船用柴油機電控噴油器高速電磁閥耐久性研究

金江善，方文超

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

船用柴油機電控噴油器高速電磁閥耐久性研究

金江善，方文超

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

電控噴油器是保障船用大功率柴油機可靠運行、提高整體性能、降低污染排放的關鍵部套，其中高速電磁閥則是決定電控噴油器性能的核心部件，然而目前對高速電磁閥工作耐久性分析的研究還非常缺乏，導致電磁閥的長壽命設計還存在瓶頸。因此，本文在高速電磁閥動力學性能數值仿真的基礎上，結合配機耐久試驗數據，對高速電磁閥在不同工況下的機械疲勞問題展開綜合性研究，重點討論并驗證了量孔板密封錐面撞擊理論壽命模型的有效性，研究結果可為電控噴油器電磁閥的設計優化及壽命預測提供科學支撐。

電控噴油器；高速電磁閥；可靠性；耐久性分析；動力學仿真

0 引 言

隨著化石能源的日趨枯竭和排放法規日益嚴格，柴油機朝著低污染、低油耗和高比功率的方向發展。作為 20 世紀末內燃機行業的三大突破進展之一的電控高壓共軌系統[1]，可以做到對工況進行實時監測，并且根據每個工況變化計算出實際需要的油量、壓力和正時，以此改善燃燒，使柴油機具有良好的動力性、經濟性和排放性，因此，高壓共軌技術被認為是解決柴油機環保和節能雙重壓力的最有效與最經濟的手段之一[2]。高速電磁閥作為電控高壓共軌系統電控噴油器的核心部件，其精準控油能力對柴油機噴油和燃燒效果具有極大影響[3]，如何保證電磁閥的可靠性是關鍵問題。

電磁閥所處的工作環境極其惡劣，開啟周期在毫秒量級，鋼球與量孔板密封錐面頻繁高速撞擊，因此量孔板密封錐面耐久性成為影響噴油器可靠性的薄弱環節。目前，針對電磁閥的研究主要集中于其動態響應[4–9]，并取得了一定進展，但關于電磁閥密封錐面耐久性的研究比較稀少。梁家玉等[10]通過對電磁閥噴油器國內外標準的解析，得出了耐久性檢測的技術條件及功能需求，并據此設計了耐久性試驗臺；李文平等[11]研究了2種材料的球與3種材料的孔板配副的摩擦磨損性能，指出其中鋼球-量孔板密封錐面為電磁閥耐久性的薄弱環節，但是由于條件限制，未能對密封面耐久性給出量化指標。陳云霞等[12]針對機械產品的耐久性指標計算提出了一套基于故障物理的壽命分析方法，為電磁閥的耐久性研究提供了定量計算的思路。

本文首先針對電控噴油器高速電磁閥所存在的耗損型失效機理進行定性分析，確定引起電磁閥失效的主機理，針對確定的球閥沖擊疲勞機理開展數值仿真分析，獲取不同工況條件下的沖擊應力，并在此基礎上開展了耐久性指標計算，考慮到實際使用環境條件下的超高周疲勞問題，通過分析材料在超高周條件下的疲勞性能，預測了電磁閥的理論壽命，并開展相應的耐久性試驗，用以驗證電磁閥的耐久性指標計算結果，從而為電磁閥的設計改進提供科學依據。

1 高速電磁閥失效機理分析

圖1是電控噴油器的工作原理圖，高速電磁閥與針閥偶件、控制柱塞偶件等共同作用，精準控制噴油器噴油。

來自共軌管的高壓燃油經過高壓油管進入噴油器體主油道，然后分為4部分，其中一路進入噴油器體頭部的蓄壓腔，另一路通過進油量孔進入控制腔，控制腔與進出油量孔相連。剩余2路的高壓燃油兩側向下進入針閥偶件的盛油槽。

