冷熱沖擊對發(fā)動機缸蓋損傷機理分析與實際應(yīng)用

0 引言

直噴增壓發(fā)動機缸蓋在高溫和低溫循環(huán)交替的條件下，會處于一種屈服工作狀態(tài)，經(jīng)常會在燃燒室部位引起疲勞裂紋。若結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮不周，會在實際開發(fā)驗證中以及后期市場上出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。目前，在產(chǎn)品開發(fā)前，可通過仿真分析方法來預(yù)測氣缸蓋是否可以承受高低溫沖擊

，并能預(yù)測缸蓋的疲勞安全系數(shù)

。發(fā)動機在實際使用過程中，要經(jīng)歷不計其數(shù)次起、停循環(huán)及負載的變化，導致發(fā)動機的熱負荷產(chǎn)生劇烈變化，缸蓋是最容易受到損傷的重要零部件。對于缸蓋來說，常見的低周疲勞失效模式為缸墊處機油、冷卻液泄漏，火花塞孔及鼻梁區(qū)開裂等。冷熱沖擊試驗通常是檢驗缸蓋低周疲勞比較有效的試驗方法之一。

宋睿更用睿言智語闡釋了云圖控股對未來的判斷?！皫啄昵拔揖驼f過，復合肥企業(yè)的好日子一去不復返了。農(nóng)資產(chǎn)業(yè)過去二十年經(jīng)歷了三個階段，2018年又出現(xiàn)了分水嶺。各種政策疊加令形勢吃緊，今年又出現(xiàn)一波獨立行情，原材料瘋漲，復合肥價格不動?！彼晤ＵJ為，一個生產(chǎn)企業(yè)必須準確預(yù)測到五年，乃至更長時間的市場格局。云圖看終局，復合肥就是一個加工行業(yè)。未來誰掌控資源，誰才有拓展市場的能力。宋睿強調(diào)：“隨著一些資源項目投產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)鏈的進一步延長，云圖控股將拿出一部分利潤，讓經(jīng)銷商贏回市場、贏得尊重?！?/p>

1 發(fā)動機缸蓋低周疲勞損傷模型

1.1 缸蓋低周疲勞理論和缸蓋相對損傷模型

當載荷超過σe時，工程材料和構(gòu)件將產(chǎn)生永久性的變形，即在載荷消除后將產(chǎn)生不可逆變形。在接近甚至超過其屈服強度的循環(huán)應(yīng)力的作用下，塑性應(yīng)變循環(huán)所造成的疲勞(如10

～10

)被稱為低周疲勞。低周疲勞中，應(yīng)力和應(yīng)變的問題相應(yīng)地變得復雜，而不是簡單的線性彈性變化。

基于損傷累積的Miner理論以其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便等優(yōu)點在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于Miner公式的計算結(jié)果在某些情況下不盡人意, 許多科技工作者曾作了大量的研究, 提出幾種累積損傷理論, 但都因其局限性未能推廣。但Miner線性累積損傷理論仍是目前應(yīng)用最廣泛的理論。局部應(yīng)力-應(yīng)變方法是一種基于危險部件在加載過程中的局部應(yīng)力、應(yīng)變疲勞壽命的估算方法。Manson-Coffin公式是局部應(yīng)力應(yīng)變法中著名的應(yīng)變-壽命關(guān)系公式

。

本文應(yīng)用的Miner線性累積損傷理論和Manson-Coffin公式模型如下:

為應(yīng)變幅值；

分別為一次循環(huán)破壞時的塑性變形滯后環(huán)上的塑性應(yīng)變幅；

為疲勞延性指數(shù)；

試驗工況一主要驗證發(fā)動機機體以及缸墊所能承受冷熱沖擊的能力，每循環(huán)24min，共計1000個循環(huán)。

1.2 計算需求參數(shù)

