發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋熱疲勞試驗(yàn)技術(shù)

趙俊平，吳永強(qiáng)，樊曉光，牛恩來，余金科，李少兵，王祖勇

東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心 湖北十堰 420001

1 序言

氣缸蓋是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，需承受高溫、高爆壓和冷熱循環(huán)沖擊等，是發(fā)動(dòng)機(jī)極易失效的零部件之一[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋主要的失效模式是缸蓋火力面鼻梁區(qū)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致漏水失效的情況占80%以上，產(chǎn)生裂紋的原因除機(jī)械強(qiáng)度低外，最主要的原因是熱疲勞失效。

缸蓋熱疲勞包括低周（循環(huán)）熱疲勞和高周（循環(huán)）熱疲勞。低周熱疲勞的特點(diǎn)是溫度和熱應(yīng)力變化幅度大，主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷或轉(zhuǎn)速劇烈變化引起的，如發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行、停車循環(huán)，低周熱疲勞是發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋火力面鼻梁區(qū)產(chǎn)生裂紋的最主要因素；高周熱疲勞是發(fā)動(dòng)機(jī)在高頻溫度變化及熱應(yīng)力（與發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率同頻）作用下產(chǎn)生的疲勞，高周熱疲勞的溫度及熱應(yīng)力變化幅度小，產(chǎn)生的危害小，一般不作重點(diǎn)考慮[2]。綜上所述，影響缸蓋鼻梁區(qū)熱疲勞斷裂的核心因素是低周熱疲勞，本文也在此理論基礎(chǔ)上開展試驗(yàn)研究。

低周熱應(yīng)力產(chǎn)生的根源在于“熱脹冷縮受到約束”，因此，產(chǎn)生低周熱應(yīng)力必須有“由溫度引起的熱變形”和“約束”這兩個(gè)條件同時(shí)存在。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，缸蓋火力面由于高溫燃?xì)獾臎_擊，具備高溫，而其背面，因?yàn)橛欣鋮s水的冷卻，溫度相對較低，因此，缸蓋火力面的熱膨脹受到背面低溫的限制，產(chǎn)生很強(qiáng)的壓應(yīng)力，發(fā)生塑性變形；在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，缸蓋火力面又因冷縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力。火力面鼻梁區(qū)在拉壓交變應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋和失效[3]。

產(chǎn)生低周熱疲勞要滿足兩個(gè)條件：一是溫度循環(huán)變化；二是零件熱變形受到約束。缸蓋熱疲勞試驗(yàn)必須圍繞這兩個(gè)要素開展工作，對缸蓋火力面循環(huán)進(jìn)行加熱和冷卻，直至零件開裂，多個(gè)火力面試驗(yàn)結(jié)束后，綜合分析評價(jià)缸蓋熱疲勞性能[4]。在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)行加速熱疲勞試驗(yàn)，即強(qiáng)化試驗(yàn)條件，在短時(shí)間內(nèi)完成的熱疲勞試驗(yàn)。感應(yīng)加熱因其較高的能量密度和控制精度，在汽車零部件熱疲勞試驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用趨于廣泛。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)規(guī)范

對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的低周循環(huán)進(jìn)行抽象分析，就是發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行、停車這三種狀態(tài)的不斷循環(huán)，對應(yīng)到缸蓋熱疲勞試驗(yàn)，就是加熱、保溫、冷卻三種狀態(tài)的循環(huán)。本文的試驗(yàn)方法即模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的這三種狀態(tài)，并且不斷重復(fù)。試驗(yàn)過程如圖1所示，分以下3個(gè)步驟。

圖1 氣缸蓋熱疲勞試驗(yàn)循環(huán)過程

1）以一定速度將缸蓋火力面加熱到高溫。

2）在高溫區(qū)保溫一段時(shí)間。

3）停止加熱，使缸蓋火力面溫度從高溫冷卻至低溫。

重復(fù)以上3個(gè)步驟，直至火力面鼻梁區(qū)開裂。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)的確定

要對如圖1所示過程進(jìn)行高度模擬，就必須做到對加熱過程的準(zhǔn)確控制和溫度的精確測量，感應(yīng)加熱在這方面具有優(yōu)勢，其可以準(zhǔn)確地控制加熱部位和加熱溫度。缸蓋火力面鼻梁區(qū)熱負(fù)荷高，熱疲勞裂紋經(jīng)常在此出現(xiàn)，熱疲勞試驗(yàn)以火力面鼻梁區(qū)為主要對象，制定試驗(yàn)規(guī)范，以下參數(shù)需在試驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)考慮。

（1）最高溫度 最高溫度＝實(shí)測溫度＋高頻修正溫度。某型號發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋火力面溫度場如圖2所示。缸蓋最高溫度出現(xiàn)在火力面氣門間的鼻梁區(qū)，為360℃；高頻溫度修正值為高頻溫度波動(dòng)幅值，中等缸徑的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)為10～20℃，熱疲勞試驗(yàn)取20℃。因此，缸蓋鼻梁區(qū)最高溫度應(yīng)該控制在380℃。缸蓋火力面溫度場可以采用軟件計(jì)算模擬，也可以采用硬度塞法測定。

