活塞式發(fā)動機氣缸蓋失效分析

于雪峰，譚 興，馬成福

中國石油西部管道烏魯木齊輸油氣分公司，新疆烏魯木齊 833418

1 故障描述

WAUKESHA 7042GSI型發(fā)動機主要用于天然氣壓縮機組，發(fā)動機氣缸蓋安裝在氣缸上部，氣缸蓋上設置有水套，主要功能是和氣缸共同密封氣缸的上平面，并與活塞頂部共同形成燃燒室空間。發(fā)動機在大修更換氣缸蓋時，發(fā)現有氣缸蓋在排氣孔之間鼻梁處出現裂紋，并且在停機后對缸內進行檢查時發(fā)現氣缸中有少量通過裂紋進入氣缸的冷卻液。由于氣缸工作狀態(tài)為高溫，如果氣缸內有冷卻液的存在就會對氣缸造成損傷，而且也會對氣缸內的潤滑造成破壞，所以需要這種故障進行分析和改進，進而減少這種故障發(fā)生的概率。因此，我們針對機組發(fā)動機氣缸蓋鼻梁處出現裂紋的這種熱故障，對氣缸蓋進行有限元熱應力分析計算，找出裂紋出現原因，并對此種故障形式提出維護保養(yǎng)方案

2 故障成因初步分析

發(fā)動機是燃料在氣缸中進行燃燒，釋放化學能，加熱工質使其膨脹，并通過曲柄連桿機構轉化成機械功的原動機。燃料的燃燒使發(fā)動機燃燒室周圍的零部件部受到加熱使其工作濕度升高。氣缸蓋是發(fā)動機中結構最復雜、機械負荷和熱負荷最高的零件之一，氣缸蓋也直接受到高溫高壓燃氣的作用，其熱負荷的高低隨發(fā)動機型式、結構、性能指標等變化。承受高熱負荷的氣缸蓋，有可能產生蠕變、熱疲勞等熱故障妨礙發(fā)動機長期可靠的工作，或者成為進一步提高發(fā)動機性能指標的障礙。

根據日本海事協會注冊船舶的統計，1973年大型低速發(fā)動機氣缸蓋的損壞率（按臺數）為：UEC型14.2%，B＆W型7.5%，蘇爾壽型18.6%，MAN型30.4%。我國東風4型發(fā)動機車1979年的廠修中，氣缸蓋裂損占總損壞率的69%，1982年的廠修中氣缸蓋平均更換率為4%，1983年為8.81%，1984年上半年為14.4%。1980年，在2000h試驗（持續(xù)功率為2646kW）的后期，16V 240Z型柴泊機1-8缸氣缸蓋的破損率達50%。在研制N100型高速柴油機的過程中，氣缸蓋經150h～650h運行后便發(fā)現進排氣閥孔與渦流室通道孔之間的鼻梁區(qū)出現裂紋。近年來引進的大功率中速發(fā)動機發(fā)電機組中，發(fā)生氣缸蓋裂損的例子也不少。如某電站的五臺引進機組中，經兩年左右運行后氣缸蓋裂損失效率達30%。可見氣缸蓋熱裂損壞是發(fā)動機常見的故障之一。

根據以上文獻中統計數據分析，可以看出發(fā)動機氣缸蓋排氣孔之間鼻梁處裂紋故障屬于常見故障，并且是由于高溫引起的熱故障，因此需要對氣缸蓋進行熱分析計算。

3 計算說明

由于氣缸蓋結構復雜，因此對氣缸蓋模型進行簡化，簡化模型如圖1。

通過查閱發(fā)動機說明書和文獻，經過計算，得出需要輸入的計算參數如下：

氣缸蓋水冷卻側：冷卻液溫度78，表面?zhèn)鳠嵯禂?150W/m2·k～2300W/m2·k，壓力 0.03MPa。

氣缸蓋火力面?zhèn)龋喝細鉁囟?550℃，燃氣平均壓力1.2MPa，表面?zhèn)鳠嵯禂?69 W/m2·k。

氣缸蓋材料屬性：彈性模量140GPa～154GPa，泊松比0.3，膨脹系數 11.5-12.7E10-6℃-1，熱導率39.2W/m2·k 。

計算正常工作狀態(tài)時取氣缸蓋冷卻側對流換熱系數為1275W/m2·k，通過ANSYS軟件計算得出缸蓋在正常工況下溫度場，如圖2。

圖1 氣缸蓋簡化模型

圖2 氣缸蓋正常工作溫度場

由圖2可以看高溫區(qū)出現在排氣孔口鼻梁處，最高溫度為260℃～280℃，而且比周圍低溫區(qū)高近100℃。此計算結果溫度分布與文獻中同類發(fā)動機實測結果大致相同，再進行正常工作狀態(tài)下熱應力場計算，得出結果，如圖3。

