某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器回油管開裂失效分析及改進(jìn)措施

0 引言

某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器回油管波紋段材料為06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼

，根據(jù)市場上的反饋，在使用過程中，螺旋波的波谷內(nèi)多次發(fā)生斷裂，且斷裂部位多數(shù)位于螺旋波兩端第1～4個(gè)波谷內(nèi)。產(chǎn)品在臺(tái)架試驗(yàn)過程中也多次出現(xiàn)相同情況，因此證明此類故障并非偶然發(fā)生。為確定故障件的失效模式和失效原因，對(duì)故障件拆檢分析。

1 工作原理

1.1 增壓器回油管工作原理與需求

為了滿足增壓器安全可靠的運(yùn)行要求，一般柴油機(jī)增壓器中間體均采用機(jī)油冷卻潤滑的方式。增壓器中間體會(huì)設(shè)置進(jìn)回油通道，而增壓器回油管可以將渦輪增壓器中間體流出的機(jī)油在無外力作用下，引導(dǎo)回流至油底殼。增壓器回油管在發(fā)動(dòng)機(jī)中的位置，如圖 1所示。

受到發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中增壓器振動(dòng)的作用，以及裝配累積公差的影響，增壓器回油管必須擁有一定的調(diào)節(jié)量對(duì)振動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，一般采用柔性連接結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償增壓器與機(jī)體之間振動(dòng)差異，以及裝配累積公差

。本文中研究的零部件采用螺旋波波紋結(jié)構(gòu)作為柔性連接結(jié)構(gòu)，利用管體的彈性變形來補(bǔ)償振動(dòng)位移與裝配累積公差。

1.2 螺旋波工作原理與成形工藝

當(dāng)螺旋波波紋管受到軸向、徑向或彎曲作用時(shí)，螺旋波的波峰與波谷部分，首先發(fā)生彈性彎曲變形，吸收能量，以減少整個(gè)管體在法蘭焊接處等容易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域所受到的應(yīng)力，即將整個(gè)管體所受到的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至螺旋波的波峰與波谷處

。螺旋波波紋管的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2）為提高系統(tǒng)分辨率，因而將檢測溫度分為不同的等級(jí)，考慮到系統(tǒng)交叉余量，因此將0℃至850℃劃分為低溫檔，750℃至1 250℃劃分為中溫檔，1 150℃至1 650℃劃分為高溫檔；結(jié)合不同的溫度范圍設(shè)計(jì)不同的一級(jí)放大電路，從而提高系統(tǒng)分辨率。

國內(nèi)螺旋波波紋管主要通過輥壓工藝成形，管胚進(jìn)入旋轉(zhuǎn)模具后，軸向和徑向的管胚受到模具和滾輪的擠壓產(chǎn)生塑性變形，產(chǎn)生如圖3所示的螺旋波結(jié)構(gòu)。不同于車削螺紋，螺旋波波紋管的輥壓成形工藝是一種非切削加工，屬于冷擠壓范疇。這就使得螺旋波波谷的內(nèi)表面，在成形過程中，受到壓應(yīng)力，而波谷的外表面，則受到拉應(yīng)力，并最終以塑形變形的形式，存在于螺旋波的波紋中

。螺旋波波紋管成形原理如圖3所示。

2 失效分析

針對(duì)增壓器回油管損壞問題，結(jié)合故障現(xiàn)象和以往該故障的失效分析經(jīng)驗(yàn)，以增壓器回油管波紋段裂紋為頂事件建立故障樹對(duì)其進(jìn)行失效分析，如圖4所示，主要從零部件因素和發(fā)動(dòng)機(jī)因素兩個(gè)方面對(duì)失效件進(jìn)行分析

。

2.1 零部件因素

零部件因素主要從材料成分及壁厚是否合格、是否存在應(yīng)力集中兩方面進(jìn)行失效分析。

2.1.1 材料的化學(xué)成分及壁厚尺寸

增壓器回油管波紋段材料為06Cr19Ni10-GB/T12771，為奧氏體不銹鋼。對(duì)其材料成分C Si Mn P S Cr Ni等化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出Cr和Ni的實(shí)測值分別為18.37和8.22，其成分均符合GB/T12771奧氏體不銹鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因此回油管波紋段的材料成分合格

。

選取增壓器回油管波紋段的六個(gè)不同部位分別進(jìn)行壁厚測試分析，如圖5所示。測得六個(gè)部位的壁厚如圖6所示，平均壁厚0.33mm，且它們相互之間的壁厚相差甚小，符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求(壁厚≤0.5mm時(shí)，允許偏差±0.1mm)

