劉震濤,孫朝暉,潘 俊,黃 瑞,陳俊玄,俞小莉
(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)系,杭州310027)
在內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程中,氣缸蓋不僅直接與高溫、高壓的燃?xì)饨佑|,整體溫度很高,而且受到復(fù)雜的熱-機(jī)械負(fù)荷的綜合作用[1],很容易產(chǎn)生疲勞裂紋,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性。隨著內(nèi)燃機(jī)功率密度的日益提高,缸蓋的工作條件愈加惡劣,其熱疲勞問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。缸蓋的主要失效形式是熱疲勞引起的表面熱裂紋,尤其是在火力面上溫度最高的鼻梁區(qū),產(chǎn)生這種熱疲勞的主要原因是由缸蓋表面溫度分布不均以及溫度隨時(shí)間波動(dòng)而產(chǎn)生的熱應(yīng)力[2]。
目前,國(guó)內(nèi)外尚未建立完善的缸蓋熱疲勞研究理論和統(tǒng)一的考核規(guī)范,常用手段主要有仿真研究和試驗(yàn)研究?jī)煞N。在仿真研究中,對(duì)缸蓋等零部件的熱應(yīng)力、溫度及熱變形等都進(jìn)行過(guò)較為準(zhǔn)確的模擬[3-4],同時(shí),已經(jīng)考慮到了預(yù)緊力等機(jī)械約束對(duì)缸蓋熱疲勞狀態(tài)的影響,提出了熱機(jī)耦合的理論,并應(yīng)用到了實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中。在試驗(yàn)研究中,實(shí)機(jī)熱疲勞試驗(yàn)存在周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺陷,特別是在開(kāi)發(fā)新機(jī)型時(shí),實(shí)機(jī)熱疲勞試驗(yàn)不能同步開(kāi)展,因此,熱疲勞模擬試驗(yàn)得到了廣泛應(yīng)用。自1954年Coffin 提出將試件兩端固定,然后進(jìn)行溫度循環(huán)的試驗(yàn)方法以來(lái),熱疲勞模擬試驗(yàn)研究已有將近60年的發(fā)展歷史[5]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱疲勞模擬試驗(yàn)方法多樣,試驗(yàn)裝置已相當(dāng)先進(jìn),然而,以往的試驗(yàn)裝置都沒(méi)有考慮缸蓋實(shí)際工作過(guò)程中所受的預(yù)緊力機(jī)械約束,雖然仿真研究中已經(jīng)考慮到了該因素的影響(熱機(jī)耦合),但熱疲勞模擬試驗(yàn)中還沒(méi)有被涉及,而且預(yù)緊力等機(jī)械約束對(duì)熱疲勞狀態(tài)的影響很大,不僅改變了缸蓋熱應(yīng)力分布和熱變形,還影響了缸蓋壽命預(yù)測(cè),對(duì)其的忽略會(huì)造成與實(shí)際工況之間的誤差,大大降低試驗(yàn)結(jié)果的可信度。因此,有必要為研究考慮機(jī)械約束下的熱疲勞問(wèn)題提供手段,在進(jìn)行缸蓋熱疲勞模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分離并單獨(dú)觀察預(yù)緊力等機(jī)械約束對(duì)缸蓋熱應(yīng)力的影響,從而能夠更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工況下的缸蓋熱疲勞狀態(tài),不僅可以支持仿真研究的發(fā)展,而且對(duì)于改進(jìn)缸蓋零部件設(shè)計(jì)和改善內(nèi)燃機(jī)性能都具有重要意義。
缸蓋熱疲勞模擬試驗(yàn)包含冷循環(huán)和熱循環(huán)兩個(gè)狀況[6],為表征預(yù)緊力等機(jī)械約束的存在對(duì)缸蓋熱應(yīng)力的影響,本研究將通過(guò)測(cè)量并對(duì)比有、無(wú)預(yù)緊力機(jī)械約束時(shí)缸蓋火力面的熱應(yīng)力變化量來(lái)說(shuō)明。
本試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械約束施加機(jī)構(gòu)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)4個(gè)部分組成,其整體框架如圖1所示。
