排氣歧管熱變形問題研究

摘要隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度也逐漸升高，某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管采用了高鎳奧氏體球鐵，試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)氣法蘭收縮問題是由于材料高溫蠕變導(dǎo)致的。通過試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)氣法蘭收縮變形，能解決難拆卸問題。

關(guān)鍵詞發(fā)動(dòng)機(jī)；排氣歧管；變形；螺栓孔

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)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(jìn)技術(shù)被批量應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排氣溫度已經(jīng)達(dá)到甚至超過900℃，這對發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排氣歧管上。國外早在20世紀(jì)末就已經(jīng)有發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到920℃。但是，由于其中的Ni的含量很高，價(jià)格昂貴，而且如進(jìn)一步提高作業(yè)溫度，則熱變形量增大。

某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高鎳奧氏體球鐵作為排氣歧管的材料，初期設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)僅對排氣歧管的熱強(qiáng)度進(jìn)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(jìn)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(dòng)機(jī)在壽命期內(nèi)，可能有部分發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣法蘭正對排氣歧管出口，該進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jì)算分析

通過建立排氣歧管的計(jì)算分析模型，對排氣歧管進(jìn)行了熱變形分析，首次分析結(jié)果顯示排氣歧管進(jìn)氣法蘭為伸長變形，這與試驗(yàn)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(shí)間的高溫和一定的載荷下，產(chǎn)生的變形和時(shí)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(jì)算模型中初步將高溫蠕變因數(shù)考慮后，進(jìn)行分析計(jì)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(yàn)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(shí)間內(nèi)，很難搭建準(zhǔn)確的計(jì)算模型，因此放棄了通過CAE計(jì)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(yàn)驗(yàn)證的方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖3考慮高溫蠕變后的收縮變形

3方案驗(yàn)證與結(jié)論

3.1 擴(kuò)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(kuò)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(yàn)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(kuò)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(shí)額定功率試驗(yàn)，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(kuò)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(shí)能提供足夠的夾緊力，從而抑制排氣歧管熱變形。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)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(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)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(gè)優(yōu)化方案的驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度是否滿足要求。更改后的方案很有可能出現(xiàn)熱強(qiáng)度不滿足要求的情況，如果直接試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行熱強(qiáng)度計(jì)算。

通過對失效件的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。因此，提出了增加進(jìn)氣法蘭面厚度和在排氣歧管各支管間增加加強(qiáng)筋的優(yōu)化方案，各螺栓孔按照擴(kuò)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(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管滿足熱強(qiáng)度要求。于是開始制作手工樣件進(jìn)行試驗(yàn)測試，通過試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)200小時(shí)額定功率試驗(yàn)后排氣歧管能正常拆卸，將發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)后繼續(xù)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)完成500小時(shí)試驗(yàn)后對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(shí)施。

4結(jié)論

文章通過對發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后排氣歧管進(jìn)氣法蘭收縮問題進(jìn)行了分析，并通過CAE計(jì)算分析的手段，確認(rèn)了排氣歧管進(jìn)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(shí)間內(nèi)很難搭建考慮高溫蠕變的CAE準(zhǔn)確計(jì)算模型，因此選擇了試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，對各優(yōu)化方案進(jìn)行逐個(gè)驗(yàn)證。

通過對4個(gè)優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)氣法蘭收縮變形，能解決排氣歧管難拆卸問題。

參考文獻(xiàn)

[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(jī)排氣歧管熱應(yīng)力分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2005（5）.

[5]毛文群.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)。

endprint

摘要隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度也逐漸升高，某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管采用了高鎳奧氏體球鐵，試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)氣法蘭收縮問題是由于材料高溫蠕變導(dǎo)致的。通過試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)氣法蘭收縮變形，能解決難拆卸問題。

關(guān)鍵詞發(fā)動(dòng)機(jī)；排氣歧管；變形；螺栓孔

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)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(jìn)技術(shù)被批量應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排氣溫度已經(jīng)達(dá)到甚至超過900℃，這對發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排氣歧管上。國外早在20世紀(jì)末就已經(jīng)有發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到920℃。但是，由于其中的Ni的含量很高，價(jià)格昂貴，而且如進(jìn)一步提高作業(yè)溫度，則熱變形量增大。

某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高鎳奧氏體球鐵作為排氣歧管的材料，初期設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)僅對排氣歧管的熱強(qiáng)度進(jìn)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(jìn)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(dòng)機(jī)在壽命期內(nèi)，可能有部分發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣法蘭正對排氣歧管出口，該進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jì)算分析

通過建立排氣歧管的計(jì)算分析模型，對排氣歧管進(jìn)行了熱變形分析，首次分析結(jié)果顯示排氣歧管進(jìn)氣法蘭為伸長變形，這與試驗(yàn)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(shí)間的高溫和一定的載荷下，產(chǎn)生的變形和時(shí)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(jì)算模型中初步將高溫蠕變因數(shù)考慮后，進(jìn)行分析計(jì)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(yàn)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(shí)間內(nèi)，很難搭建準(zhǔn)確的計(jì)算模型，因此放棄了通過CAE計(jì)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(yàn)驗(yàn)證的方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖3考慮高溫蠕變后的收縮變形

