柴油機(jī)高壓油管接頭冷鐓工藝優(yōu)化研究

胡廣云，王奎，向賢念，王雁冰（中船動(dòng)力研究院有限公司，上海200129）

柴油機(jī)高壓油管接頭冷鐓工藝優(yōu)化研究

胡廣云，王奎，向賢念，王雁冰
（中船動(dòng)力研究院有限公司，上海200129）

針對(duì)某型船用柴油機(jī)高壓油管接頭斷裂事故，采用有限元仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究高壓油管接頭在冷鐓成型過程中的材質(zhì)的流線型以及內(nèi)孔的尺寸。通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了冷鐓管胚進(jìn)料長(zhǎng)度尺寸對(duì)成型材質(zhì)流線及內(nèi)孔尺寸的影響，然后探討了冷鐓次數(shù)對(duì)成型結(jié)果的影響，為高壓油管接頭冷鐓成型方案的改進(jìn)提供了很好的參考。

柴油機(jī)高壓油管接頭冷鐓成型流線

1 引言

為了滿足船舶柴油機(jī)低油耗、高功率的要求，柴油機(jī)廠大多采用提高爆發(fā)壓力和供油壓力的方式。這種方法加劇了機(jī)體的振動(dòng)，使得高壓油管組件的工作條件更加惡劣，常會(huì)導(dǎo)致高壓油管斷裂失效的發(fā)生[1～2]。高壓油管的斷裂會(huì)導(dǎo)致燃油的泄漏和異常停機(jī)，嚴(yán)重的還會(huì)造成人員的傷害。

本文通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了冷鐓管胚進(jìn)料長(zhǎng)度尺寸對(duì)成型材質(zhì)流線及內(nèi)孔尺寸的影響，探討了冷鐓次數(shù)對(duì)成型結(jié)果的影響，分析不同的冷鐓成型方案。

2 高壓油管接頭

某型船用柴油機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)高壓油管組件接口處漏油，經(jīng)拆卸檢查發(fā)現(xiàn)，均為高壓油管接頭處發(fā)生徑向斷裂。高壓油管接頭采用Φ10×3毛坯管，并用EF50-6型冷墩機(jī)進(jìn)行冷墩。冷鐓成型后的管接頭尺寸示意圖如圖1所示。管接頭主要尺寸包括接頭錐面角度α、接頭最大直徑D、內(nèi)孔頂端圓角尺寸Ra、接頭頂端圓角尺寸Rb、接頭長(zhǎng)度L、接頭與管部連接部位圓角尺寸Rc和油孔內(nèi)孔徑d。

本文中該高壓油管接頭主要特征尺寸要求如表1所示。

圖1 高壓油管接頭尺寸示意圖

3 有限元分析

高壓油管接頭冷鐓成型的有限元模型如圖2所示。根據(jù)模型的對(duì)稱性，采用軸對(duì)稱模型進(jìn)行仿真計(jì)算，選取的單元類型為CAX4R，單元尺寸為0.3 mm，冷墩模具沖頭及夾具使用解析剛體進(jìn)行建模。由于采用拉格朗日方法對(duì)高壓油管接頭進(jìn)行冷鐓成型的仿真模擬，網(wǎng)格單元的節(jié)點(diǎn)固定在材料內(nèi)，節(jié)點(diǎn)隨材料一起流動(dòng)[3～4]，因此可以根據(jù)網(wǎng)格線來判斷冷鐓過程高壓油管接頭內(nèi)部的材料型線變化。

在管接頭冷鐓成型仿真分析中，夾具作為固支約束；管子被夾具夾住的部分作為固支約束；冷墩模具沖頭1、2、3依次沿軸向按照“進(jìn)料長(zhǎng)度”方向（Y軸負(fù)方向）進(jìn)行強(qiáng)制位移約束，沖頭3的尺寸為高壓油管接頭外側(cè)的最終尺寸。

毛坯管的材料牌號(hào)為20CrMoA，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度7.8×10-6，材料的屈服強(qiáng)度為319MPa，抗拉極限為479MPa，材料的延伸率約為30.5%。

為便于觀察高壓油管冷鐓后材質(zhì)流線變化和可能產(chǎn)生的徑向缺陷，所有仿真均使用油孔徑向方向位移（U2）結(jié)果作為評(píng)價(jià)依據(jù)。

根據(jù)高壓油管冷鐓后的鉸孔及倒圓角加工，對(duì)于內(nèi)徑小于鉸孔尺寸（Φ4.3mm）的冷鐓方案，可通過鉸孔消除冷鐓造成的初始缺陷。因此對(duì)冷鐓方案的仿真結(jié)果評(píng)價(jià)主要指標(biāo)為：（1）接頭內(nèi)徑最大處是否滿足Φ4.3mm要求；（2）內(nèi)外部表面是否飽滿；（3）材質(zhì)流線是否平滑。