。

2.1.2 斷口應(yīng)力分析

對(duì)增壓器回油管斷口進(jìn)行分析，如圖7所示為回油管斷口的宏觀形貌，可以看出斷口位于回油管波紋段的波谷處，斷口較平整且顏色偏暗，無明顯金屬光澤

。

因螺旋波的管壁較薄，打開裂紋觀察斷口，肉眼幾乎無法看清，在體視顯微鏡下低倍放大觀察，可見斷口較平整，斷面上靠近外表面處存在臺(tái)階，如圖9所示。同時(shí)在螺旋波波紋段的第3個(gè)波谷處，發(fā)現(xiàn)尚未擴(kuò)展的裂紋，如圖8所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)因素主要從回油管的振動(dòng)情況、有無干涉以及磕碰傷等三方面分析失效原因。

由于增壓器回油管裂紋處波紋與增壓器壓殼為剛性連接，振型相同，且增壓器壓殼是增壓器回油管的振動(dòng)源，故可以用增壓器壓殼的振動(dòng)烈度代表增壓器回油管裂紋處的振動(dòng)烈度。實(shí)測增壓器壓殼振動(dòng)烈度為51mm/s(Y向)，為低振動(dòng)烈度，因此實(shí)際符合振動(dòng)要求。

2.2.3 量表的區(qū)分效度 研究發(fā)現(xiàn)，夜尿癥患者的生活質(zhì)量與起夜次數(shù)密切相關(guān)，即平均每晚排尿次數(shù)越多，患者的生活質(zhì)量越差[10-11]。根據(jù)患者平均每晚起夜次數(shù)將其分為兩組(2次和≥3次)，經(jīng)檢驗(yàn)兩組基線資料均衡可比，采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)兩組N-QOL各維度及總量表得分進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。

而在故障件斷口附近，將故障件沿故障點(diǎn)螺旋波波紋做縱向剖切，折彎外側(cè)的剖面如圖11所示，折彎內(nèi)側(cè)的剖面如圖12所示。對(duì)故障件斷口附近的螺旋波曲率半徑進(jìn)行測量，結(jié)果如圖13所示，最大曲率半徑為1.08mm，最小曲率半徑為0.42mm，波峰平均曲率半徑為0.94mm，波谷平均曲率半徑為0.49mm，因此螺旋波存在較大的應(yīng)力集中問題。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)因素

將失效件經(jīng)超聲波清洗后放入掃描電子顯微鏡下觀察，可見斷面有明顯疲勞特征，且為單向彎曲疲勞斷裂，裂紋由外側(cè)向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，如圖9與圖10所示。

2.2.1 振動(dòng)評(píng)估

關(guān)于增壓器回油管的振動(dòng)問題，對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)仿真，結(jié)果如圖14所示，可見一階模態(tài)為694.2Hz,二階模態(tài)為859.7Hz,三階模態(tài)為1528.0Hz，四階模態(tài)為1687.7 Hz，五階模態(tài)為1941.1 Hz，六階模態(tài)為2028.7 Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2100rpm，振動(dòng)評(píng)估結(jié)果與限值如表2所示，模態(tài)放行標(biāo)準(zhǔn)為126Hz，因此回油管的振動(dòng)模態(tài)符合振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.促進(jìn)了企業(yè)管理制度的完善和深化。工程法律風(fēng)險(xiǎn)防范機(jī)制的建設(shè)，完善了項(xiàng)目管理流程和制度，規(guī)范了項(xiàng)目運(yùn)營行為，加強(qiáng)了內(nèi)部控制，支持了全面風(fēng)險(xiǎn)管理，促進(jìn)了企業(yè)管理的規(guī)范化、制度化、體系化。通過實(shí)行工程項(xiàng)目重大決策法律論證制度、優(yōu)化資源配置、組建工程項(xiàng)目聯(lián)合體、建立風(fēng)險(xiǎn)信息溝通協(xié)調(diào)機(jī)制，對(duì)于提升企業(yè)特別是施工企業(yè)公司執(zhí)行力，提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力和國際競爭能力，具有導(dǎo)向性的作用.

