燃油泵某活門組件卡滯故障仿真及參數(shù)優(yōu)化

(中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司設計研究所， 陜西 西安 710077)

引言

某燃油泵應急放油活門，其工作原理是活門在接收到放油信號后，活門兩端受力不平衡，使得活門向壓縮彈簧的方向移動，將泵后燃油放到應急放油出口，實現(xiàn)應急放油功能。應急放油活門在試驗時，出現(xiàn)放油功能不能正?？刂频墓收犀F(xiàn)象，初步判斷活門可能出現(xiàn)卡滯。經(jīng)結(jié)構分解檢查，發(fā)現(xiàn)活門和襯套周向均勻分布有4處細小的帶狀磨損痕跡，活門和襯套上磨損痕跡位置及形貌保持一致，磨損痕跡表面呈樹皮狀凹凸不平的縱紋，磨痕表面沒有撕裂的斷口形貌。在掃描電鏡下檢查， 活門磨損痕跡局部表面呈層片狀或坑點狀剝落，見圖1，局部發(fā)生相互粘著，使活門和襯套縱向運動的摩擦力大幅增加，從而使得活門不能縱向運動而發(fā)生卡死。

圖1 放油活門卡滯故障現(xiàn)象

由于高溫環(huán)境下難以對活門襯套的實際變形量進行精確計量，因而增加了活門組件卡滯現(xiàn)象排故的難度。本研究使用非線性接觸方法[1-2]，欲對故障現(xiàn)象進行復現(xiàn)，同時使用故障樹分析方法分析導致故障發(fā)生的所有可能因素，最后采用優(yōu)化方法，對活門組件間隙進行優(yōu)化設計。

2 活門組件在溫度、壓力耦合作用下的數(shù)值仿真分析

2.1 三維模型建立及網(wǎng)格劃分

兼顧仿真計算規(guī)模與仿真精度要求，僅建立活門組件幾何模型，彈簧、殼體等幾何模型采用相關載荷或約束替代。活門和襯套均選用9Cr18材料，其彈性模量、泊松比及0～100 ℃熱膨脹系數(shù)分別為200 GPa，0.27，10.5e-6C-1。使用ANSYS Meshing軟件對活門組件進行網(wǎng)格劃分時，采用四面體非結(jié)構化網(wǎng)格，依照仿真精度與網(wǎng)格無關性原則確定各零件網(wǎng)格劃分的全局尺寸，對活門組件間可能出現(xiàn)接觸的區(qū)域使用contact sizing進行局部網(wǎng)格控制[3-6]，最終建立活門組件有限元模型，見圖2，其單元總數(shù)為181045，節(jié)點總數(shù)為 301352。

2.2 載荷及邊界條件設置

1) 載荷

應急放油活門組件實際工作在80 ℃高溫環(huán)境，同時受到8 MPa燃油壓力及1290 N彈簧力(方向平行于面法向且與活門運動方向相反)共同作用，活門組件整體施加80 ℃溫度載荷，見圖3。

圖2 活門組件有限元模型

圖3 載荷施加示意圖

2) 邊界條件定義

為了防止活門在計算過程中在切向出現(xiàn)剛體位移，使用Displacement約束類型，約束切向自由度, 根據(jù)活門實際移動的距離，并對軸向施加1.5 mm位移；對襯套與殼體止靠的端面施加Displacement約束[7-10]，約束其軸向和切向自由度?；铋T和襯套間的間隙范圍為0.01～0.012 mm，活門和襯套間定義非線性接觸對Frictional contact，通過調(diào)整接觸參數(shù)offset[4]來建立活門、襯套間的間隙，針對活門襯套的間隙范圍，分別建立最小0.01 mm和最大0.012 mm兩種接觸間隙有限元模型，見圖4。

圖4 邊界施加示意圖

2.3 仿真計算及結(jié)果分析

針對活門和襯套間2種不同間隙，分別進行非線性接觸分析，計算出活門組件在試驗工況下的接觸壓力及變形結(jié)果等，見表1。

表1 兩種不同間隙的活門組件變形情況對比

通過對比分析得出以下結(jié)論：

(1) 兩種間隙下，活門襯套間均有接觸壓力，說明在該工況及邊界條件下，兩者均會在接觸壓力不為0的位置出現(xiàn)接觸現(xiàn)象；

(2) 將兩種間隙下接觸壓力仿真云圖結(jié)果與活門卡滯故障照片進行對比分析可以看出，活門、襯套接觸區(qū)域與試驗時活門、襯套磨損區(qū)域及形貌完全一致，活門、襯套周向均布4處接觸區(qū)域，說明通過此仿真分析方法正確復現(xiàn)了活門卡滯故障現(xiàn)象，驗證了仿真分析方法的合理性；