圖3 氣缸蓋正常工作應力分布

由圖3可以看出，氣缸蓋排氣孔口鼻梁處為壓應力極值處，為 102×104MPa～120×104MPa。

在發(fā)動機運行一段時間后，由于積碳或水垢，或者異常負荷導致高溫的情況等異常狀況可能發(fā)生，因此需要再計算異常工況下的氣缸蓋溫度分布情況。

溫度分布和應力分布，取冷卻側對流換熱系數為750W/m2·k，燃氣平均溫度為600℃，計算得出氣缸蓋溫度分布和應力分布如圖4、圖 5。

圖4 氣缸蓋異常工作溫度場

圖5 氣缸蓋異常工作應力分布

由圖4可以看出，在異常工作狀況下，鼻梁處的溫度為347℃～372℃，比正常工作狀況下升高近100℃，壓應力為147×104MPa～173×104MPa。

氣缸蓋的材料是鑄鐵，其抗壓強度為1600MPa～2000MPa，根據計算可以得知，氣缸蓋在正?；虍惓９ぷ飨聣簯Χ蓟痉弦螅墙饘僭陂L時間的高溫、高壓作用下，即使應力低于屈服強度，也會緩慢地產生塑性變形，稱為蠕變。一般說來碳鋼、鑄鐵的工作溫度高于300℃，就要考慮蠕變的影響。因此，可以看出氣缸蓋鼻梁處出現裂紋故障是由于發(fā)動機氣缸內的異常高溫和冷卻側的換熱不良導致氣缸蓋鼻梁處產生了蠕變，造成壓塑性變形，然后在發(fā)動機停機后冷卻到室溫時，壓塑性變形無法還原導致產生殘余拉應力，從而形成斷裂。因此，減小此種故障產生的概率主要是控制氣缸內溫度和冷卻側的換熱效果。

4 改進措施

由以上分析可以看出，發(fā)動機氣缸蓋排氣孔口鼻梁處出現裂紋的主要原因是此處局部溫度過高，因此需要控制此處的溫度以減小這種故障發(fā)生的概率，主要的控制方法也就需要圍繞著與溫度相關的參數。

影響氣缸內溫度的參數很多，有平均有效壓力、轉速、冷卻水側溫度及換熱效果、點火提前角、進氣溫度及壓力、過量空氣系數等因素、壓縮比及爆震。其中冷卻水側溫度和換熱系數、過量空氣系數及爆震的影響比較顯著，因此控制此三個參數對減小此種故障概率可以起到很顯著的效果。

5 結論

利用ANSYS商用軟件對發(fā)動機氣缸蓋建立了有限元模型，進行了溫度場和應力場計算，計算結果顯示發(fā)動機氣缸蓋排氣孔口鼻梁處斷裂的主要原因是鼻梁處在高溫下受到熱壓應力的作用發(fā)生了壓塑性變形，機組停機后冷卻到常溫時鼻梁處產生了拉應力導致斷裂。主要的技術改造方案是加大鼻梁處寬度尺寸，增加此處的換熱面積及冷卻水的流通量，以此來降低鼻梁處的溫度梯度，減小熱應力。但是這種改造方案會影響到發(fā)動機的整體性能，所以需要與原廠工程師進行深入的探討和反復計算才能確定。此外，還可以在發(fā)動機的運行維護中控制冷卻水側溫度和換熱系數、調整過量空氣系數及減少爆震發(fā)生頻率這三個方面來減小鼻梁處斷裂發(fā)生的概率，提高氣缸蓋工作的可靠性。

[1]中國石油管道公司烏魯木齊輸油氣分公司編譯.WAUKESHA發(fā)動機手冊[M].烏魯木齊：新疆大學出版社.

[2]西安交通大學壓縮機教研室編.活塞式壓縮機設計[M].西安交通大學.

[3]林梅，孫嗣瑩.活塞式壓縮機原理[M].西安交通大學.

[4]蔡懷崇，閔行.材料力學[M].西安交通大學出版社.

[5]黃洪鐘.模糊設計[M].機械工業(yè)出版社.

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