某發(fā)動機氣缸墊密封性的仿真分析

王悅，曹權(quán)佐，張志斌，崔欣潔，宋文福

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 引言

發(fā)動機內(nèi)部有高溫高壓氣體、冷卻液和潤滑油流動，缸蓋和缸體之間的氣缸墊要對上述流體分別密封。任何一種流體泄露或幾種發(fā)生混合，就可能導(dǎo)致發(fā)動機損壞甚至報廢。因此，氣缸墊的密封性對發(fā)動機的可靠性影響非常大。

隨著發(fā)動機增壓化、小型化的推進，發(fā)動機缸壓、缸蓋螺栓預(yù)緊力、缸蓋溫度都相應(yīng)提高。這些變化都對氣缸墊的密封性提出了更高要求。因此，在設(shè)計階段校核氣缸墊密封性也變的更加重要。

2 仿真分析流程概述

目前，氣缸墊都是由專業(yè)廠商設(shè)計和制造。如果按照傳統(tǒng)方法，發(fā)動機主機廠在提出技術(shù)要求之后，只能等待樣件試制試裝。在點火前只能利用試紙驗證冷機狀態(tài)下的接觸壓強。不能考慮螺栓預(yù)緊力衰減的影響，也無法驗證熱機狀態(tài)下的密封性。

針對上述情況，我司通過仿真分析，在樣件試制試裝前，對氣缸墊的密封性進行全面的校核。

此仿真分析流程分3個步驟：

①分析準備：由氣缸墊制造商提供氣缸墊上各密封筋的壓縮回彈曲線；

通過穩(wěn)態(tài)傳熱分析，獲得裝配體額定工況下的溫度場；

②在考慮溫度、裝配載荷等影響情況下，對缸蓋、汽缸墊和缸體裝配體進行有限元分析，獲得氣缸墊密封筋的接觸壓強；

③對氣缸墊的接觸壓強進行評價。

3 分析準備

3.1 壓縮回彈曲線

氣缸墊的密封筋在正常使用中會被壓縮到材料塑性區(qū)域，也就是說密封筋被壓縮后，即使壓力消失，密封筋高度也將永久改變。在仿真分析中，要確保分析結(jié)果正確，就必須體現(xiàn)出這種特性。

要真實體現(xiàn)上述情形，有兩種方法。第一種是將密封筋真實結(jié)構(gòu)和材料的塑性特性體現(xiàn)在有限元模型中。第二種是使用墊片單元代替真實結(jié)構(gòu)，將密封筋在測試中壓縮量與壓強的關(guān)系曲線作為單元的屬性。第一種方法存在建模難度大，計算時間長，難以收斂等眾多問題。第二種方法，因相對簡單易行，而被業(yè)內(nèi)廣泛使用。

我司在研發(fā)某發(fā)動機過程中，使用了第二種方法。在我司提交技術(shù)要求后，氣缸墊制造商完成墊片的概念設(shè)計，將各密封筋的尺寸、分布及壓縮回彈曲線提交我司。某密封筋特性壓縮回彈曲線如下圖1所示。

圖1 某密封筋特性壓縮回彈曲線

3.2 溫度場

由于缸蓋、缸體、氣缸墊等部件結(jié)構(gòu)、材料差異等原因，發(fā)動機熱機狀態(tài)下各方向各位置的熱膨脹存在差異。這導(dǎo)致冷機狀態(tài)裝配好的氣缸墊密封筋在熱機時壓縮量會發(fā)生變化，進而影響密封筋的密封性。

以缸蓋為例，相同放大比例下。僅有裝配力作用時變形如下圖 2，缸蓋底面基本平整。裝配力和熱膨脹同時作用時變形如下圖3，缸蓋底面明顯翹曲。

由于大型設(shè)備使用場景的專業(yè)性及特殊性，大型設(shè)備的管理都處于分散狀態(tài)，設(shè)備基本信息及使用情況透明度都不高。同時，各單位作為資產(chǎn)占有使用者，管理站位高度不夠，僅為滿足了本單位事業(yè)發(fā)展需求占有使用，各自為政，導(dǎo)致整體管理水平低下，是加強大型設(shè)備使用績效管理的“攔路虎”。

圖2 缸蓋裝配力作用下變形

因此，我司在研發(fā)某發(fā)動機時，為確保仿真分析精度，通過缸內(nèi)流體分析、水套流動分析提供熱邊界，對缸蓋、汽缸墊和缸體的裝配體進行穩(wěn)態(tài)傳熱分析，獲得該裝配體額定工況下的溫度場，缸蓋溫度場如下圖4。

圖3 缸蓋裝配力和熱膨脹共同作用下變形

圖4 某發(fā)動機缸蓋溫度場

4 分析過程

由于氣缸墊密封筋有塑性變形，因此在設(shè)置分析過程時，應(yīng)盡量模擬發(fā)動機裝配及使用過程的加載。并盡量考慮極端工況。

4.1 分析步驟概述

我司在研發(fā)某發(fā)動機過程中按照如下圖5設(shè)置了分析步驟。該流程實際為兩個分析流程，左側(cè)為氣缸墊密封筋暖機狀態(tài)下受力情況，右側(cè)為暖機工作后再冷啟動時的氣缸墊密封筋暖機狀態(tài)下受力情況。這樣可以盡可能地考慮密封筋最惡劣的工作情況，即被最大程度壓縮后又最大程度松開的工作情況。

圖5 某發(fā)動機氣缸墊靜力學(xué)分析流程

4.2 網(wǎng)格概述

表1 網(wǎng)格類型及數(shù)量

由于發(fā)動機零部件外形復(fù)雜，因此使用了缸蓋和缸體使用了四面體單元，氣缸墊使用了三棱柱單元，具體網(wǎng)格單元類型和數(shù)量見表1。

4.3 設(shè)置概述

各部件之間的相互連接關(guān)系見表2。

表2 各部件之間的相互連接關(guān)系

5 分析結(jié)果及評價

某發(fā)動機氣缸墊密封筋有多種規(guī)格。如密封潤滑油和冷卻液的密封筋就包含1mm（藍色）和1.5mm（綠色）兩種，具體分布如下圖6。我司在研發(fā)階段要求其1mm長度上應(yīng)達到10N接觸壓力。

圖6 某發(fā)動機氣缸墊密封筋分布示意圖

1.5mm密封筋熱態(tài)1缸爆發(fā)時接觸應(yīng)力（MPa）如下圖8所示。根據(jù)技術(shù)要求換算后，其接觸應(yīng)力應(yīng)大于6.7MPa。從該圖可知，此狀態(tài)下1.5mm密封筋密封性不合格，需要改進。

圖7 1mm密封筋熱態(tài)1缸爆發(fā)接觸應(yīng)力

圖8 1.5mm密封筋熱態(tài)1缸爆發(fā)接觸應(yīng)力

由于工況和密封筋規(guī)格較多。各應(yīng)力云圖不再一一展示。

我司在分析結(jié)束后，對所有分析步驟所有密封筋的接觸應(yīng)力進行評估。并將不符合我司技術(shù)要求區(qū)域反饋給制造商。制造商設(shè)計更改后，我司重復(fù)上述仿真分析流程，直至全部氣缸墊密封筋密封性合格。

6 結(jié)束語

我司通過上述仿真分析流程，在氣缸墊試制試裝前即完成了其密封性的校核，并對氣缸墊進行了設(shè)計優(yōu)化。某發(fā)動機A樣機順利通過其后的密封性臺架測試。

實踐證明，合理的氣缸墊密封性仿真分析可以有效降低密封性試驗風(fēng)險，并提高設(shè)計質(zhì)量。