(3) 在保持試驗工況及邊界條件不變的前提下，間隙值增大，活門組件的變形均逐漸增大，但兩者云圖分布及出現(xiàn)最值的位置基本一致；

(4) 雖然兩種間隙下活門、襯套間均有接觸存在，但間隙為0.012 mm時，活門、襯套間接觸區(qū)域明顯減小，但最大接觸壓力有所增大，說明間隙對活門襯套間的磨損情況有一定影響。

3 故障原因排查

梳理可能導致活門組件卡滯、磨損現(xiàn)象的主要影響因素， 以活門組件發(fā)生卡滯、磨損現(xiàn)象作為頂事件，逐級向下分解，找出引起該頂事件發(fā)生的全部直接原因作為底事件，建立活門組件卡滯、磨損現(xiàn)象的故障樹，見圖5。

圖5 活門組件卡滯、磨損故障樹

3.1 活門、襯套接觸配合段太長

活門與襯套之間的接觸配合段長度過長，在工作過程中，使得兩者間的接觸面積較大，增大了活門打開時的阻力，相同工作條件下可能會增加活門卡滯的概率。

為了分析活門襯套間接觸配合段長度對卡滯現(xiàn)象的影響，在襯套上開槽，見圖6，減小兩者配合段接觸面積，通過建立兩種不同活門襯套結(jié)構模型，在相同工況及邊界下對其進行仿真分析，得到活門襯套接觸壓力仿真計算結(jié)果，見表2。

圖6 活門襯套間接觸配合長度

由仿真分析結(jié)果可知，襯套上開槽結(jié)構的活門、襯套間存在接觸力范圍明顯減少，接觸力幅值有所增大，說明活門襯套接觸配合段長度對活門組件卡滯現(xiàn)象發(fā)生有一定影響，其可能是導致活門組件卡滯的影響因素之一。

表2 兩種結(jié)構活門組件間接觸應力與接觸區(qū)域?qū)Ρ?/p>

3.2 使用環(huán)境溫度影響

活門和襯套在較高環(huán)境溫度下工作時會產(chǎn)生較大的熱變形，從而可能導致活門、襯套出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。按照產(chǎn)品工作條件要求，對-40 ℃和80 ℃兩種環(huán)境下活門、襯套熱變形情況進行仿真分析，其結(jié)果見表3。

表3 -40 ℃、80 ℃環(huán)境溫度下活門襯套仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，活門組件在兩種環(huán)境下活門、襯套間接觸壓力均為0，說明，兩者之間沒有接觸。但在低溫狀態(tài)下(-40 ℃時)，活門與襯套的間隙變化量已經(jīng)達到0.008 mm，考慮到加工工藝等因素，這可能導致活門與襯套運動不靈活，造成活門組件卡滯，因此，不能完全排除溫度是造成活門組件卡滯發(fā)生的影響因素之一。

3.3 活門、襯套圖樣相關配合尺寸、公差不合理

對活門、襯套現(xiàn)有結(jié)構，活門、襯套間間隙按0.01， 0.012， 0.02 mm 3種不同間隙值對進行仿真計算，仿真過程中，假設間隙中無燃油壓力作用，仿真結(jié)果見表4。

表4 間隙變化時，接觸應力與接觸區(qū)域變化

仿真結(jié)果表明，隨著間隙變大，活門、襯套間的接觸區(qū)域逐漸由環(huán)帶接觸減小到點接觸，再到不接觸，說明活門襯套間間隙可能是引起活門組件卡滯的主要原因之一。

