某發動機高壓油管斷裂原因分析及優化設計

摘要：針對國內某型發動機部分高壓油管出現開裂漏油現象，對問題高壓油管進行理化分析，初步認定鐓頭結構有改進必要。同時對于問題比較集中的部位，采取增加管夾支架，以降低振動。通過對新方案、原方案的CAE仿真分析、振動測試、可靠性試驗，得出新方案能較好解決當前故障的結論。

關鍵詞：高壓油管;仿真分析;振動測試;可靠性試驗

1" "故障現象

據以用戶反饋，配套某型發動機的高壓油管噴油器端，連續出現開裂漏油問題，存在很大安全隱患，如圖1所示。經了解得知，其余裝配該型發動機的設備也同樣存在此類問題。

2" "故障分析及處置方案制定

2.1" "原因分析

通過公司內部的內部QAS系統，查詢到2019年1月至2021年4月間所領高壓油管發生的故障統計。故障統計結果顯示，改型發動機每個缸都有故障發生，但是第四缸故障比較集中。

原產品端頭剖視見圖2，紅色部分為墊圈，外面再裝螺母。該墊圈前端孔圓采用較大圓角，這樣在鐓頭時，墊圈前端易外脹變大（見圖2箭頭所示）。由于大圓角無法形成鎖緊力，而使墊圈成為松動的活動墊圈。由于墊圈轉動，墊圈圓弧與鐓頭后根部圓弧相符性差，造成螺母的壓緊力不平衡，從而導致漏油。

該結構存在的另外一個問題是管徑由Φ8到大徑Φ12，材料的流動性不好，易形成斷裂（如圖3箭頭所示），加之該部位正是應力集中部位，其抗疲勞性大大降低，從而導致頭部斷裂。原產品材料流動性示意如圖3所示。

通過對故障件的斷口進行理化分析，材料為符合設計要求的DSG1800，如圖4所示。但是從斷口來看，裂紋從一側起源，向另一側擴展，屬單向彎曲疲勞開裂[1]。分析認為，由于此處應力集中，導致疲勞裂紋優先從該部位起源，應盡量降低此處的應力。鑒于該高壓油管的失效模式為單向彎曲疲勞開裂，應從受力角度查找單向彎曲載荷來源，如裝配過程帶來的殘余應力，發動機運行過程中的振動等。

2.2" "處置方案制訂

根據以上的故障現象及理論分析，對該高壓油管鐓頭和墊圈結構進行改進。將鐓頭由之前的大圓弧改成階梯，墊圈也同樣隨之更改成階梯型，如圖5所示。同時根據第四缸漏油故障比較集中問題，在第四缸高壓油管上增加了一個管夾支架（一端固定在進氣管上），以降低此缸的振動，如圖6所示。

3" CAE計算與分析

3.1" "有限元模型與邊界條件

為了對比兩種方案的性能，分別對改進前后的高壓油管和墊圈進行強度對比分析。高壓油管和墊圈的材料特性參數如表1所示。分別對高壓油管和墊圈這兩個零件進行有限元網格劃分，單元選擇四面體單元（C3D10M），網格模型如圖7所示。有限元網格用Hypermesh劃分，在AbaqusCAE里施加邊界條件，最后用Abaqus求解。

3.2" "載荷和邊界條件

該高壓油管壓緊螺母為M14，螺栓的力矩為30N·m，經計算得出其螺栓預緊力為10714N。高壓油管墊圈和高壓油管采用Tie連接，在高壓油管端面上做一節點，此節點和墊圈端面采用MPC連接。在此節點上施加預緊力，約束高壓油管出油口端面所有節點3個自由度。載荷和邊界條件如圖8所示。

3.3" "計算結果分析

原方案與新方案油管的等效應力云圖如圖9所示。原方案高壓油管位置A的等效應力為511MPa，位置B的等效應力為520MPa，位置A的等效應力值較大，且為振動應力較大的部位，是故障多發部位。位置C區域的等效應力較小，這主要是因為墊圈和油管接觸面在油管頭部外圈。而新方案墊圈夾緊在油管上，并有兩個臺階支撐，油管頭部受力整體比較均勻，沒有應力集中，其設計明顯優于原方案。

4" "振動測試及驗證

4.1" "振動測試

在發動機全負荷情況下，從最低轉速開始加速到最高空車轉速加速時間約為3～4min。在這個過程中，進行振動信號采集，連續進行3次試驗采集，選擇最有代表一組信號作為試驗結果。

對無管夾和有管夾的方案進行對比測試，測試結果如表1、表2所示。對比表1、表2可以看出，增加管夾支架后第四缸油管單方向振動幅值降至30g（g為重力加速度）以下，且整個轉速范圍內無明顯共振，每個方向上的振動幅值都比原狀態小，從而達到了降低振動的目的。

4.2" "可靠性及市場驗證

將試制后的高壓油管裝機進行試驗，通過300h發電單機11+1工況可靠性試驗[2]，性能與原機相當，試驗過程中未出現高壓油管漏油故障。試驗后經拆檢，未發現高壓油管出現斷裂或者裂紋。為進一步驗證優化方案的有效性，向不同區域、不同應用場景市場定向投放200臺套優化后的高壓油管，經2年市場服務跟蹤，未出現高壓油管漏油或斷裂故障，證明整改方案效果較好。

參考文獻

[1] 岑舉.ZJ/YC700351 理化實驗室失效分析報告[R].玉林：玉柴工程研究院.

[2] 莫春平.YC4G240-D31（G2100）-2401_300h發電單機11+1工況可靠性試驗[R].玉林：玉柴工程研究院.