HT240材料發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞試驗(yàn)及性能分析

任曉莉，許回江，史艷莉

（1.西安交通大學(xué) 城市學(xué)院機(jī)械工程系，西安 710018；2.陜柴重工西安電站工程分公司 技術(shù)中心，西安 710077）

缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)部件，其主要材料有灰鑄鐵（HT200-HT400）、鋁合金及蠕墨鑄鐵[1]。缸體材料的選擇是根據(jù)缸體結(jié)構(gòu)、工作性能要求和材料特性來(lái)確定的。灰鑄鐵材料仍以其成本低、耐腐蝕、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中被普遍采用，多以 HT250作為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體材料，也有某些缸體采用HT240材料。缸體在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中主要承受交變應(yīng)力，易疲勞破壞，這直接影響到缸體的使用壽命。目前 HT250材料的缸體的疲勞試驗(yàn)已有研究[2]，而HT240材料的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞壽命研究還屬空白，故根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，對(duì)該缸體進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要用于確定缸體燃燒室壁和主軸承壁的疲勞強(qiáng)度。

1.1 試驗(yàn)原理

該試驗(yàn)參照奧地利 AVL公司的缸體疲勞試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)設(shè)備采用長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司研制的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞試驗(yàn)機(jī)[3-4]，其最大靜態(tài)試驗(yàn)壓力為42 MPa。

該次缸體疲勞試驗(yàn)進(jìn)行全缸（四缸）加載，試驗(yàn)循環(huán)基數(shù)為 5.0×106次，以發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷為基準(zhǔn)，確定在最大負(fù)荷下的疲勞極限安全值。

為了評(píng)定缸體在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況下的可靠性，需要模擬實(shí)際工況對(duì)缸體施加一定的脈動(dòng)載荷來(lái)完成缸體疲勞試驗(yàn)。為此，將液壓設(shè)備輸出的高壓液壓油注入到模擬活塞的上部空間[2]，對(duì)模擬活塞施加一定的脈動(dòng)力，該力通過(guò)相關(guān)工裝傳遞到活塞連桿系統(tǒng)，然后傳遞到主軸承蓋，來(lái)考核主軸承壁的承載能力。液壓力直接作用在缸體燃燒室壁，以此考核缸體（缸套）的耐壓性能。通過(guò)以上兩種試驗(yàn)也考核了缸體整體承受脈動(dòng)載荷的能力。

1.2 試驗(yàn)方法

HT240材料試驗(yàn)缸體樣品數(shù)共4件。在缸體疲勞試驗(yàn)中施加的脈動(dòng)壓力的大小，基于缸體（或缸套）的耐壓性能和其他零件的承載能力，以及缸體主軸承承載能力，試驗(yàn)采用負(fù)荷增加法。負(fù)荷增加法是先對(duì)一個(gè)試驗(yàn)樣品進(jìn)行估值加載，這個(gè)值不能太大，否則會(huì)損壞試件。在試件通過(guò)估值加載沒(méi)有受損的情況下，在原估計(jì)數(shù)值的基礎(chǔ)上將加載載荷提高 15%～25%。依此類推，直到試件損壞為止[5]。將試件損壞前一次的加載值作為此次試驗(yàn)的安全壓力值。

1.3 試驗(yàn)對(duì)象及工裝

完整的試驗(yàn)樣品應(yīng)是缸體、主軸承蓋、主軸承蓋螺栓、主軸承瓦、活塞、活塞銷、連桿總成、缸墊、缸蓋螺栓、缸套等零部件的總成。連桿螺栓、缸蓋螺栓及主軸承蓋螺栓均應(yīng)按照規(guī)定的扭矩和順序進(jìn)行裝配。

試驗(yàn)工裝包括模擬曲軸、模擬活塞和模擬缸蓋。模擬曲軸為直通式并從主軸承座中間處斷開(kāi)。試驗(yàn)工裝能夠保證給缸體施加一定的壓力，同時(shí)能夠裝夾試驗(yàn)傳感器以及供油管道。另外，由于試驗(yàn)壓力通過(guò)液壓油施加，所以試驗(yàn)工裝必須有良好的密封性，以確保能夠承受足夠的液壓壓力。