根據(jù)下述Manson-Coffin公式分別計算出缸蓋火花塞安裝孔在兩種冷熱沖擊工況下產(chǎn)生疲勞裂紋的循環(huán)次數(shù)，然后再計算出每種工況實際運行循環(huán)與其對應(yīng)壽命循環(huán)數(shù)的比值，我們把此比值定義為該工況下的考核強度，以此來判斷兩種試驗工況考核強度的大小。

基于統(tǒng)計的巖石密度數(shù)據(jù)可知，偏基性的安山巖、玄武巖密度較高，超過2.50×103kg/m3，因此，可推測高密度巖石中偏基性的火山巖占有較大比例，而低密度巖石中偏酸性的火山巖所占比例較高。由此可得出冀北地區(qū)火山巖在空間上的分布呈現(xiàn)以下規(guī)律：偏酸性的火山巖圍繞著偏基性的火山巖以環(huán)狀形式分布。

：對應(yīng)于第

級載荷水平直至疲勞破壞的循環(huán)數(shù)(相當于壽命)；

試驗工況二：檢驗零部件對高低溫瞬間變化的承受能力，每循環(huán)360～480秒，共計3000個循環(huán)。

2.3.1 局部應(yīng)力應(yīng)變法

2 缸蓋熱機疲勞分析

2.1 溫度場試驗與仿真結(jié)果

分析主要考慮全速全負荷工況以及怠速(停機)工況，先通過CFD分析得到燃燒室的溫度及換熱系數(shù)邊界。再通過雙向流固耦合計算得到兩種工況下的缸蓋燃燒室溫度場分布。

為了驗證仿真數(shù)據(jù)與真實試驗數(shù)據(jù)的差異性，試驗前在發(fā)動機缸蓋的鼻梁區(qū)安裝了熱電偶傳感器，然后運行發(fā)動機，分別按照兩種冷熱沖擊試驗工況和溫度邊界運行，并測量得出鼻梁區(qū)真實的金屬溫度值。試驗工況一額定工況溫度分布如如圖1，停機工況溫度分布如圖2。試驗工況二額定工況溫度分布如圖3所示，怠速工況溫度分布如圖4所示。

試驗工況一仿真最高溫度為193.7℃，最低溫度為14℃，試驗數(shù)據(jù)最高為188.8℃，最低溫度17.5℃。試驗工況二仿真最高溫度為193.7℃，最低溫度為52℃，試驗數(shù)據(jù)最高為186.5℃，最低為42.8℃，兩者的趨勢基本一致。

2.2 應(yīng)力及應(yīng)變分析結(jié)果

因水資源時空分布差異較大，受強降雨、強臺風影響，各地頻繁發(fā)生洪澇災(zāi)害，水利人一直都在與水患災(zāi)害進行斗爭。近年來我國水利建設(shè)獲得了可喜的成就，大江大河治理初見成效，積累了寶貴的水利建設(shè)經(jīng)驗，不過我們也應(yīng)該看到，當前水利建設(shè)過程中也存在著很多問題，如管理機制不靈活、管理體制不合理。水利工程是一項綜合性工程，它具有一定公益性，同時也帶有經(jīng)營性質(zhì)，公益、經(jīng)營二者混在一起，責任不清楚，同時運行機制也不靈活，使得管理單位不能全身心投入到管理活動中，同時也缺少經(jīng)營的能力；建設(shè)與管理脫節(jié)，后期管理缺少資金投入；基層管理單位條件差，人員配備不足，留不住高素質(zhì)人材。

由于氣缸蓋火力面承受高溫高壓燃氣沖擊，在實際工作中會產(chǎn)生較高的溫度和較大的應(yīng)力，使該區(qū)域發(fā)生塑性變形，進而產(chǎn)生熱機疲勞損傷。此次主要分析缸蓋內(nèi)燃燒室，經(jīng)過兩個分析循環(huán)后，等效塑性變形趨于穩(wěn)定，仿真分析與試驗結(jié)果匯總見表3。

