基于正向設(shè)計(jì)的高溫密封失效分析及優(yōu)化

0 引言

隨著排放法規(guī)的不斷升級，發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度持續(xù)增加，熱負(fù)荷和排氣壓力明顯提高，對高溫密封帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。墊片作為高溫密封重要的元件，一旦失效就會(huì)導(dǎo)致氣體泄漏

，進(jìn)而造成墊片、缸蓋燒蝕，引起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足。

本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，針對耐久過程中排氣管—缸蓋密封面泄漏問題進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。

“這是大醫(yī)院的責(zé)任擔(dān)當(dāng)?！笔⒕┽t(yī)院護(hù)理部主任范玲告訴記者，醫(yī)院在2013年成立了延伸護(hù)理管理委員會(huì)，并設(shè)立了出院隨訪組、網(wǎng)絡(luò)信息管理組和社區(qū)服務(wù)組，旨在將更為全面深入的護(hù)理服務(wù)延伸至社區(qū)，直至每個(gè)家庭。

1 故障現(xiàn)象

圖1為某直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)布置，排氣管為三段式，增壓器取氣口布置于3缸、4缸之間，EGR系統(tǒng)6缸外側(cè)取氣。每缸排氣管法蘭通過三顆螺栓固定在缸蓋上，排氣管與螺栓之間的套筒用來降低螺栓溫度，每缸排氣管法蘭與缸蓋之間裝有排氣管墊片以防止泄漏。

1.1 試驗(yàn)室故障

該發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)過程中多次出現(xiàn)排氣管—缸蓋密封面失效現(xiàn)象，耐久后的排氣管墊片氧化變色，缸蓋密封面出現(xiàn)凹坑。排氣管墊片變色最深部位和缸蓋密封面凹坑如圖2所示。

1.2 市場故障

該機(jī)器在市場運(yùn)行過程中，用戶感受整車動(dòng)力不足，發(fā)動(dòng)機(jī)異響，服務(wù)站拆檢發(fā)現(xiàn)排氣管墊片燒蝕、缸蓋燒蝕并在密封帶出現(xiàn)凹坑，排氣管墊片與缸蓋燒蝕部位基本出現(xiàn)在每段排氣管法蘭內(nèi)側(cè)偏下部位，如圖3所示。

從以上故障現(xiàn)象可以看出密封失效部位主要發(fā)生在排氣管法蘭兩側(cè)，尤其發(fā)生在每段排氣管法蘭內(nèi)側(cè)。

2 故障分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在最低服役溫度下，焊縫、熱影響區(qū)沖擊吸收能量平均值不低于54J才能滿足要求。由試驗(yàn)結(jié)果可知，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量均滿足要求，而自動(dòng)焊的沖擊吸收能量更高，能夠滿足更高的要求。

排氣管受熱變形，導(dǎo)致排氣管法蘭與缸蓋結(jié)合面產(chǎn)生間隙，若此時(shí)墊片的壓縮回彈量無法彌補(bǔ)兩法蘭間隙或墊片回彈力達(dá)不到密封力要求，則會(huì)發(fā)生失效。由上述分析可知，原方案墊片高溫回彈性較弱，需提升原墊片密封能力，如圖7所示，一方面，更改了墊片的材料和硬度，以提高墊片高溫回彈性能，另一方面對波形進(jìn)行了優(yōu)化，減小墊片波形被壓潰的風(fēng)險(xiǎn)，提高了墊片回彈性能。

2.1 排氣管法蘭—缸蓋法蘭變形

對優(yōu)化后的排氣系統(tǒng)進(jìn)行了FEA分析，計(jì)算邊界與優(yōu)化前保持一致計(jì)算結(jié)果如圖10所示。由仿真結(jié)果可知，排氣管法蘭形變量由原方案的0.512mm減小為現(xiàn)在的0.431mm，很大程度上減小了法蘭變形。

2.2 排氣管墊片

排氣管法蘭—缸蓋結(jié)合面溫度最高溫度392℃，在不發(fā)生泄漏時(shí)，可排除原方案不銹鋼墊片因蠕變松弛造成的密封失效風(fēng)險(xiǎn)。密封是否失效的判斷最重要的是墊片殘余高度，即試驗(yàn)后墊片波形的殘余波高，殘余波高越大，表明墊片的密封性能越好。對裝機(jī)和耐久后的排氣管墊片分別進(jìn)行了波高殘余高度測量，裝機(jī)后墊片殘余高度不足0.05mm，耐久后墊片殘余高度不足0.04mm，回彈率小于17%、6%，基本失去回彈，當(dāng)兩法蘭因高溫變形分離時(shí)無法提供足夠的密封壓力，進(jìn)而導(dǎo)致密封失效。