當電磁閥不通電時，鋼球在電磁閥彈簧力作用下關閉出油量孔，腔蓄腔內壓力升高，高壓油作用在控制柱塞頂部，由于作用承壓面積的差異使得針閥關閉；當電磁閥通電時，銜鐵在電磁力作用下克服電磁閥彈簧的壓緊力而吸合，鋼球在液壓力作用下也隨之抬起，控制腔內燃油通過出油量孔卸壓，當控制室油壓足夠小的時候，針閥承壓面所受燃油壓力克服電針閥彈簧力和柱塞上座面壓力，抬起針閥，開始噴油。

從電磁閥工作過程分析可知電磁閥的主要失效機理有二：一是控制腔內的高壓燃油通過出油量孔卸壓，產生氣泡，在壓力產生變化時，氣泡破滅并產生“穴蝕”現象，最終導致密封錐面失效。對于這種失效模式，可以通過控制“穴蝕”發生區域有效降低失效風險。二是電磁閥鋼球和密封錐面存在反復高頻沖擊，可能發生沖擊疲勞失效，即密封錐面在鋼球反復高頻作用下，發生塑變“坍塌”，最終導致高速電磁閥密封失效。本文重點分析第2種失效機理。

2 耐久性仿真分析

2.1 仿真模型建立

電控噴油器高速電磁閥的結構包括了鋼球、量孔板、銜鐵、電磁鐵等，如圖2所示。

根據電控噴油器的幾何信息，建立球閥沖擊模型，如圖3所示。電磁鐵實際模型中存在較為復雜的幾何結構，需要對模型進行合理簡化，去掉底座下部區域，只保留撞擊區域，進而可以采用六面體網格，并且對撞擊部位進行局部網格加密，以便提高計算精度，撞擊面加密網格如圖4所示。

仿真過程中所需的材料參數見表1所示，在仿真過程中，共設置3組工況，每組工況對應著不同的油壓、沖擊初速度及球閥桿受力。其中，沖擊初速度及球閥桿受力大小采用試驗實測值，詳細參數如表2所示。

表 1 材料屬性Tab. 1 The material properties of the injector

表 2 動力學分析計算參數Tab. 2 The boundary conditions

2.2 沖擊應力分析

根據上述條件，對電磁閥鋼球與密封錐面的沖擊過程進行了瞬態動力學仿真分析。設置沖擊持續時間為40 μs，圖5給出了密封錐面在油壓160 MPa工況條件下，在2個不同時刻接觸瞬間的應力分布云圖。

從圖5可以看出，應力最大位置均出現在撞擊面附近，呈環帶分布。選取環帶區域提取應力變化曲線，得到密封錐面的沖擊應力變化曲線，如圖6所示，為后續電磁閥耐久性指標計算提供載荷輸入。

2.3 沖擊疲勞分析

根據柴油機任務剖面分解電控噴油器高速電磁閥任務剖面，見表3。

表 3 電磁閥任務剖面Tab. 3 The boundary conditions

通常情況下，針對高周疲勞問題（循環次數為104～107次），采用名義應力法進行疲勞壽命評估。但是對于循環次數大于107次，可以認為是超高周疲勞問題，過去認為循環次數大于107次時，疲勞極限恒定不變，認為產品只要所受載荷低于疲勞極限，就可認為是無限壽命。但是根據現有對于超高周疲勞問題的研究，發現對于不同的材料，疲勞極限還可能存在繼續下降的可能，依據以往無限壽命假設無法滿足準確預測產品壽命的要求。通過文獻調研，發現不同材料的超高周疲勞性能差異很大，至今并沒有某種理論模型可以來描述，現有大多都采用試驗的方法獲取循環次數大于107次所對應的極限應力，即將S-N曲線延伸擬合。分析研究數據發現，一部分材料在106～107次循環加載后存在疲勞極限，且在106和109次循環加載后的極限應力差異小于50 MPa，具備這類特性的代表性材料為銅、鎳以及一些合金，此外，低碳鋼、某些不銹鋼和球墨鑄鐵也表現出這樣的性質；另外一部分材料在超高周條件（大于107次）下疲勞強度差異在50～300 MPa之間，這些材料的S-N曲線在超高周區域大體呈現線性下降趨勢，即針對超高周疲勞問題不存在疲勞極限。