增壓器回油管共有三處固定點(diǎn)，分別為增壓器中間體、下端管夾(固定于機(jī)體)、回油管接頭(固定于機(jī)體加強(qiáng)板)，振動(dòng)輸入均較小，增壓器回油管有一定的振動(dòng)，但振動(dòng)的烈度不大，且無共振發(fā)生，無懸臂結(jié)構(gòu)，根據(jù)增壓器回油管的振動(dòng)分析，是在可承受的范圍內(nèi)。

企業(yè)核心優(yōu)勢企業(yè)自評(píng):排在前三位的核心優(yōu)勢依次是產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)和交貨速度。尤其是“產(chǎn)品質(zhì)量”被60%以上的企業(yè)視為自己的優(yōu)勢。

選取結(jié)構(gòu)與尺寸相近的三種增壓器回油管，在振動(dòng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)耐久可靠性試驗(yàn)，來比較不同類型波紋管振動(dòng)耐久可靠性。

通過應(yīng)力仿真分析發(fā)現(xiàn)，在工作過程中波紋的兩端所受應(yīng)力是最大的，也是最容易出現(xiàn)裂紋的地方

，如圖15所示。

3 應(yīng)力仿真分析

2.1 兩組患者治療前的一般資料比較 治療結(jié)束時(shí)，托伐普坦組有30例患者托伐普坦服用劑量為15 mg，17例患者服用劑量為30 mg。結(jié)果(表1、表2)顯示：兩組患者年齡、性別、NYHA分級(jí)和抗心衰藥物治療等差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

對(duì)整機(jī)三維做進(jìn)一步排查，如圖1所示，增壓器回油管與周圍零部件距離較遠(yuǎn)。排查實(shí)際裝機(jī)和整車，結(jié)果均無干涉問題, 增壓器回油管的各個(gè)位置(包含裂紋處)均無磕碰傷。

國內(nèi)螺旋波波紋管通過輥壓工藝成形，最終形成的波紋，波谷處的曲率半徑一般小于波峰處的曲率半徑，且在最開始形成的幾個(gè)波紋處，波谷與波峰處的曲率半徑通常都較小，且隨著波紋的形成，曲率半徑逐漸增大。這就導(dǎo)致在螺旋波的前四個(gè)波谷處，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題。

確定裝置總功能為調(diào)節(jié)出風(fēng)口風(fēng)流狀態(tài)，進(jìn)行功能分解，可得功能元有：控制信號(hào)傳遞、驅(qū)動(dòng)、口徑調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)角度、前后移動(dòng)。對(duì)分功能(功能元)原理解，通過尋求功能元的物理效應(yīng)、工作原理及功能載體，來進(jìn)行功能元求解。功能元控制信號(hào)傳遞需要功能載體如PLC或者單片機(jī)；驅(qū)動(dòng)考慮到物理效應(yīng)中的液壓效應(yīng)及電力效應(yīng)，可選電動(dòng)機(jī)或者液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；其余功能元綜合考慮各功能元工作原理即機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理的選擇等進(jìn)行求解。整體結(jié)構(gòu)方案的形態(tài)學(xué)矩陣見表1，各功能元原理解利用形態(tài)學(xué)矩陣[18]和經(jīng)驗(yàn)性評(píng)價(jià)法進(jìn)行方案組合分析評(píng)價(jià)，確定智能調(diào)控裝置整體結(jié)構(gòu)的最佳方案。

與此同時(shí)，增壓器的振動(dòng)傳遞到增壓器回油管處時(shí)，使得增壓器回油管受到交變載荷，加速了增壓器回油管在螺旋波起波處的疲勞損傷

。

預(yù)言書當(dāng)然來自于先知或“先知性格”，但什么樣的性格才是“先知性格”？先知并非脫離現(xiàn)實(shí)、生活在九霄云外的人，而是身在塵世卻能夠分身到九霄云外直視現(xiàn)實(shí)生活、無限忠誠于事業(yè)的人。 羅扎諾夫又說：

經(jīng)過上述系統(tǒng)有效分析，故可推斷，增壓器回油管斷裂的原因?yàn)槁菪úy管波谷內(nèi)曲率半徑過小引起的應(yīng)力集中問題，且受到了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器的振動(dòng)，加速其失效，進(jìn)而產(chǎn)生單向彎曲疲勞斷裂。

4 試驗(yàn)及改進(jìn)措施

為了降低回油管的應(yīng)力集中及疲勞斷裂的的問題，我們選取環(huán)波結(jié)構(gòu)波紋管與故障件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2.2 干涉及磕碰傷

根據(jù)上述系統(tǒng)分析可以看出，故障位置應(yīng)力集中疲勞為故障的重大因素。為了進(jìn)一步明確故障形成機(jī)理，現(xiàn)進(jìn)行應(yīng)力仿真分析。