經(jīng)過沖頭1、沖頭2和沖頭3的三道沖壓作用，毛坯管沿Y方向的位移結(jié)果如圖3所示。從仿真結(jié)果顯示，毛坯管材質(zhì)型線較為流暢，接頭內(nèi)外部表面飽滿，但接頭內(nèi)孔徑尺寸大于要求的4.3 mm，沒有達(dá)到內(nèi)孔徑的加工指標(biāo)，內(nèi)孔加工完成后會(huì)出現(xiàn)缺陷。

對(duì)比仿真分析結(jié)果，在高壓油管接頭的實(shí)物加工中也出現(xiàn)了類似的缺陷。

圖3 仿真計(jì)算結(jié)果

高壓油管接頭真實(shí)破壞情況如圖4所示。根據(jù)管接頭冷鐓成型仿真計(jì)算結(jié)果可以判斷，內(nèi)徑出現(xiàn)缺陷的位置產(chǎn)生了疲勞斷裂。

圖4 實(shí)際斷裂情況

4 管胚進(jìn)料長(zhǎng)度尺寸對(duì)管接頭成型的影響

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證方案

根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果以及實(shí)際油管接頭斷裂情況，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)可知，冷鍛過程油管內(nèi)孔產(chǎn)生的缺陷主要是由于材料不足產(chǎn)生，因此下面研究不同進(jìn)料長(zhǎng)度對(duì)冷鐓過程油管內(nèi)孔填充以及材質(zhì)流線的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和冷鐓機(jī)的參數(shù)要求，設(shè)置三組不同進(jìn)料長(zhǎng)度的改進(jìn)方案，進(jìn)料長(zhǎng)度分別為27.5、29和29.3mm。

方案1管接頭冷鐓成型仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，高壓管接頭內(nèi)外表面材料飽滿，但是材質(zhì)型線不夠流暢，并且管接頭內(nèi)孔出現(xiàn)褶皺。從試驗(yàn)結(jié)果可知，材質(zhì)型線與內(nèi)孔褶皺與仿真結(jié)果基本一致，但內(nèi)孔徑的尺寸不一致。仿真結(jié)果顯示接頭內(nèi)孔徑滿足油管內(nèi)孔徑的要求，但試驗(yàn)結(jié)果表明沒有達(dá)到該首要指標(biāo)。

圖5 方案1仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果

方案2結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，管接頭內(nèi)外部表面飽滿，材質(zhì)型線較為流暢，接頭內(nèi)孔基本無褶皺，接頭內(nèi)孔徑滿足要求。從試驗(yàn)結(jié)果來看，材質(zhì)型線較為流暢，內(nèi)孔有褶皺但較為平緩，與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致，但內(nèi)孔徑的尺寸不滿足內(nèi)孔徑的尺寸要求。

圖6 方案2仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果

方案3仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從仿真結(jié)果可以看出，管接頭外部表面未填滿，材質(zhì)型線不流暢，接頭內(nèi)孔有少許褶皺，接頭內(nèi)孔徑尺寸滿足要求。從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，與仿真結(jié)果類似，管接頭材質(zhì)型線不流暢，內(nèi)孔有褶皺，但內(nèi)孔徑的尺寸不滿足要求。

圖7 方案3仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果

4.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

通過對(duì)三組不同冷鐓管胚進(jìn)料長(zhǎng)度尺寸下冷鐓過程的仿真模擬以及試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，可以得到仿真分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)情況的相同點(diǎn)和差異，具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

（1）仿真結(jié)果顯示的內(nèi)孔徑與實(shí)際試驗(yàn)相比偏小。由于內(nèi)孔需要進(jìn)行機(jī)加工餃孔，需要冷墩后具有較小的孔徑（≤Φ4.3mm），因此對(duì)于該項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)對(duì)仿真結(jié)果提出更高要求，以滿足實(shí)際制造要求。

（2）仿真結(jié)果內(nèi)孔材質(zhì)褶皺比實(shí)際情況平緩，實(shí)際制造時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)孔材質(zhì)褶皺將比仿真結(jié)果更為嚴(yán)重。

（3）仿真結(jié)果對(duì)接頭處的冷墩成型趨勢(shì)，材料堆積位置及模具填充飽和性的擬合度較高，其仿真結(jié)果是值得參考的。

由于一些復(fù)雜的因素，如冷墩成型的工藝特性對(duì)材料參數(shù)、冷墩后材料回彈和相關(guān)裝夾組件的影響等，導(dǎo)致了仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了上述偏差，仿真結(jié)果的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)果，因此為了保證實(shí)際制造時(shí)的可行性，針對(duì)仿真結(jié)果應(yīng)預(yù)留一定的余量。

