiàn)代鑄鐵,2011(S2).

    [3]崔曉鵬,劉海峰,王成剛,等.汽車用排氣歧管材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].鑄造,2008(10).

    [4]李紅慶,楊萬里,劉國慶,等.內(nèi)燃機排氣歧管熱應(yīng)力分析[J].內(nèi)燃機工程,2005(5).

    [5]毛文群.發(fā)動機排氣歧管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].機床與液壓,2013(6).

    作者簡介

    張育春(1981-),男,四川廣漢人,碩士研究生,主要從事發(fā)動機設(shè)計開發(fā)。

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