為了給缸蓋施加機(jī)械約束,以便在熱疲勞模擬試驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)力對(duì)比,首先應(yīng)選定機(jī)械約束施加載體,經(jīng)過(guò)初步分析形成的方案有兩種,分別是真機(jī)體方案以及等效剛度下的假機(jī)體方案。
圖1 熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)框架圖Fig.1 Schematic of the thermal fatigue test bench
在條件允許的情況下,最好的方法就是采用真機(jī)體進(jìn)行試驗(yàn),然而,在同步開(kāi)發(fā)新機(jī)型的情況下,可能出現(xiàn)沒(méi)有機(jī)體或者機(jī)體被用于別的試驗(yàn)的情況,此時(shí)采用假機(jī)體可以加快開(kāi)發(fā)周期,同時(shí)達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用效果。
在假機(jī)體方案設(shè)計(jì)中,假機(jī)體采用鍛鋼制造,安裝在活動(dòng)支架上,頂部加工有相應(yīng)的螺紋孔(螺紋孔數(shù)量、直徑與真實(shí)機(jī)體一致),把待測(cè)缸蓋、隔熱墊、缸墊、假機(jī)體順次相連并通過(guò)螺栓固定,預(yù)緊力機(jī)械約束由螺栓來(lái)提供。為模擬缸蓋下方的燃燒室,將假機(jī)體中部以圓柱體形式打穿放置加熱器,其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 假機(jī)體方案示意圖Fig.2 Schematic of simulated cylinder block
若使系統(tǒng)在選定坐標(biāo)方向上產(chǎn)生單位位移,就需要在此坐標(biāo)方向上施加適當(dāng)?shù)牧?,將此力稱為系統(tǒng)在該坐標(biāo)上的等效剛度,為了模擬真實(shí)的預(yù)緊力機(jī)械約束,在假機(jī)體設(shè)計(jì)過(guò)程中,必須按照等效剛度的原則進(jìn)行簡(jiǎn)化,即保證形狀簡(jiǎn)化后的假機(jī)體與幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的真機(jī)體具有同樣的面接觸剛度,對(duì)于待測(cè)缸蓋的面接觸剛度的計(jì)算公式如下:
式中:K 為缸蓋的面接觸剛度;F為施加在接觸面上的力;ΔS 為沿剪力方向的相對(duì)位移。
在假機(jī)體設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先查出與待測(cè)缸蓋配套的發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù),將其導(dǎo)入仿真模型中,計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)未運(yùn)行時(shí)實(shí)際缸蓋的位移場(chǎng),進(jìn)而得到缸蓋的面接觸剛度,同時(shí)對(duì)假機(jī)體進(jìn)行建模并按圖2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,不斷更改假機(jī)體形狀和尺寸,直至滿足等效剛度要求。
由于采用真實(shí)機(jī)體更有利于模擬缸蓋實(shí)際熱疲勞狀態(tài),因此本研究中采用真機(jī)體作為機(jī)械約束施加的載體,擬用的某型發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如下:氣缸數(shù)為6;缸徑為126mm;行程為130mm;總排量為9.726 L;額定功率為175kW;額定轉(zhuǎn)速為2200r/min;最大扭矩為1000N·m。