1.4 試驗(yàn)準(zhǔn)備及缸體基本參數(shù)

按一定的順序?qū)⒛M曲軸、主軸承蓋、螺釘、模擬活塞及缸墊等安裝在缸體上，最后安裝進(jìn)回油管和傳感器，并使用應(yīng)變儀進(jìn)行壓力標(biāo)定。

表1 缸體基本參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及數(shù)據(jù)處理

2.1 燃燒室壁疲勞試驗(yàn)

缸體燃燒室部位的試驗(yàn)結(jié)果及探傷情況見(jiàn)表2、圖 1—圖3，從圖中可看到著色探傷缸體容易斷裂部位及薄弱位置。

表2 燃燒室壁試驗(yàn)結(jié)果

圖1 1#缸體第一缸和第二缸缸套部位損壞

缸壁燃燒室薄弱部位基本都在缸體上部，缸體開(kāi)孔、切槽處易出現(xiàn)疲勞裂紋。隨著缸內(nèi)壓力的增加，循環(huán)次數(shù)也在減少；該批缸體在 509萬(wàn)次循環(huán)次數(shù)下，存活率為50%的安全壓力不低于17 MPa。

圖2 2#缸體第二缸缸套部位損壞

圖3 3#缸體一、二和二、三缸缸套部位損壞

2.2 缸體主軸承壁試驗(yàn)

缸體主軸承壁部位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果見(jiàn)表3、圖4、圖 5，從圖中可看到探傷結(jié)果所顯示的缸體主軸承壁斷裂部位及薄弱位置。經(jīng)分析，該批缸體主軸承在50%存活率下的安全壓力不低于21 MPa。

表3 缸體主軸承壁試驗(yàn)結(jié)果

2.3 疲勞實(shí)驗(yàn)

由于缸體燃燒室壁的疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示的安全壓力低于缸體主軸承壁的安全壓力，故只對(duì)缸體燃燒室壁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖4 1#缸體第1主軸承壁損壞情況

圖5 2#缸體第5主軸承壁損壞情況

目前對(duì)高周疲勞（試樣和零件在高于 104～105次載荷循環(huán)而產(chǎn)生的疲勞）最常用的疲勞評(píng)價(jià)方法是采用S-N曲線[6]，即材料應(yīng)力幅S與破壞發(fā)生時(shí)的循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線，形成的數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)有很大的作用[7]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式[8]為：

SNm=C

式中：m，C為材料常數(shù)，與材料性質(zhì)、試件形式和加載方式等因素有關(guān)。通常循環(huán)次數(shù)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，應(yīng)力幅也可采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。以對(duì)數(shù)的形式給出S-N曲線：

lgS+mlgN=lgC

在小于107循環(huán)數(shù)處，S-N曲線將近似為一條直線。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，擬合出中值對(duì)數(shù)S-N曲線，見(jiàn)圖6。該曲線表明缸體運(yùn)行5×106次時(shí)存活率50%不發(fā)生破壞的疲勞極限為σr＝17.89 MPa（r為循環(huán)比）。

圖6 中值lgS-lgN曲線

3 結(jié)論

1）該缸體缸壁上半部分為薄弱部位。缸體開(kāi)孔、切槽處易出現(xiàn)疲勞裂紋。

2）材料為HT240的該批缸體在50%存活率下不發(fā)生破壞的疲勞極限為17.89 MPa。

3）本批缸體主軸承在21 MPa下運(yùn)行5.0×106次未破壞。

4) 試驗(yàn)表明，該批次缸體基本滿足設(shè)計(jì)要求。

該試驗(yàn)通過(guò)對(duì)待批量生產(chǎn)的 HT240缸體疲勞性能進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也對(duì)相關(guān)零件的疲勞性能進(jìn)行了檢驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)中損壞的部位確定其應(yīng)力薄弱部位，為該發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的優(yōu)化設(shè)計(jì)及材料的改進(jìn)提供了依據(jù)。

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