高強化柴油機鑄鐵缸蓋承載特性研究

邱 巍

(廣西嘉德機械股份有限公司，廣西 玉林 537000)

1鑄鐵缸蓋承載特性研究重點

要確保鑄鐵缸蓋的承載能力滿足要求，需要鑄鐵缸蓋同時滿足其在低于其屈服強度的循環應力作用下和條件疲勞極限下的兩種設計要求，循環應力作用是受到無限壽命的影響，條件疲勞極限受到高強化柴油機服役工況、服役壽命、應用范圍等方面的影響，當前為了考察高強化柴油機的疲勞特性，主要從耐久性角度出發。其中鑄鐵缸蓋主要承載預裝配相互作用力、氣體相互作用力、定常變溫應力、高頻波動變溫應力、低頻波動變溫應力等。因此，鑄鐵缸蓋承載特性研究重點主要放在上述幾點應力方面，來研究應力溫度變化情況和荷載變化行為，以此掌握高強化柴油機鑄鐵缸蓋承載特性。

2鑄鐵缸蓋溫度變化特征研究

鑄鐵缸蓋是直接與柴油機中的高溫燃氣相接觸，同時鑄鐵缸蓋溫度主要受到柴油機缸蓋冷卻油腔形狀、柴油機轉速等方面的影響，因此為了研究鑄鐵缸蓋溫度變化特征，主要采用了熱電偶方法，以此準確測試出鑄鐵缸蓋邊界分布規律和仿真計算模型，在測試過程中要注意一點，由于火力面輔助引線鉆孔直徑比較大，因此導致火力面熱量無法向內側進行傳遞，這會影響到測試溫度的精確性，因此要求在測試鑄鐵缸蓋溫度時，要求預先根據試驗要求進行溫度場分析，并將分析的結果與測試情況相比較，最終得出火力面傳熱系數分布情況，同時確保鑄鐵缸蓋溫度測試結果更為精確。根據研究表明，鑄鐵缸蓋的最高溫度點是其兩邊排氣門鼻梁位置。

3鑄鐵缸蓋荷載特性研究

為了掌握和研究荷載對鑄鐵缸蓋應力的影響，主要采用了有限元軟件計算方法，主要計算了預裝配荷載、熱荷載、最高燃燒壓力荷載等。通過有限元軟件計算方法，可以得出預裝配荷載、熱荷載、氣體力荷載單獨作用下鑄鐵缸蓋的瞬時應力狀態，同時在計算時與鑄鐵缸蓋的溫度、相互作用力、疲勞計算結果相結合，將相互作用力的觀察點定為鑄鐵缸蓋頂板、水腔、鑄鐵缸蓋底板、進排氣道壁燈部位。根據研究發現，預裝配荷載對鑄鐵缸蓋頂板、水腔、鑄鐵缸蓋底板、進排氣道壁燈部位的相互作用力貢獻最大，在其中占據主要地位；熱荷載作用下，導致鑄鐵缸蓋底板的溫度身高，底板向燃燒方向發生體積增大現象，同時對于鑄鐵缸蓋頂板連接應力有釋放和緩和效果，但是對底板冷卻鉆孔會產生較大的反作用力，對于鼻梁區域也會產生較高的有壓縮趨勢的應力，因此熱荷載對鑄鐵缸蓋底板連接應力占據主要作用。

在穩態定常熱荷載基礎上，要思考氣體力、高頻波動熱荷載對鑄鐵缸蓋連接應力的影響，通過上述計算發現鑄鐵缸蓋的高頻變溫應力變化會與溫度變化呈現出相反的狀態，通俗來講就是溫度達到最高點時，高頻變溫應力達到最低點，同時還可以發現鑄鐵缸蓋的工作循環內變溫應力會隨著檢測深度的變化而變化，在鑄鐵缸蓋喉口處可發現表面的變溫應力存在波動幅值，隨著檢測的深入發現達到2 mm處時，變溫應力波動幅值低于5 MPa，因此高頻波動變溫應力僅僅只是對鑄鐵缸蓋2 mm以內的區域產生影響。同時還發現氣體力的作用只是應壓力幅度增加，同時高頻波動變溫應力與氣體力應力存在明顯的差異性，并且高頻波動變溫應力的數值較大，甚至是達到55 MPa，相對于氣體力應力而言，數值是其1.8倍，因此高頻波動變溫應力對鑄鐵缸蓋頂板區域的疲勞可靠性產生較大影響。

另外，還發現鑄鐵缸蓋在加熱過程中，頂板的特征點溫度也會急劇上升，在加熱90 s后開始變得穩定，據研究發現最大溫度增高速度大小為7.5 ℃/s，在怠速過程中最大溫度降低速度大小為9 ℃/s。同時隨著溫度的變化，鑄鐵缸蓋喉口區的應力也不斷變化，當溫度漸漸上升時應力出現負值，當溫度漸漸下降時應力出現正值，同時距離喉口較遠的部位溫度水平會越來越低，同時應力幅值也逐漸下降。總而言之，除開鑄鐵缸蓋喉口之外的其它部分溫度水平不高，應力幅值隨之較低，同時要注意鑄鐵缸蓋喉口處承受支撐物體的應力最高。

在穩態轉速條件下，鑄鐵缸蓋頂面2 mm左右的薄層存在明顯的瞬態溫度起伏不定，其鑄鐵缸蓋區域溫度基本不變；工作循環中瞬態溫度起伏不定引起的高頻變溫應力與瞬態溫度變化直接相關，而高頻波動變溫應力只存在于頂面薄層中，氣體應力在該區域進一步增大，因此有必要考慮高頻變溫應力對鑄鐵缸蓋區域高周疲勞強度評價的影響；結果表明，當怠速和額定轉速交替時，鑄鐵缸蓋喉部溫度變化很大，最大溫升速率為7.5 ℃/s，最大溫降速率為9 ℃/s，喉部區域的應力與溫度變化速率有關，而遠離鑄鐵缸蓋喉部的其它部位的溫度和應力幅值較低，因此鑄鐵缸蓋塞燃燒室喉部是低周疲勞的重點；同時研究了柴油機工作狀態下鑄鐵缸蓋的穩態溫度場、高頻溫度場、低周溫度場、穩態變溫應力、高頻變溫應力、低周變溫應力、機械應力、熱機械連接應力等，為疲勞奠定了基礎。對下一步的鑄鐵缸蓋進行壽命預先推測，也為鑄鐵缸蓋材料的研究和開發提供了荷載憑據。

4結語

綜上所述，鑄鐵缸蓋在柴油機中缺一不可，同時鑄鐵缸蓋的結構復雜，需要承受柴油機荷重和熱荷重，因此在運行過程中要尤為注重高強化柴油機鑄鐵缸蓋的最大應力和可靠性，而影響最大應力和可靠性的最大因素又是鑄鐵缸蓋承載特性，因此本文對此展開了研究，確保人們可以掌握鑄鐵缸蓋承載特性的基礎知識，同時為高強化柴油機發展奠定基礎。