為了將預(yù)緊力機(jī)械約束從缸蓋熱疲勞模擬的影響因素中分離出來(lái),將真機(jī)體中的連桿、活塞、曲軸等無(wú)關(guān)部件拆除,只保留施加機(jī)械約束的相關(guān)部分,通過(guò)施加實(shí)際裝配力矩來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中缸蓋受到的預(yù)緊力機(jī)械約束。由企業(yè)資料查得,每個(gè)缸蓋共有4個(gè)主螺栓和2個(gè)輔助螺栓進(jìn)行裝配,主螺栓的實(shí)際裝配力矩為240N·m,輔助螺栓的實(shí)際裝配力矩為120N·m,將力矩?cái)?shù)值輸入預(yù)置式扭力扳手,按照實(shí)際裝配流程和裝配順序?qū)λ新菟▽?shí)施加載,從而對(duì)缸蓋施加預(yù)緊力機(jī)械約束。
缸蓋熱疲勞加熱方式有石英燈加熱、高頻感應(yīng)加熱、紅外加熱等[7],多種研究資料表明[8-9],感應(yīng)加熱是最經(jīng)濟(jì)、最節(jié)能的加熱方法,可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同形狀的加熱器,實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱零件表面溫度分布的較精確模擬[10],因此,本試驗(yàn)采用感應(yīng)加熱方式進(jìn)行加熱。
加熱系統(tǒng)包括感應(yīng)加熱器、電源控制柜以及負(fù)載電容柜等,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)時(shí)的缸蓋溫度場(chǎng)數(shù)據(jù),鼻梁區(qū)附近溫度最高,因此將感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)為盤(pán)式蚊香形狀,并在形狀上做了一些改進(jìn)使之形成的溫度場(chǎng)接近缸蓋實(shí)測(cè)溫度場(chǎng),將其從氣缸底部伸入缸內(nèi),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的缸蓋火力面溫度場(chǎng)的模擬。
缸蓋熱疲勞冷卻方式有水冷、風(fēng)冷等,由于本研究中采用真機(jī)體作為熱疲勞試驗(yàn)載體,因此采用與原機(jī)相同的水冷卻方式。
冷卻系統(tǒng)包括恒溫水槽、進(jìn)水管、出水管、水泵、電磁閥、電磁流量計(jì)和水壓傳感器。針對(duì)本試驗(yàn)所選用的機(jī)型,利用機(jī)體內(nèi)的冷卻水道,將進(jìn)水管和出水管分別接入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水口,完成整個(gè)冷卻系統(tǒng)的水路循環(huán),試驗(yàn)時(shí)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和電磁閥開(kāi)度,使得冷卻水的溫度、流量和進(jìn)水的壓力均與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)參數(shù)保持一致。
測(cè)控系統(tǒng)包括相關(guān)傳感器以及數(shù)據(jù)采集和控制裝置。在試驗(yàn)過(guò)程中,需要采集的數(shù)據(jù)包括缸蓋火力面溫度、缸蓋火力面應(yīng)力、冷卻水流量、冷卻水溫度、進(jìn)水壓力等信號(hào)。其中,缸蓋火力面上的溫度通過(guò)熱電偶測(cè)出,缸蓋火力面上的應(yīng)力通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變并計(jì)算得到,冷卻水流量通過(guò)電磁流量計(jì)測(cè)出,冷卻水溫度通過(guò)恒溫水槽中的水溫傳感器測(cè)出,進(jìn)水壓力通過(guò)水壓傳感器測(cè)出。各傳感器信號(hào)通過(guò)CompactDAQ 采集平臺(tái)進(jìn)行采集,并且輸入到上位機(jī)和可編程控制器(PLC)中作為系統(tǒng)控制的參量,通過(guò)控制感應(yīng)加熱電壓來(lái)調(diào)節(jié)加熱強(qiáng)度,控制冷卻水流量和溫度來(lái)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度,對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。
由于熱電偶安裝時(shí)必須在缸蓋上打孔,會(huì)對(duì)待測(cè)缸蓋結(jié)構(gòu)造成一定破壞,為排除該因素對(duì)熱疲勞模擬和熱應(yīng)力測(cè)試的影響,本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了溫度控制和時(shí)間控制的兩種不同控制模式。