5 冷鐓次數(shù)對(duì)管接頭成型影響

單次冷鐓變形量過大會(huì)造成冷鐓后材質(zhì)流線及成型的不理想，因此考慮采用增加冷鐓成型的次數(shù)，通過減少單次冷鐓的變形量來改善管接頭的冷鐓成型過程。于是設(shè)計(jì)了一組5次成型的方案，研究冷鐓次數(shù)對(duì)管接頭成型過程的影響。

5次成型的有限元模型如圖8所示。圖中有5個(gè)沖頭模具，從沖頭1開始依次對(duì)管接頭毛坯管進(jìn)行沖壓，沖頭5的形狀為高壓油管接頭的最終尺寸。

圖8 5次冷鐓成型有限元模型

5次冷鐓成型仿真結(jié)果和解剖結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，管接頭外表面材料已填滿，內(nèi)孔尺寸滿足要求，材料型線較為流暢。按照5次冷鐓成型的方案，試制一批次的高壓油管，裝機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后拆卸。從圖中可以看出，剖面未出現(xiàn)疲勞裂紋萌生，獲得了預(yù)期的效果。

圖9 五次冷鐓成型仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果分析與討論

將不同方案的仿真結(jié)果匯總見表2。從表中可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著進(jìn)料長(zhǎng)度的增加，冷鐓成型的毛坯管內(nèi)外表面、內(nèi)部材料的型線和內(nèi)孔尺寸能更好地滿足要求，但當(dāng)進(jìn)料長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致毛坯管內(nèi)外表面出現(xiàn)褶皺，材料的型線也會(huì)有較大的影響。對(duì)比不同冷鐓次數(shù)的冷鐓成型方案可以看出，當(dāng)冷鐓次數(shù)從3次增加到5次時(shí)，成型的毛坯管對(duì)應(yīng)的內(nèi)外表面的飽滿程度、材料的型線和內(nèi)孔的尺寸都能很好地滿足要求。結(jié)合以上研究?jī)?nèi)容，選用了5次成型作為改進(jìn)方案，成本增加約10%，目前尚未出現(xiàn)類似的斷裂事故。

表2 仿真計(jì)算結(jié)果匯總

6 總結(jié)

通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，分析不同管胚進(jìn)料長(zhǎng)度尺寸和對(duì)冷鐓次數(shù)的研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）進(jìn)料長(zhǎng)度對(duì)模具填充率和內(nèi)孔徑具有較大的影響。進(jìn)料長(zhǎng)度大，則填充率高，內(nèi)孔徑小。

（2）過大的進(jìn)料長(zhǎng)度會(huì)降低材質(zhì)流線質(zhì)量，甚至產(chǎn)生材質(zhì)摺疊缺陷。增加冷鐓次數(shù)能很好地控制材料堆積情況和流線。

[1]王雁冰，胡廣云，宋雅麗等.某柴油機(jī)高壓油管冷鐓接頭斷裂問題分析[J].柴油機(jī)，2013，35（6）：40-43.

[2]白書戰(zhàn)，賈迎軍，張海龍等.基于振動(dòng)測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管斷裂問題分析[J]內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2007（3）：49-52.

[3]孫江龍，楊文玉，楊俠等.拉格朗日、歐拉和任意拉格朗日-歐拉描述的有限元分析[C].//第二十一屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第八屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)術(shù)會(huì)議暨兩岸船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文集.2008：1024.

[4]王赤,應(yīng)保勝,田德旺等.基于拉格朗日公式的冷軋有限元分析[J].鍛壓技術(shù),2006,31(5)：29-32.

[5]Benson JP,EdmondsD V,Effectofm icrostructure on fatigue in threshold region in low-allow steel[J] MetalScience,1978,12(5)：223-232.

The ProcessOptimization Study ofCold Heading for High Pressure Fuel Pipe JointofDieselEngine

Hu Guangyun,Wang Kui,Xiang Xiannian,Wang Yanbing
（China Shipbuilding Power Engineering Institute Co.,Ltd.,Shanghai200129,China）

For the rupture of high pressure fuel pipe joint of amarine diesel engine,finite element method and experimentwere combined to study thematerial streamline and the inner hole size of the fuel pipe in the cold heading process.The effectof the feeding length on thematerial streamline and the inner hole size was studied,and the effect of cold heading times on the shaping result was discussed,which providesagood reference for the developmentof the cold heading process.

dieselengine,high pressure fuelpipe joint,cold heading,stream line

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.010

來稿日期：2017-02-17

胡廣云（1978-），女，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)CAE技術(shù)。