新聞主題	柴油發電機氣缸體疲勞試驗原理和目的

 

摘要：氣缸體是柴油發電機的重要基礎部件，為了考核柴油發電機氣缸體的可靠性，需對氣缸體進行液壓加載疲勞試驗，從而確定氣缸體的疲勞壽命和安全系數范圍。通過對一定數量的氣缸體進行疲勞試驗，對氣缸體疲勞試驗狀態進行了定義，對試驗件的損壞進行了分類，找出氣缸體的薄弱部位，為設計師改進設計提供依據。

 

一、氣缸體疲勞試驗的目的

 

      氣缸體是柴油發電機的重要基礎部件，運行中主要承受氣體爆發壓力和連桿曲軸運動系統對其施加的載荷，因此在柴油發電機設計中要求氣缸體具有足夠的剛度和強度。為了保證氣缸體的使用壽命，對疲勞強度也有較高的要求。

為了評定氣缸體在柴油機工作狀況下的可靠性，在進行氣缸體疲勞試驗時需要對氣缸體施加一定的脈動載荷。通常在液壓疲勞試驗機上，模擬在一定爆發壓力下運轉的柴油機氣缸體所能承受的載荷進行試驗。疲勞試驗主要是用來對現生產中的零部件進行驗證，因此樣品必須與現生產水平保持一致。在柴油機開發的早期階段，也用于對柴油機零部件進行初期的試驗，以確定其可靠性。在確定氣缸體疲勞試驗中所施加的脈沖壓力時，主要考慮氣缸體（或氣缸套）的耐壓性能和主軸承蓋的承載能力，同時考察氣缸體整體承受脈沖壓力的能力。

      康明斯公司經過10年的試驗摸索及相關工作，現已形成完備的試驗方法，成功地制造了性能優異的缸體疲勞試驗機，試驗方法和設備水平已與國際接軌。同時，積累了大量的試驗數據和試驗成果，現將部分內容進行簡單介紹。目前，國內的氣缸體材料多為鑄鐵和鋁合金，大機型氣缸體多使用灰鑄鐵，尤其以HT250為主。本文主要介紹了灰鑄鐵氣缸體在疲勞試驗中的試驗件損壞情況。

 

二、疲勞試驗設備、原理、方法

 

1、試驗設備

      發動機氣缸體疲勞試驗機由主機、泵站、計算機控制系統、軟件系統、恒壓伺服泵站及管路系統等組成，主要應用于各類結構件、部件的動態性能、疲勞壽命等力學性能試驗。試驗機可以完成以下幾種試驗項目：拉伸疲勞試驗、拉壓疲勞試驗、斷裂韌度試驗、裂紋擴展試驗、應力疲勞試驗、應變疲勞試驗，符合GB/T2611《試驗機通用技術要求》、GB/T16826《電液伺服 試驗機》、GB3075《金屬軸向疲勞試驗方法》、JB/T9397《拉壓疲勞試驗機技術條件》、GB228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》等試驗標準要求。

（1）全數字電液伺服六通道氣缸體疲勞試驗系統該系統如圖1所示，其主要性能指標是脈動壓力為0~22 MPa、工作頻率為1~5 Hz、油源壓力為28 MPa、油源流量為100L/min、油源功率為55kW。

（2）內燃機氣缸體疲勞試驗機主要性能指標是脈動壓力為0~32 MPa、脈動壓力加載頻率在4~20 Hz連續可調、油源壓力為45MPa、油源流量為68L/min、油源功率為60kW。

2、原理

       氣缸體疲勞試驗的加載方式見圖2。試驗主要考核主軸承壁（或連體主軸承壁）、缸套、氣缸體本體，同時對其它相關零件也有一定的考核作用。在氣缸體疲勞試驗中，液壓設備加載的壓力通過相關夾具首先傳遞到活塞連桿系統，然后傳遞到主軸承壁及氣缸體整體。在試驗過程中，相關緊固件同時受力，在加載的油腔部分缸套和缸墊同時受到考核。

（1）氣缸套耐壓試驗

      氣缸套耐壓試驗是將設備輸出的高壓液壓油注入到模擬活塞上方的空間，以此考察氣缸套的耐壓性能。

（2）主軸承蓋承載能力試驗

      主軸承蓋承載能力試驗是將設備輸出的高壓液壓油注入到模擬活塞上方的空間，對模擬活塞施加一定的脈沖壓力。通過模擬活塞、活塞、連桿、模擬曲軸將力傳遞到主軸承蓋上，以此考察其疲勞性能。

3、方法

      試驗將通過負荷增加法（負荷增加法主要用于試驗樣件數量非常有限的情況；在條件允許的情況下，也可以按P-S-N曲線法進行）進行。該試驗過程一直進行到氣缸體出現裂縫，或者裂紋根本不出現（由試驗設備或其他柴油機零件所限）。根據所使用的試驗臺架，可以采用以下加載方式。

（1）單缸加載

      在該過程中，每次只對1個氣缸進行試驗。

（2）多缸加載

      同時對2個或2個以上氣缸進行試驗。所有的主軸承蓋都要進行試驗。試驗載荷在0和所需要的最大試驗載荷之間脈動。

 

圖1  發動機氣缸體疲勞試驗機

圖1  柴油機氣缸體疲勞試驗的加載方式

 

三、疲勞試驗步驟

 