分析結(jié)果表明排氣門鼻梁區(qū)應(yīng)力低于材料屈服極限，而火花塞孔處應(yīng)力超屈服極限，進入塑性變形區(qū)間。火花塞孔處在試驗工況一中經(jīng)過第一個冷熱沖擊循環(huán)后等效塑性應(yīng)變幅值0.32%，第二個循環(huán)后為0，已穩(wěn)定，如圖5和圖6所示。火花塞孔處在試驗工況二中經(jīng)過第一個冷熱沖擊循環(huán)后等效塑性應(yīng)變幅值為0.269%，第二個循環(huán)后為0，如圖7和圖8所示。

當前，山區(qū)經(jīng)營的果園、桑園、茶園等，林下草本覆蓋水平普遍偏低，有的與耕地種植相似，需要增加草被覆蓋。尤其在六、七兩個月，是水土流失的重點時段，必須禁止皖河流域中上游耕地和園地土壤裸露。

2.3 低周疲勞分析及考核強度對比

Late diagnosis of chronic pancreatitis or pancreatic adenocarcinoma limits treatment and results in a worse prognosis. Despite worldwide investigation,suitable diagnostic markers have not been proposed yet.

為了驗證仿真結(jié)果的準確與否，在同一個機型上多臺發(fā)動機分別進行上述兩種不同的冷熱沖擊試驗工況驗證，冷熱沖擊試驗關(guān)鍵要控制發(fā)動機冷卻液出口溫度。試驗工況一冷、熱工況各180s，其中包含工況切換時間均為15s，工況切換過程冷卻液同步進行切換，熱工況為額定功率點，冷工況為怠速點，此過程為一個試驗循環(huán)，試驗共進行3000個循環(huán)。試驗工況二熱工況維持運行500s，從冷工況到熱工況切換時間為40s，熱工況為額定功率點，冷工況為發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持時間為750s，從熱工況切換到冷工況為150s，此為一個試驗循環(huán)，共計運行1000個循環(huán)，兩種試驗工況的冷卻液出口溫度控制分別如表1和表2所示。

2.3.2 壽命計算及考核強度對比

零部件溫度的獲取途徑主要通過整機溫度場試驗直接獲取試驗過程中的缸蓋火力面的溫度變化。

超臨界CO2絡(luò)合萃取法是選擇帶有正電荷的金屬離子和帶有負電荷的絡(luò)合劑，通過絡(luò)合反應(yīng)形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，最后在相中加入極性改性劑使配合物與超臨界流體分離。袁超［24］用超臨界CO2絡(luò)合萃取綠茶中Cu2+、Pb2+、Cd2+和萃取壓力為25 MPa、萃取溫度為333 K，靜態(tài)萃取時間為30 min，重金屬的總萃取率最達到73.9%，Cu2+、Pb2+、Cd2+的萃取率分別為75.1%，62.3%和61.9%。

Manson-Coffin公式模型如下：

從表4對比結(jié)果來看，試驗工況一單個循環(huán)下的損傷量比試驗工況二大，但因試驗工況一總的試驗循環(huán)次數(shù)少，總的累計損傷小，因此試驗工況一相對于壽命的考核強度只有36.7%，而試驗工況二的考核強度為81.2%，因而試驗工況二總的考核強度更大，為工況一的2.2倍。

3 臺架試驗驗證結(jié)果

此方法是一種基于危險部件在加載過程中的局部應(yīng)力、應(yīng)變疲勞壽命的估算方法?；谄趽p傷的本質(zhì)—塑性變形, 認為疲勞損傷過程就是塑性變形累積到一定量時導致裂紋產(chǎn)生。

試驗結(jié)果表明發(fā)動機均能順利通過試驗工況一，缸墊處無液體滲漏現(xiàn)象出現(xiàn)。但采用試驗工況二進行到1/3～1/2耐久試驗時間時，缸墊處出現(xiàn)了不同程度的潤滑油和冷卻液滲漏現(xiàn)象，如圖9和圖10所示。