在溫度控制模式下,將熱電偶測(cè)得的缸蓋火力面溫度作為判據(jù),當(dāng)溫度值達(dá)到設(shè)定的加熱、冷卻溫度時(shí),可編程控制器(PLC)將進(jìn)行調(diào)節(jié)。在時(shí)間控制模式下,將加熱和冷卻時(shí)間作為判據(jù),只需設(shè)定加熱和冷卻的時(shí)間,就可完成熱疲勞模擬功能。通過(guò)兩次缸蓋火力面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得知,二者試驗(yàn)效果相似,而且后者無(wú)需安裝熱電偶,避免了因結(jié)構(gòu)破壞帶來(lái)的誤差,但是前提是必須獲得準(zhǔn)確的加熱和冷卻時(shí)間數(shù)據(jù)。
在進(jìn)行正式試驗(yàn)時(shí),首先應(yīng)采用溫度控制模式進(jìn)行熱疲勞模擬試驗(yàn),記錄下平均加熱和冷卻時(shí)間,然后,選取同型缸蓋,采用時(shí)間控制模式進(jìn)行熱應(yīng)力對(duì)比試驗(yàn)。該方法就可將結(jié)構(gòu)因素排除,得到準(zhǔn)確的熱應(yīng)力數(shù)值。
選取一個(gè)待測(cè)缸蓋,命名為缸蓋1,首先在缸蓋1上安裝熱電偶,進(jìn)行溫度控制模式下的熱疲勞試驗(yàn),為了在能反應(yīng)缸蓋火力面溫度場(chǎng)的前提下盡量減少結(jié)構(gòu)破壞,測(cè)點(diǎn)數(shù)目應(yīng)盡量少,同時(shí)應(yīng)盡量靠近鼻梁區(qū)、噴油嘴及進(jìn)排氣門(mén),溫度測(cè)點(diǎn)的分布見(jiàn)圖3。
圖3 缸蓋1溫度測(cè)點(diǎn)分布Fig.3 Temperature test point of cylinder head 1
使用溫度控制模式進(jìn)行缸蓋1的熱疲勞模擬試驗(yàn)。設(shè)置溫度循環(huán)范圍為100~300℃,冷卻水溫度、流量和進(jìn)水壓力調(diào)至發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定工況(2200r/min)下的實(shí)測(cè)值,循環(huán)次數(shù)為3000次,測(cè)得平均加熱時(shí)間為30s,平均冷卻時(shí)間為55s,此時(shí)的缸蓋火力面溫度變化曲線見(jiàn)圖4。
圖4 缸蓋火力面溫度曲線Fig.4 Cylinder head surface temperature curve
由圖4可知:位于缸蓋鼻梁區(qū)附近的測(cè)點(diǎn)1溫度最高,偏離鼻梁區(qū)的測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4溫度較低,而最靠近火力面邊緣處的測(cè)點(diǎn)2溫度最低,與理論預(yù)測(cè)的溫度分布規(guī)律相符。
為了分析預(yù)緊力等機(jī)械約束對(duì)缸蓋熱應(yīng)力的影響,需要進(jìn)行有機(jī)械約束和無(wú)機(jī)械約束下的缸蓋火力面熱應(yīng)力對(duì)比試驗(yàn),選取兩個(gè)與缸蓋1同型的缸蓋,分別命名為缸蓋2和缸蓋3,先將兩個(gè)缸蓋拆下,在這兩個(gè)缸蓋上的相同位置安裝應(yīng)力測(cè)點(diǎn),由于鼻梁區(qū)附近易出現(xiàn)應(yīng)力集中和疲勞斷裂,需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè),應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的分布見(jiàn)圖5。
圖5 缸蓋2和3應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布Fig.5 Stress test point of cylinder head 2&3
將缸蓋2裝到機(jī)體上,但不施加任何機(jī)械約束,此時(shí)缸蓋機(jī)械應(yīng)力為0,進(jìn)行無(wú)機(jī)械約束下的熱疲勞模擬試驗(yàn),采用時(shí)間控制模式,設(shè)置加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間分別為30s和55s,其他試驗(yàn)條件保持不變,測(cè)量缸蓋火力面上的應(yīng)變。