3.4 活門襯套配合面有毛刺

根據(jù)工藝復查結(jié)果，活門、襯套制造過程中均有去毛刺工序，并且在故障件表面并沒找到毛刺痕跡，故排除此底事件。

3.5 彈簧與活門及端蓋零件間存在裝配干涉

復查放油活門組件的裝配關系，根據(jù)實物分解情況，除活門、襯套卡死外，其余零件均靈活，無卡澀、裝配不順的情況。產(chǎn)品在廠內(nèi)的調(diào)試應急放油動作檢查，該過程均未出現(xiàn)放油流量不足或活門卡澀現(xiàn)象。故可認為活門組件等不存在裝配干涉的情況，因此可排除此底事件影響。

3.6 使用中的應力釋放

根據(jù)公司燃油附件設計規(guī)范，放油活門和襯套在設計過程中，同軸度選取值為0.02，該數(shù)值為現(xiàn)用活門藕件一般推薦值，其與現(xiàn)有成熟產(chǎn)品活門藕件的同軸度要求一致。產(chǎn)品加工生產(chǎn)過程工藝符合設計要求并檢驗合格，活門組件經(jīng)過相應熱處理工藝后裝配到產(chǎn)品上，在廠內(nèi)常溫及低溫下調(diào)試完成后，產(chǎn)品進行半物理試驗均未出現(xiàn)故障。對廠內(nèi)入庫的同批次其他活門、襯套相關尺寸進行計量，其結(jié)果均滿足圖樣要求，說明在加工完成后的存儲過程并無明顯變形，但使用過程中是否有應力釋放不能完全排除。因此，不能完全排除應力釋放是造成活門組件卡滯發(fā)生的影響因素之一。

3.7 小結(jié)

通過上述分析，活門、襯套間配合段長，活門、襯套間的間隙小，環(huán)境溫度及使用中的應力釋放四項底事件不能完全排除，但使用環(huán)境溫度和應力釋放間接影響活門、襯套間的配合間隙，4種主要因素可轉(zhuǎn)化為活門、襯套的配合段長和活門、襯套間間隙小2個因素。因此，燃油泵應急放油活門異?？赡苁怯捎诨铋T、襯套間接觸配合段過長且間隙小，在高溫及燃油壓力脈動作用下引起襯套變形，導致微動磨損引起活門、襯套粘連卡死故障。

活門、襯套配合段過長需要修改幾何結(jié)構，其需要考慮的因素比較多，增加了修改的難度，而修改活門、襯套間間隙相對較容易，因此，設計合理的活門、襯套配合間隙值是解決本次故障最簡單，成本最低的途徑，故需要對活門、襯套間配合間隙進行優(yōu)化設計。

4 活門、襯套間隙參數(shù)優(yōu)化設計

優(yōu)化設計中設計目標是優(yōu)化目標函數(shù)，在一定條件約束下，通過優(yōu)化設計理論計算得到最優(yōu)的設計方案[11-12]。

將活門、襯套間間隙X作為設計變量，活門、襯套間接觸壓力p作為目標函數(shù)，活門、襯套間間隙變化范圍0.012～0.02 mm作為約束條件，運用Ansys workbench軟件進行參數(shù)優(yōu)化分析，仿真計算得到接觸壓力隨間隙變化結(jié)果見圖7。

由仿真結(jié)果可知，活門、襯套間間隙在小于0.015 mm時，兩者之間仍存在一定的接觸，但接觸區(qū)域逐漸減小。當活門、襯套間間隙增大到0.015 mm以上時，兩者間接觸壓力為0，說明兩者間無接觸發(fā)生。如果繼續(xù)增大間隙到0.02 mm時，活門襯套間接觸壓力依然為0。但選擇較大的間隙，會導致燃油泄漏量增大，需要額外考慮活門組件間密封問題，因此，認為活門、襯套間間隙設計大于等于0.015 mm時間隙設計最合理，并且可以有效降低活門卡滯的風險。

圖7 接觸壓力隨間隙變化曲線

5 結(jié)論

基于非線性接觸理論進行仿真分析，正確復現(xiàn)了活門卡滯、磨損故障。通過故障機理分析建立故障樹對可能導致故障現(xiàn)象發(fā)生的原因進行了梳理，最終將導致故障發(fā)生的原因歸結(jié)為活門、襯套的配合段長和活門、襯套間間隙小2個主要因素。通過對活門、襯套間間隙進行參數(shù)優(yōu)化分析，得到最優(yōu)的活門、襯套間隙值，為活門組件結(jié)構改進提供參考依據(jù)。