圖2 某型號發(fā)動(dòng)機(jī)火力面溫度場

（2）最低溫度 當(dāng)缸蓋各部位溫度一致時(shí)，其熱應(yīng)力趨近于零。由試驗(yàn)可知，當(dāng)缸蓋溫度冷卻到120℃左右時(shí)，整個(gè)缸蓋的溫度已基本一致，溫差很小，因此將120℃定為熱疲勞試驗(yàn)的最低溫度，即加熱起點(diǎn)。

（3）加熱速度 最高溫度和加熱速度直接決定缸蓋的熱疲勞壽命。加熱速度的確定原則：保證缸蓋壽命不低于100個(gè)循環(huán)，因?yàn)楫?dāng)缸蓋壽命小于100個(gè)循環(huán)時(shí)，疲勞壽命散差和誤差均較大。經(jīng)試驗(yàn)研究，選定加熱時(shí)間控制在9s左右。

（4）保溫時(shí)間 保溫過程主要影響缸蓋材料的蠕變，高溫蠕變是缸蓋熱疲勞破壞的原因之一，通過保溫可以在一定程度上考慮材料蠕變的影響。設(shè)置一定的保溫時(shí)間是為了使缸蓋被加熱到高溫后有一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)間，幾十秒后缸蓋溫度場即可保持穩(wěn)定，對中小缸徑的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋來說，保溫時(shí)間可確定為30s。

（5）冷卻時(shí)間 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，高溫高爆壓燃?xì)獾募訜崴俣确浅？欤h(yuǎn)大于停機(jī)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的自然冷卻速度，因此基本不用考慮冷卻速度帶來的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。冷卻速度的確定，以能保證溫度場的精度和試驗(yàn)時(shí)間而定。冷卻方式采用鼓風(fēng)機(jī)從氣道口吹風(fēng)，冷卻火力面鼻梁區(qū)，從最高溫度冷卻到最低溫度，冷卻時(shí)間為（110±20）s。

2.3 試驗(yàn)過程

以六缸機(jī)為例，試驗(yàn)分兩個(gè)階段。

（1）模擬溫度場 選取一個(gè)缸，在如圖2所示的溫度場中，取20個(gè)點(diǎn)作為調(diào)試點(diǎn)，在各點(diǎn)埋設(shè)熱電偶，利用感應(yīng)線圈加熱缸蓋火力面，通過熱電偶采集各點(diǎn)的溫度值，通過優(yōu)化感應(yīng)器有效圈（多圈）的形狀和和調(diào)整各圈到缸蓋火力面的距離，使各測點(diǎn)的溫度值逼近于缸蓋溫度場，要求各個(gè)點(diǎn)的最大差值在±25℃以內(nèi)，幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度差值控制在±10℃以內(nèi)。溫度場的熱電偶分布如圖3所示。

圖3 溫度場測點(diǎn)分布

（2）熱疲勞試驗(yàn) 選取一個(gè)缸（進(jìn)行溫度場模擬的缸除外）打孔。因?yàn)楦咨w鼻梁區(qū)是經(jīng)常出現(xiàn)裂紋的區(qū)域（禁止打孔，以免試驗(yàn)過程中小孔處產(chǎn)生裂紋），所以熱疲勞試驗(yàn)時(shí)的溫度控制點(diǎn)和觀測點(diǎn)選擇遠(yuǎn)離鼻梁區(qū)溫度相對較低的點(diǎn)，如圖4所示。溫度控制點(diǎn)選擇進(jìn)氣門與排氣門中間的點(diǎn)，觀測點(diǎn)選擇⑨點(diǎn)和點(diǎn)。由溫度場得知，火力面最高溫度點(diǎn)④的溫度到達(dá)360℃時(shí)，與之對應(yīng)的控制點(diǎn)的溫度是325℃（觀測點(diǎn)：⑨點(diǎn)292℃，點(diǎn)314℃），因此采用點(diǎn)做為控制點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)最高溫度應(yīng)為325℃。

圖4 熱疲勞試驗(yàn)溫度控制點(diǎn)和觀測點(diǎn)

3 基于感應(yīng)加熱方式的缸蓋熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)架

感應(yīng)加熱缸蓋疲勞試驗(yàn)臺(tái)架為自行研制，采用計(jì)算機(jī)控制，試驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，主要由以下4部分組成。

（1）感應(yīng)加熱電源 動(dòng)力部分，輸出電能，加熱零件。

（2）工作臺(tái) 缸蓋的工作場所。

（3）冷卻氣路 采用鼓風(fēng)機(jī)對零件進(jìn)行大強(qiáng)度冷卻。

（4）溫度采集和控制系統(tǒng) 接收缸蓋上熱電偶的信號，自動(dòng)控制試驗(yàn)進(jìn)行，記錄和顯示試驗(yàn)過程，并具有保護(hù)功能。