2.3 螺栓—套筒

該發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓和套筒均采用某型號耐熱鋼，抗蠕變松弛性能優(yōu)異，套筒較長可以保證螺栓熱量散失，能夠在高溫下保證足夠的強(qiáng)度和剛度

，表3檢測了試驗(yàn)前后排氣管螺栓軸力結(jié)果。由力矩檢測結(jié)果可知，試驗(yàn)前排氣管螺栓例句滿足安裝力矩要求，試驗(yàn)后的拆卸力矩大于安裝力矩，未發(fā)生螺栓軸力衰減，可排除因螺栓軸力衰減造成的密封失效。

但是，如果認(rèn)真審視這些關(guān)于工匠精神的研究，不難發(fā)現(xiàn)，必須細(xì)致分析“工匠精神”的內(nèi)涵，精確把握工匠精神的要求，才有助于進(jìn)一步闡發(fā)高職業(yè)教育如何培育“工匠精神”。“雖然目前學(xué)者對‘工匠精神’尚無標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威的定義，但對其已達(dá)成基本一致的共識(shí)：工匠精神是對所從事的工作追求精益求精、勇于創(chuàng)新、一絲不茍的精神理念?！盵4]143在筆者看來，工匠精神應(yīng)該從如下四個(gè)層次做進(jìn)一步的闡發(fā)：

2.4 材料分析

進(jìn)行缸蓋凹坑區(qū)域宏觀形貌分析，體視形貌如圖5和圖6所示。缸蓋凹坑處觀察到表面呈鱗片狀，且有剝落的痕跡，較深區(qū)域深度約0.03mm，剝落區(qū)表面未見明顯氧化層和氣流沖蝕痕跡，金相組織無異常。接近凹坑和遠(yuǎn)離凹坑表面兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行金相和硬度未見異常，由形貌特征和金相組織可判斷為微動(dòng)磨損造成。

圖8顯示優(yōu)化前后排氣管墊片壓波回彈曲線，由回彈曲線可知，優(yōu)化后的排氣管墊片回彈有了大幅提升，回彈量由原來的0.148mm提升至0.204mm，相對原方案提升近38%，大幅提升密封性能。

經(jīng)過對排氣系統(tǒng)全面分析，鎖定造成密封失效主要由兩方面因素，一方面是受排溫和排氣管結(jié)構(gòu)的影響，排氣管法蘭變形大；另一方面是排氣管墊片回彈性能差，排氣管墊片回彈不足以彌補(bǔ)兩法蘭之間的形變間隙。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

該發(fā)動(dòng)機(jī)排溫高于700℃，受管身和法蘭厚度的影響，排氣管法蘭在高溫工況下會(huì)發(fā)生較大變形，減小排氣管法蘭和管身形變最有效的措施為降低排氣溫度來降低變形或提高法蘭和管身剛度來抑制變形。排氣管墊片在法蘭變形后通過回彈提供密封力，達(dá)到密封的效果，當(dāng)排氣管墊片無法密封排氣管法蘭與缸蓋密封面形變間隙時(shí)，容易發(fā)生漏氣故障，因此，在法蘭形變一定時(shí)，提升墊片的回彈性能也能有效改善密封性能。因此本次優(yōu)化將從提升墊片回彈性和減小法蘭形變?nèi)胧謥砀纳泼芊?，解決漏氣故障。

3.企業(yè)在研發(fā)投入期間往往要承擔(dān)較高的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，因此很多企業(yè)往往會(huì)選擇直接購入無形資產(chǎn)或通過其他途徑來增加無形資產(chǎn)賬面價(jià)值。據(jù)此，可得出企業(yè)系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)與資本化強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，企業(yè)系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)越高，資本化強(qiáng)度越小。

3.1 優(yōu)化排氣管墊片

針對排氣管墊片燒蝕、氧化變色、缸蓋燒蝕和凹坑問題，對排氣系統(tǒng)做了全面分析，排除了螺栓軸力衰減和工藝問題，最終鎖定了造成泄漏的原因，如圖4故障樹所示。

本研究只調(diào)查了江蘇省南京市1所三級甲等?？漆t(yī)院精神科護(hù)士職業(yè)倦怠情況，研究結(jié)果可能存在一定偏倚；在變量選擇上未探討人口學(xué)因素，如年齡、職稱、學(xué)歷等變量對職業(yè)倦怠的影響，結(jié)論可能存在一定局限性。在后續(xù)研究中，需擴(kuò)大樣本量，考慮人口學(xué)變量因素，使結(jié)果更具說服力。