1、確定加載方式

      根據設計和生產部門對氣缸體疲勞性能的要求，確定適當的加載方式。

2、材料非線性

      材料非線性是指材料具有非線性的應力應變關系。Abaqus軟件支持用戶使用*PLASTIC選項定義金屬材料的塑性性能。*PLASTIC選項中的數據將材料的真實屈服應力定義為真實塑性應變的函數。同時Abaqus支持在各材料參數中使用溫度相關的數據，例如：彈性模量、泊松比、應力應變曲線等。為了更準確的獲得應力計算結果，在分析時缸體材料采用彈塑性數據，即試驗獲得的應力應變曲線，如圖3所示。

3、確定試驗樣品

（1）試驗樣品必須是完整的氣缸體總成，包括連桿總成、活塞、活塞銷、活塞卡環、氣缸套以及連桿軸瓦、主軸承瓦、主軸承螺栓、氣缸蓋螺栓、氣缸墊。

（2）在氣缸體的初始試驗階段，需要3個氣缸體進行試驗，但在產品的確認階段需要8個氣缸體。

（3）在進行疲勞試驗前，需要對試驗氣缸體進行常規檢驗，以確定試驗氣缸體是否符合技術條件及圖紙要求。

（4）試驗樣品必須明確其在設計過程或生產過程中所處的具體環節。

4、試驗過程

（1）首先計算出試驗負荷，試驗負荷等于名義負荷×期望的安全系數再減去1-2個增量。按此負荷進行疲勞試驗。

（2）達到指定循環次數，氣缸體沒有損壞，則負荷水平每次增加1個增量繼續進行試驗，直到氣缸體損壞。

（3）氣缸體損壞前的最后負荷值即為疲勞強度的估計值。

（4）載荷增量是名義載荷的15%~25%。

      如果條件允許采用P-S-N曲線法，則估算疲勞極限時，可得出存活率為50%的P-S-N曲線。其中，主軸承蓋承載能力試驗結果經過數據處理后lgS-lgN曲線見圖4。

 

圖3  氣缸體金屬材料應力應變曲線

圖4  柴油機氣缸體承載能力中值lgs-lgn曲線

 

四、試驗狀態與實例分析

 

1、疲勞試驗狀態

      對氣缸體疲勞試驗而言，是對氣缸體進行液壓加載的破壞性試驗，從而得出氣缸體的安全系數范圍和疲勞壽命，同時找到氣缸體的薄弱部位，為設計和生產部門提供數據和改進建議。

      每個氣缸體疲勞試驗都需要加工模擬氣缸蓋、模擬曲軸等一系列夾具，同時要安裝活塞連桿系統、緊固件和氣缸墊等零件以盡量貼近真實工況，因此存在“理想狀態”的問題，即在氣缸體疲勞試驗中，夾具、活塞連桿系統、緊固件和氣缸墊有足夠的承受能力（包括受力和密封能力）的試驗狀態。在理想試驗狀態下受到考核并首先損壞的是主軸承壁、缸套部位和氣缸體整體。與之相對的在氣缸體疲勞試驗中，首先受力損壞的是除氣缸體外的其它零件的試驗狀態，本文中稱之為“非理想狀態”。

      未將活塞連桿系統、氣缸墊等零件用夾具代替是因為要在盡量貼近真實工況、減少工作量的同時對氣缸體外的其它零件進行考核。

2、試驗件損壞分類

      理想狀態和非理想狀態是根據試驗結果（損壞部位）界定的。本文根據試驗結果將氣缸體疲勞試驗件損壞分為兩大類，即理想狀態和非理想狀態，在這兩大類下又進行了細化，具體分類見表1。

表1     柴油機氣缸體疲勞試驗件損壞表

 

      以上損壞部位和形式中很多為單獨1種損壞，但也有2種以上損壞形式同時出現的情況，在這種情況下就需要進行失效分析，根據材料、結構和臺架等綜合情況判斷第一損壞部位，以確定整個氣缸體真正的薄弱部位，為設計部門改進設計提供依據。

3、實例分析

（1）某氣缸體材料：HT250。

（2）試驗條件：缸內壓力27MPa;試驗頻率5Hz。

（3）運行次數：260萬次。

（4）試驗結果：氣缸體端面損壞，肉眼可見裂紋，長度約10cm。

（5）磁粉探傷：氣缸體一側的端面整個斷裂，但其它位置未發現裂紋。

（6）斷口：將裂紋處取樣剖開后，未發現明顯疲勞源。

（7）受力：在氣缸體疲勞試驗中，氣缸體端面會受到從主軸承蓋螺栓處垂直向下的頻繁拉力作用。

（8）分析：對斷口進行觀察，傾向于此氣缸體在端面定位孔內側下方的圓角處產生應力集中并首先開裂，之后由于氣缸體端面繼續受力，導致裂紋向兩側及向外側延展，從而將端面撕裂。

（9）有限元分析結果 ：利用Abaqus軟件計算缸體燃燒室內高壓油壓力最大時結構上的Mises應力。計算結果表明缸口開裂位置的Mises應力較小，在70MPa以下，如圖5所示。試驗結果提供給設計部門后，對氣缸體相關部位進行了更改和加強設計，更改后的氣缸體成功地通過了第2輪疲勞試驗。模擬仿真的邊界條件修正后計算結構如圖6所示。

 

柴油機氣缸體Mises應力計算結果

氣缸體修正載荷后應力與變形計算結果

 

總結：

      在進行氣缸體疲勞試驗時，由于加載的液壓壓力遠大于柴油發電機的正常工況，會產生損壞其它零部件的情況，所以氣缸體疲勞試驗不僅考核氣缸體的可靠性，同時也考核相關零件的疲勞性能，這對柴油發電機零部件的開發設計是至關重要的。同時，根據氣缸體及其它零部件損壞的方式、位置可以判斷疲勞試驗中受力的薄弱部位，進而給設計部門提供設計依據。

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