3方案驗(yàn)證與結(jié)論

3.1 擴(kuò)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(kuò)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(yàn)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(kuò)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(shí)額定功率試驗(yàn)，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(kuò)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(shí)能提供足夠的夾緊力，從而抑制排氣歧管熱變形。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)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(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)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(gè)優(yōu)化方案的驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度是否滿足要求。更改后的方案很有可能出現(xiàn)熱強(qiáng)度不滿足要求的情況，如果直接試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行熱強(qiáng)度計(jì)算。

通過對失效件的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。因此，提出了增加進(jìn)氣法蘭面厚度和在排氣歧管各支管間增加加強(qiáng)筋的優(yōu)化方案，各螺栓孔按照擴(kuò)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(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管滿足熱強(qiáng)度要求。于是開始制作手工樣件進(jìn)行試驗(yàn)測試，通過試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)200小時(shí)額定功率試驗(yàn)后排氣歧管能正常拆卸，將發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)后繼續(xù)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)完成500小時(shí)試驗(yàn)后對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(shí)施。

4結(jié)論

文章通過對發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后排氣歧管進(jìn)氣法蘭收縮問題進(jìn)行了分析，并通過CAE計(jì)算分析的手段，確認(rèn)了排氣歧管進(jìn)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(shí)間內(nèi)很難搭建考慮高溫蠕變的CAE準(zhǔn)確計(jì)算模型，因此選擇了試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，對各優(yōu)化方案進(jìn)行逐個(gè)驗(yàn)證。

通過對4個(gè)優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)氣法蘭收縮變形，能解決排氣歧管難拆卸問題。

參考文獻(xiàn)

[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）.

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[5]毛文群.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)。

endprint

摘要隨著排放法規(guī)的逐步加嚴(yán)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度也逐漸升高，某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管采用了高鎳奧氏體球鐵，試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)氣法蘭收縮問題是由于材料高溫蠕變導(dǎo)致的。通過試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)氣法蘭收縮變形，能解決難拆卸問題。

關(guān)鍵詞發(fā)動(dòng)機(jī)；排氣歧管；變形；螺栓孔

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)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(jìn)技術(shù)被批量應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排氣溫度已經(jīng)達(dá)到甚至超過900℃，這對發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的排氣歧管上。國外早在20世紀(jì)末就已經(jīng)有發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到920℃。但是，由于其中的Ni的含量很高，價(jià)格昂貴，而且如進(jìn)一步提高作業(yè)溫度，則熱變形量增大。

某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高鎳奧氏體球鐵作為排氣歧管的材料，初期設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)僅對排氣歧管的熱強(qiáng)度進(jìn)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(jìn)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(dòng)機(jī)在壽命期內(nèi)，可能有部分發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣法蘭正對排氣歧管出口，該進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jì)算分析

通過建立排氣歧管的計(jì)算分析模型，對排氣歧管進(jìn)行了熱變形分析，首次分析結(jié)果顯示排氣歧管進(jìn)氣法蘭為伸長變形，這與試驗(yàn)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(shí)間的高溫和一定的載荷下，產(chǎn)生的變形和時(shí)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(jì)算模型中初步將高溫蠕變因數(shù)考慮后，進(jìn)行分析計(jì)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(yàn)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。基于現(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)很少，短時(shí)間內(nèi)，很難搭建準(zhǔn)確的計(jì)算模型，因此放棄了通過CAE計(jì)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(yàn)驗(yàn)證的方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖3考慮高溫蠕變后的收縮變形

3方案驗(yàn)證與結(jié)論

3.1 擴(kuò)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(kuò)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(yàn)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(kuò)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(shí)額定功率試驗(yàn)，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(kuò)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(shí)能提供足夠的夾緊力，從而抑制排氣歧管熱變形。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)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(yàn)驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)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(gè)優(yōu)化方案的驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度是否滿足要求。更改后的方案很有可能出現(xiàn)熱強(qiáng)度不滿足要求的情況，如果直接試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行熱強(qiáng)度計(jì)算。

通過對失效件的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)氣法蘭還發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。因此，提出了增加進(jìn)氣法蘭面厚度和在排氣歧管各支管間增加加強(qiáng)筋的優(yōu)化方案，各螺栓孔按照擴(kuò)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(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管滿足熱強(qiáng)度要求。于是開始制作手工樣件進(jìn)行試驗(yàn)測試，通過試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)200小時(shí)額定功率試驗(yàn)后排氣歧管能正常拆卸，將發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)后繼續(xù)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)完成500小時(shí)試驗(yàn)后對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(shí)施。

4結(jié)論

文章通過對發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后排氣歧管進(jìn)氣法蘭收縮問題進(jìn)行了分析，并通過CAE計(jì)算分析的手段，確認(rèn)了排氣歧管進(jìn)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(shí)間內(nèi)很難搭建考慮高溫蠕變的CAE準(zhǔn)確計(jì)算模型，因此選擇了試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，對各優(yōu)化方案進(jìn)行逐個(gè)驗(yàn)證。

通過對4個(gè)優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)氣法蘭收縮變形，能解決排氣歧管難拆卸問題。

參考文獻(xiàn)

[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）.

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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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)。

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