增壓器回油管的安裝方式同其在柴油機(jī)上的安裝方式相同，如圖16所示。定義柴油機(jī)飛輪端指向自由為+X方向，豎直為+Z方向，+Y方向滿足右手定則。200Hz內(nèi)若無共振頻率，則按照表3所示進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)。

各狀態(tài)增壓器回油管振動(dòng)耐久試驗(yàn)結(jié)果如表4所示：

多年觀測表明，蘭考豫11井水位主要受聊蘭斷裂帶兩側(cè)地?zé)衢_采活動(dòng)影響呈趨勢性下降(夏修軍等，2015)，與氣壓和降雨量變化關(guān)系不大，但短期內(nèi)氣壓突變會(huì)造成水位觀測曲線產(chǎn)生小幅畸變。水溫趨勢平穩(wěn)，變化受降水、氣溫和氣壓影響較小。

a)螺旋波波紋管，X方向耐久循環(huán)壽命僅達(dá)到43萬次，斷裂情況見圖17，其壽命較低。

b)同等狀態(tài)的直段環(huán)波波紋管，X方向耐久壽命可達(dá)1000萬次，壽命較高。

c)彎段環(huán)波波紋管，X方向耐久壽命可達(dá)480萬次，是螺旋波無管夾波紋管壽命的11倍多。

與此同時(shí)，對(duì)螺旋波波紋管的故障性進(jìn)行市場驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)具有相同的故障現(xiàn)象，即都在螺旋波波谷內(nèi)發(fā)生斷裂，且斷口在螺旋波兩端第1～4個(gè)波谷內(nèi)，如圖18所示，故障現(xiàn)象與試驗(yàn)臺(tái)上現(xiàn)象相同。

1.利用信息技術(shù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。興趣是最好的老師，想讓學(xué)生愛上英語這一學(xué)科，就需要激發(fā)學(xué)生的求知欲望。把學(xué)生從厭學(xué)困境中解脫出來，享受英語學(xué)習(xí)帶來的樂趣。所以在課堂上，我們經(jīng)常借助多媒體培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)英語的興趣，盡量把原本枯燥無味的內(nèi)容變得有趣起來。英語中的48個(gè)國際音標(biāo)，對(duì)學(xué)生背誦單詞有著及其重要的作用。但是音標(biāo)的學(xué)習(xí)卻是枯燥的，并且容易忘記?？赡芾蠋燁I(lǐng)讀了很多遍，學(xué)生隔天就會(huì)忘記。所以在教音標(biāo)時(shí)，利用一個(gè)會(huì)發(fā)聲的Flash動(dòng)畫，讓學(xué)生“哪里不會(huì)點(diǎn)哪里”。

二是嚴(yán)格湘江流域管理?！逗鲜∠娼Ｗo(hù)條例》作為我國第一部江河流域保護(hù)的綜合性地方法規(guī)，4月1日已正式實(shí)施，成立了由省長擔(dān)任主任的湘江保護(hù)協(xié)調(diào)委員會(huì)，其辦公室設(shè)在水利廳，并把湘江保護(hù)與治理作為省政府“一號(hào)重點(diǎn)工程”，制定《〈湘江保護(hù)條例〉實(shí)施方案》，推進(jìn)湘江保護(hù)與治理。

綜上所述，環(huán)波波紋管的壽命均明顯高于螺旋波波紋管。相比較螺旋波波紋管而言，環(huán)波波紋管的波谷曲率半徑較大，且無應(yīng)力集中問題，如圖19和圖20所示，分別為螺旋波和環(huán)波波紋管的剖面圖。因此，將增壓器回油管由螺旋波改為環(huán)波并進(jìn)行市場驗(yàn)證，如21所示，為螺旋波與環(huán)波12個(gè)月和24個(gè)月市場故障率對(duì)比圖。

5 結(jié)論

增壓器回油管斷裂的原因?yàn)槁菪úy管波谷內(nèi)曲率半徑過小引起的應(yīng)力集中問題，且受到了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器的振動(dòng)，加速其失效，進(jìn)而產(chǎn)生單向彎曲疲勞斷裂。

建議將增壓器回油管由螺旋波切換為環(huán)波(采用水脹工藝成形)結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代使用.相較于螺旋波波紋管，環(huán)波波紋管的波谷曲率半徑較大，無應(yīng)力集中問題，且實(shí)驗(yàn)室耐久試驗(yàn)表明，環(huán)波的壽命較螺旋波有顯著提升。從目前的市場反饋看，效果較好，故障率大幅度下降。

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