通過查閱文獻[13]，確定電磁閥材料的超高周疲勞的S-N曲線，如圖7所示，從圖可知，電磁閥材料的S-N曲線取對數后，在超高周區域大體呈現線性下降趨勢，即針對超高周疲勞問題不存在疲勞極限。通過線性擬合，獲取材料的疲勞參數為3.94。因此，依據現有超高周疲勞數據結合名義應力法計算獲取的電磁閥理論疲勞壽命是較為準確的結果。

電磁閥工作過程中所得的應力變化情況確定其應力比為R=0，先采用Goodman平均應力修正方法進行應力修正獲取等效平均應力σe（R=1），再從S-N曲線上讀取對應的疲勞壽命。Goodman修正公式表示為：

選取電磁閥工作過程中的應力最大值，采用名義應力法計算高速電磁閥在推進用途下的理論壽命，計算數據見表4，密封錐面的理論壽命為2.26×107。

表 4 密封錐面理論壽命Tab. 4 The theoretical life of seal seat surface

3 耐久試驗分析

在柴油機上按照任務剖面和仿真給定參數，開展了1 000 h配機耐久試驗。分別在0 h，750 h以及1 000 h對電磁閥量孔板密封座錐面進行檢查，采用影像儀對表面進行了拍攝，結果見圖8。

從圖8看出：工作750 h（等效于1.95×107次），量孔板密封錐面在鋼球的反復撞擊下，密封“線”逐漸變寬形成密封“帶”，工作1 000 h（等效于2.60×107次），密封帶有加劇變寬趨勢。電控噴油器工作1 000 h后性能復測表明噴油量重復性變差，分析認為是電磁閥密封性能降低所致。而通過耐久性仿真分析，得到的量孔板的沖擊疲勞理論壽命預測值為2.26×107次，與1 000 h試驗等效次數基本一致，由此可以驗證預測模型的選取及相關參數選取的準確性。

4 結 語

1）通過對電控噴油器電磁閥的工作原理及相應的機理分析，定性確定沖擊疲勞是影響電磁閥耐久性的關鍵因素。

2）通過對量孔板與鋼球的撞擊應力和撞擊疲勞分析，依據現有超高周疲勞數據結合名義應力法，計算獲取了量孔板的理論壽命，并探討了電磁閥理論疲勞壽命模型預測的準確性。

3）根據推進特性任務剖面1 000 h 配機耐久試驗結果可知:量孔板密封錐面在鋼球反復撞擊2.60×107次后，密封“線”變成密封“帶”，即疲勞變形，密封性能出現降低。試驗與仿真分析對比表明，電磁閥理論疲勞壽命模型分析的結果與試驗結果基本一致，驗證了預測模型的準確性，可以為電磁閥的性能優化設計提供支撐。

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Durability analysis of the high-speed solenoid valve of marine diesel engine injector

JIN Jiang-shan, FANG Wen-chao
(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108)

Electronically controlled injector is a key component to ensure the reliable operation of marine high-power diesel engine, improve the overall performance and reduce pollution emissions. The high-speed solenoid valve is the core part for the performance of electronic control injector. However, durability analysis of the study is very lacking, resulting in long-life design of the solenoid valve there are bottlenecks. Thus, on the basis of numerical simulation of the kinetic performance of the solenoid valveand the experimental data, the durability analysis of the high-speed solenoid valve in different conditions wasdone. The main focus was on theeffectivityof the life model of the steel ball and orifice plate. The results can provide scientific basis for the design optimization and life prediction of electronically controlled injector.

electronically controlled injector；high speed solenoid valve；reliability；durability analysis；dynamic simulation

TK42

A

1672 – 7649(2017)09 – 0091 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.018

2017 – 05 – 25；

2017 – 06 – 14

金江善(1979 – )，男，研究員，研究方向為船用柴油機高壓共軌技術及智能化控制技術。