由材料分析可知，缸蓋表面凹坑為排氣管變形帶動(dòng)墊片搓動(dòng)缸蓋造成的微動(dòng)磨損，而減小磨損的有效措施為減小排氣管變形，提高法蘭剛度。

3.2 優(yōu)化排氣管

針對排期管流道局部換熱系數(shù)高，排氣溫度高的情況，對排氣管流道進(jìn)行了優(yōu)化，如圖9所示。優(yōu)化后的排氣溫度相對原方案降低超過20℃。

排氣管法蘭變形與排氣管墊片的彌補(bǔ)量匹配不合理是造成密封失效的主要原因，本次從排氣管結(jié)構(gòu)入手來降低排氣溫度、減小法蘭變形。排氣管法蘭—缸蓋密封面漏氣位置主要發(fā)生在每段排氣管法蘭內(nèi)側(cè)，因此對局部區(qū)域從抑制變形的角度，將排氣管法蘭與管身進(jìn)行強(qiáng)化，以減小排氣管法蘭—缸蓋結(jié)合面受變形影響形成的間隙。

3.3 FEA分析

試驗(yàn)前的排氣管和缸蓋平面度和粗糙度如表2所示。排氣管法蘭、缸蓋平面度、粗糙度均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，排除了因零部件加工質(zhì)量問題造成的泄漏。對300h耐久后的排氣管和缸蓋進(jìn)行了平面度分析，排氣管與缸蓋密封面最大間隙在每段排氣管法蘭內(nèi)側(cè)，最大間隙0.2mm。

圖11為優(yōu)化前、后密封情況，由仿真分析可知，優(yōu)化前最小密封壓力低至0Mpa，泄露風(fēng)險(xiǎn)極高，最大風(fēng)險(xiǎn)區(qū)發(fā)生在每段排氣管法蘭內(nèi)側(cè)。對墊片和排氣管進(jìn)行優(yōu)化后，最小密封壓力提升至14Mpa，滿足密封要求。

由于勘探開發(fā)條件和勘探史的巨大差異，按2017年的數(shù)據(jù)全國及主要盆地／地區(qū)（經(jīng)濟(jì)）可采儲(chǔ)量及未開發(fā)率可分為三種。

優(yōu)化后方案顯著提高了密封能力，一方面墊片采用半波，減小了塑性變形，使壓波保持一定的回彈量，另一方面排氣管法蘭形變量小，一定程度彌補(bǔ)了墊片回彈不足的局限。

對于第一組使用母嬰床邊護(hù)理的方式。病房安排給嬰兒洗澡、按摩、接種、保護(hù)臍帶防止感染、換尿不濕并且進(jìn)行皮膚護(hù)理。一個(gè)護(hù)士只照顧一對母嬰,即護(hù)士的操作說明,母嬰和家庭成員一起參加。傳達(dá)對新生兒喂養(yǎng)母乳的方法和好處、怎樣保護(hù)乳房、分娩后怎樣增加營養(yǎng)、產(chǎn)后癥狀、嬰兒常出現(xiàn)癥狀的解決方式、嬰兒注射疫苗、分娩后的避孕方式、嬰兒皮膚護(hù)理等。實(shí)驗(yàn)組在住院期間每天床邊護(hù)理時(shí)間為三十分鐘。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述分析，將優(yōu)化后的排氣管墊片搭載耐久考核。缸蓋面未出現(xiàn)凹坑及燒蝕，且排氣管墊片未形成燒蝕和變色。對耐久后排氣管墊片回彈性進(jìn)行復(fù)測，耐久后墊片回彈性最小的4缸墊片殘余高度0.11mm，明顯高于優(yōu)化前最大殘余高度0.036mm，如圖12為耐久后拆檢情況。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，改進(jìn)后方案在排氣管—缸蓋密封面未出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，通過了耐久考核，解決了排氣管—缸蓋密封面泄漏和缸蓋凹坑問題。

5 結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和市場驗(yàn)證過程中，排氣管法蘭—缸蓋密封面發(fā)生泄漏，從而造成缸蓋燒蝕、凹坑和墊排氣管片燒蝕、變色故障。針對此故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，并借助于FEA手段對變形較大的排氣管和排氣管墊片進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，優(yōu)化方后的方案最終通過了排氣管墊片耐久試驗(yàn)考核，為解決此類故障提供了解決方法和手段。

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[2]王立新，劉斐，潘雪偉．發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管斷裂分析及其設(shè)計(jì)改進(jìn)[J]．上海汽車，2007( 12) :15-18．