仿真雖然模擬了兩種冷熱沖擊工況對火花塞孔的損傷對比，但因?qū)嶋H循環(huán)次數(shù)并未達到疲勞壽命，所以并未出現(xiàn)火花塞孔開裂的現(xiàn)象。但試驗結(jié)果同時也說明，它對發(fā)動機缸墊的密封同樣能起到考核作用，試驗工況一總體考核強度弱于試驗工況二。

4 結(jié)論

在企業(yè)實際開發(fā)流程中，存在兩種不同冷熱沖擊試驗工況，對試驗評價體系造成一定程度的困擾，本文通過熱機疲勞分析及試驗驗證對比了兩種試驗工況考核強度的差異。

我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)起步較西方國家略晚，借鑒和了解掌握全球新能源政策尤其是針對光伏項目補貼政策，對促進我國可再生能源健康發(fā)展和未來光伏市場發(fā)展至關(guān)重要。自2009年開始實施“金太陽示范工程”以來，法規(guī)政策趨于完善，100多項國家政策性文件和地方政府促進區(qū)域光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的措施，營造有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展互補配套的政策環(huán)境，培育了國內(nèi)光伏市場，扶持了產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)，在推動能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮了重要作用，中國光伏“兩頭在外”的局面得到大幅度的改善。未來10年太陽能發(fā)電容量持續(xù)增長，中國將成為全球規(guī)模最大、增長速度最快的太陽能市場。

4.1對缸蓋在熱機負荷綜合影響下的應(yīng)力應(yīng)變進行了彈塑性有限元分析，采用局部應(yīng)力應(yīng)變法，火花塞孔在試驗工況一下的應(yīng)變?yōu)?.320%，在試驗工況二下的應(yīng)變?yōu)?.269%，小于經(jīng)驗值1%；

21世紀的首個10年，是全水利行業(yè)貫徹落實科學發(fā)展觀，實現(xiàn)傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、民生水利和可持續(xù)發(fā)展水利戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期。廣大水利科技工作者按照國家科技工作的十六字指導方針，把握國家科學治水的現(xiàn)實要求，在踐行可持續(xù)發(fā)展治水新思路、推進民生水利新發(fā)展、有效應(yīng)對突發(fā)水事件等方面發(fā)揮著重要的支撐作用。

4.2試驗工況一的計算壽命為2725次，實際運行1000次，驗證強度為0.367。試驗工況二計算壽命為3696次，實際運行3000次，驗證強度為0.812。試驗工況二的整體考核強度強是工況一的2.2倍；

4.3發(fā)動機采用試驗工況一進行驗證，缸墊處無液體滲漏現(xiàn)象。采用試驗工況二進行驗證，試驗過程中或試驗結(jié)束后，缸墊處均出現(xiàn)了不同程度的液體滲漏現(xiàn)象，與仿真結(jié)果預(yù)測的一致，說明本文數(shù)值模擬計算及評價方法的有效性，為實際應(yīng)用提供了理論支撐。

[1]劉凱敏,楊靖, 張思遠,等. 增壓直噴汽油機排氣歧管低周疲勞的研究[J]. 汽車工程, 2016(3):373-379.

[2]王先瑞. 發(fā)動機缸蓋低周疲勞分析方法研究[J]. 汽車實用技術(shù), 2017, 000(016):74-76.

[3]蘇圣,胡景彥,吳豐凱,陳超,江帆,呂希斌.缸蓋冷熱沖擊低周疲勞的研究[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2014,41(01):40-42.

[4]路明,王振.缸蓋低周疲勞分析方法研究[J].機械制造與自動化,2016:93-95.

[5]張應(yīng)兵,路明.不同工況下的缸蓋低周疲勞對比分析[J].《汽車實用技術(shù)》,2018:42-43.

[6]聶宏.Miner公式和Manson-Coffin公式的能量基礎(chǔ)[J].航空學報,1993(05):310-312.

[7]胡延東, 胡志忠, 曹淑珍. 物理短裂紋Manson-Coffin公式的理論研究及壽命預(yù)測[J]. 中國科學:技術(shù)科學, 2012, 042(003):36-45.