將缸蓋3裝到機(jī)體上,施加機(jī)械約束直至達(dá)到實(shí)際裝配力矩,測(cè)量此時(shí)缸蓋的機(jī)械應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)其結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)資料中的測(cè)試值相似,證明此時(shí)缸蓋的機(jī)械約束狀態(tài)與實(shí)際接近。隨后校正應(yīng)變電路,將機(jī)械應(yīng)力歸零后,進(jìn)行機(jī)械約束下的熱疲勞模擬試驗(yàn),測(cè)量缸蓋熱應(yīng)力的變化,采用時(shí)間控制模式,所有試驗(yàn)條件與缸蓋2試驗(yàn)時(shí)相同。
由企業(yè)資料得到,待測(cè)缸蓋的楊氏彈性模量為135GPa,經(jīng)過(guò)計(jì)算,繪制出4條缸蓋火力面上的熱應(yīng)力變化曲線,對(duì)比分析兩個(gè)測(cè)點(diǎn)所得熱應(yīng)力曲線的變化結(jié)果如圖6所示。
圖6 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)熱應(yīng)力曲線Fig.6 Thermal stress test curve
針對(duì)以上熱應(yīng)力曲線,從趨勢(shì)上分析可知,在有機(jī)械約束的情況下,熱應(yīng)力峰值變化明顯,應(yīng)力變化趨勢(shì)也較尖銳。從數(shù)值上分析可知,在有機(jī)械約束的情況下,其熱應(yīng)力普遍高于無(wú)機(jī)械約束情況下的熱應(yīng)力,由應(yīng)力測(cè)點(diǎn)1得到的二者最大熱應(yīng)力相對(duì)誤差達(dá)20.8%,平均相對(duì)誤差為13.7%;由應(yīng)力測(cè)點(diǎn)2得到的二者最大熱應(yīng)力相對(duì)誤差達(dá)25.2%,平均相對(duì)誤差為18.4%,可見(jiàn)預(yù)緊力等機(jī)械約束對(duì)缸蓋熱應(yīng)力變化有著顯著影響。因此,預(yù)緊力等機(jī)械約束的施加與否會(huì)導(dǎo)致缸蓋熱應(yīng)力狀態(tài)和熱疲勞狀態(tài)的大幅改變,可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差,進(jìn)一步說(shuō)明了在缸蓋熱疲勞模擬問(wèn)題研究中,機(jī)械約束的影響是不可忽視的。
本文分離并單獨(dú)觀察了預(yù)緊力等機(jī)械約束的存在對(duì)缸蓋熱應(yīng)力的影響,設(shè)計(jì)了缸蓋熱疲勞模擬試驗(yàn)以及有、無(wú)機(jī)械約束下的缸蓋熱應(yīng)力對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:與有機(jī)械約束情況相比,未施加機(jī)械約束時(shí)缸蓋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的最大熱應(yīng)力相對(duì)誤差高于20%,平均相對(duì)誤差則高于10%,說(shuō)明機(jī)械約束對(duì)于缸蓋熱應(yīng)力具有顯著影響,達(dá)到了試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)目的,為研究熱疲勞問(wèn)題(特別是考慮機(jī)械約束下的熱疲勞問(wèn)題)提供了方法,同時(shí)進(jìn)一步說(shuō)明了在缸蓋熱疲勞模擬問(wèn)題研究中,機(jī)械約束的影響是不可忽視的。缸蓋預(yù)緊力約束與缸蓋熱疲勞狀況之間的影響是雙向的,通過(guò)缸蓋預(yù)緊力約束變化來(lái)研究其對(duì)熱疲勞的影響是一個(gè)方向,缸蓋熱疲勞狀況的變化反過(guò)來(lái)也會(huì)對(duì)預(yù)緊力有影響,可能會(huì)造成預(yù)緊力變化(即裝配力矩變化),而裝配力矩過(guò)大或不足又會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的性能變化,這種雙向耦合影響關(guān)系將為后續(xù)的試驗(yàn)研究提供借鑒。
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