圖5所示為熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)架的軟件控制界面。“溫度場測試系統(tǒng)”用來檢測溫度場，共有20個(gè)溫度指示，對應(yīng)缸蓋火力面上的20個(gè)溫度檢測點(diǎn)，在檢測溫度的同時(shí)記錄時(shí)間，該參數(shù)在熱疲勞試驗(yàn)時(shí)可作為參考數(shù)據(jù)，界面上的按鈕可對臺(tái)架進(jìn)行操作。“熱疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)”用來進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，設(shè)定好“最高溫度”“最低溫度”“保溫時(shí)間”和“循環(huán)次數(shù)”，按下“自動(dòng)啟動(dòng)”按鈕，臺(tái)架便開始工作，試驗(yàn)完全自動(dòng)進(jìn)行，不需要人工干預(yù)。

圖5 缸蓋熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)架軟件控制界面

具體工作過程為：試驗(yàn)開始后，感應(yīng)電源接通，對缸蓋進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到最高溫度后開始保溫計(jì)時(shí)，保溫期間感應(yīng)電源采取斷續(xù)工作模式，保溫到時(shí)后，鼓風(fēng)機(jī)起動(dòng)，對缸蓋進(jìn)行風(fēng)冷，使其溫度降至最低溫度，至此，完成一個(gè)“加熱-保溫-冷卻”的熱疲勞循環(huán)，計(jì)數(shù)器加1，再繼續(xù)下一循環(huán)。

4 試驗(yàn)實(shí)例

按照某產(chǎn)品開發(fā)需求，進(jìn)行了兩種材質(zhì)（分別記為材質(zhì)A、材質(zhì)B）氣缸蓋的加速熱疲勞對比試驗(yàn)，材質(zhì)A為改進(jìn)型鑄鐵材料，材質(zhì)B為現(xiàn)生產(chǎn)批量鑄鐵材料，兩種材質(zhì)氣缸蓋的力學(xué)性能見表1。

4.1 模擬缸蓋溫度場

按圖2所示的規(guī)范模擬溫度場，經(jīng)多輪調(diào)試后，實(shí)測值與理論值對比見表2。從表2可看出，實(shí)測溫度場與理論溫度場平均溫度偏差在5%以內(nèi)，最高溫度點(diǎn)（排氣門鼻梁區(qū)）的偏差＜1%，滿足熱疲勞試驗(yàn)的精度要求。

表2 某缸蓋實(shí)測溫度與理論溫度場對比 （℃）

4.2 設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)

表3 熱疲勞試驗(yàn)的控制參數(shù)

4.3 熱疲勞試驗(yàn)

溫度場模擬調(diào)試完成及試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定好后，將感應(yīng)器平移至要進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)的缸蓋火力面，對其進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，重復(fù)進(jìn)行：“加熱-保溫-冷卻”循環(huán)，直至產(chǎn)生裂紋，裂紋長度超過缸蓋鼻梁區(qū)寬度的1/2以上為失效。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照相同的試驗(yàn)參數(shù)要求，每個(gè)缸蓋進(jìn)行3個(gè)缸的試驗(yàn)，熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表4，鼻梁區(qū)局部裂紋形貌如圖6所示。

表4 氣缸蓋熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖6 氣缸蓋鼻梁區(qū)熱疲勞裂紋

從表4、圖6可看出：①疲勞裂紋的產(chǎn)生均發(fā)生在氣門鼻梁區(qū)，說明溫度場的模擬接近真實(shí)溫度場。②材質(zhì)A的熱疲勞壽命明顯高于材質(zhì)B，在最高溫度380℃、最低溫度120℃循環(huán)下，材質(zhì)A的熱疲勞壽命比材質(zhì)B高約40%。

5 結(jié)束語

以檢測發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋熱疲勞性能為契機(jī)，自行研制開發(fā)了缸蓋熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)架，制定了缸蓋熱疲勞試驗(yàn)規(guī)范和試驗(yàn)參數(shù)，臺(tái)架可以模擬氣缸蓋工作過程的溫度場狀態(tài)，并在此狀態(tài)下進(jìn)行“加熱-保溫-冷卻”的冷熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)。本文通過對兩種材質(zhì)的氣缸蓋進(jìn)行熱疲勞對比試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1）熱疲勞試驗(yàn)中裂紋產(chǎn)生的部位和失效形式，與發(fā)動(dòng)機(jī)熱沖擊試驗(yàn)及市場故障返回件一致，說明熱疲勞試驗(yàn)臺(tái)架和試驗(yàn)規(guī)范的設(shè)計(jì)合理，能夠正確模擬缸蓋溫度場，檢測缸蓋熱疲勞性能，對于產(chǎn)品開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

2）缸蓋熱疲勞試驗(yàn)是評價(jià)缸蓋熱疲勞性能的手段之一，它能在較短時(shí)間內(nèi)完成對缸蓋材料和結(jié)構(gòu)等方面的性能評價(jià)。

3）高溫、高爆壓的工作狀態(tài)，對發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的性能要求越來越高，通過加速熱疲勞試驗(yàn)，有助于快速篩選合適的鑄鐵材料。