非道路國四柴油機后處理系統(tǒng)加速耐久試驗設(shè)計

摘要：為保證在精準考核的前提下縮短非道路國四后處理系統(tǒng)可靠性考核的時間，設(shè)計加速耐久試驗，將后處理系統(tǒng)的加速耐久試驗與整車系統(tǒng)的耐久試驗相關(guān)聯(lián)，從熱應(yīng)力疲勞和振動疲勞兩方面對非道路后處理系統(tǒng)的可靠性進行加速考核，并以某推土機為例進行試驗驗證。試驗結(jié)果表明：設(shè)計的試驗損傷不低于實際工作全壽命損傷，熱疲勞和振動疲勞加速試驗可以有效縮短驗證時間，提高開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：非道路國四柴油機；后處理系統(tǒng)；熱疲勞；振動疲勞；損傷；耐久

中圖分類號：TK427文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）05-0058-06

引用格式：李健巍，孫志江，楊起，等. 非道路國四柴油機后處理系統(tǒng)加速耐久試驗設(shè)計［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2024，41（5）：58-63.

LI Jianwei，SUN Zhijiang，YANG Qi， et al. Design of accelerated durability test of aftertreatment system for a non-road CHINA IV diesel engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（5）：58-63.

0 引言

非道路移動機械用柴油機國四排放標準的實施推動我國非道路移動機械排放污染控制邁向新階段。后處理系統(tǒng)是非道路柴油機滿足國四排放標準的關(guān)鍵。相比滿足道路國五與國六排放標準的后處理系統(tǒng)，滿足非道路國四排放標準后處理系統(tǒng)的實際工作環(huán)境十分惡劣，特別是振動與溫度方面，因此對非道路國四柴油機后處理系統(tǒng)耐久性的要求更高。目前，對于非道路后處理系統(tǒng)的考核通常是對拖拉機、裝載機等進行實際的嚴格耐久作業(yè)，作業(yè)一定時間后若整車系統(tǒng)無故障發(fā)生或者故障間隔低于一定時間，視為通過耐久試驗。該方法可靠性高，但是試驗周期長，成本高，且通常由整車生產(chǎn)廠家完成，不利于零部件供應(yīng)商的產(chǎn)品開發(fā)與改進驗證，開發(fā)周期浪費嚴重。

如果將柴油機后處理系統(tǒng)的加速耐久試驗與整車系統(tǒng)的耐久試驗相關(guān)聯(lián)，可以在不降低考核精確性的基礎(chǔ)上，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。由于溫度與振動對后處理系統(tǒng)可靠性的影響較大，因此，本文中針對溫度變化導致的熱疲勞與振動導致的振動疲勞，設(shè)計非道路后處理系統(tǒng)加速耐久試驗，在保證考核精確性的前提下，縮短后處理系統(tǒng)可靠性考核周期，提高開發(fā)效率。

1 熱疲勞

非道路車輛在工作過程中發(fā)動機排溫與道路車輛差異較大。非道路車輛的工作過程可以分解為不斷重復(fù)的單個循環(huán)，例如，推土機的工作過程為行走推土—空載后退—行走推土—空載后退，裝載機的工作過程為前進裝載—后退—前進卸載—后退，發(fā)動機排溫與工作循環(huán)同步發(fā)生高溫、低溫的周期性變化，波動較大。道路車輛正常行駛時，發(fā)動機的排溫數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，波動較小。

后處理總成的封裝結(jié)構(gòu)基材為不銹鋼，高溫與低溫的周期性變化導致材料或者結(jié)構(gòu)部件的疲勞，工程上稱為材料或結(jié)構(gòu)的熱疲勞。

熱應(yīng)力是由材料溫度變化引起的應(yīng)力，與溫差正相關(guān)。熱應(yīng)力^[1]

F=KEαΔ_T，（1）

式中：K為材料的約束系數(shù)，N/m；E為材料彈性模量，Pa；α為線膨脹系數(shù)，℃^-1 ；Δ_T為材料溫差，℃。

熱疲勞的本質(zhì)是溫度變化導致材料或結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化，由于邊界約束的限制，這種變化引發(fā)了循環(huán)變化的內(nèi)部應(yīng)力；在循環(huán)應(yīng)力的作用下，材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導致失效。熱疲勞為應(yīng)力疲勞，與普通的應(yīng)力疲勞原理基本相同，工程上遵循Miner準則。應(yīng)力與壽命對應(yīng)的關(guān)系可以由Basquin公式^[2]確定：

Δ_S2=s′f（2N_f）^b，（2）

式中：Δ_S為循環(huán)應(yīng)力幅值，MPa；b為疲勞強度指數(shù)；s′f為疲勞強度系數(shù)，MPa；N_f為疲勞壽命，表示材料在破壞前經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)式（1）（2），可以通過增大溫差提高循環(huán)應(yīng)力幅值，減少循環(huán)次數(shù)的方式加速熱疲勞進程，縮短試驗時間。由于式（1）中的溫差為殼體材料溫差，而實際上控制后處理裝置殼體的溫度較為困難，因此選擇氣流溫度作為控制參數(shù)，考慮到一定的安全因數(shù)f，可以得到加速耐久試驗的溫差Δ_Tt、加速耐久試驗的循環(huán)次數(shù)N_t、整車實際測試溫差Δ_Tp、實測溫差下整車全壽命循環(huán)次數(shù)N_p的關(guān)系：

N_tN_p=f Δ_TpΔ_Tt^b。（3）

應(yīng)力幅值相同時，非對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞損傷隨著平均應(yīng)力的增大而增加^[3-4]，因此在實際試驗中，根據(jù)式（3）計算得到的加速耐久試驗的平均溫度應(yīng)不低于實際整車測試的平均排溫。

通過增大溫差提高循環(huán)應(yīng)力幅值可以將后處理系統(tǒng)全壽命周期的熱應(yīng)力循環(huán)壓縮到幾千次甚至更少即可達到與實際情況相同的損傷，從而縮短試驗過程。

2 振動疲勞

非道路車輛后處理系統(tǒng)在工作過程中受到的激勵主要來自于路面產(chǎn)生的激勵、發(fā)動機產(chǎn)生的激勵、工作系統(tǒng)產(chǎn)生的激勵三部分。與之相比，道路車輛后處理系統(tǒng)在工作過程中所受激勵不包括工作系統(tǒng)的激勵。

研究后處理系統(tǒng)所受路面激勵時，非道路車輛需區(qū)分輪式車輛與履帶式車輛，輪式車輛后處理系統(tǒng)所受路面激勵頻率主要集中在幾十赫茲以內(nèi)^[5]，而履帶式車輛后處理系統(tǒng)受到的路面激勵頻率更低。柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速一般較低，發(fā)動機缸數(shù)通常為4～8缸，考慮到高階模態(tài)的影響，由發(fā)動機振動導致的后處理系統(tǒng)的激勵頻率可以達到幾百赫茲。不同非道路車輛工作系統(tǒng)工作時對后處理系統(tǒng)產(chǎn)生的激勵的不同，主要激勵頻率也有所差異。

非道路車輛的工作過程具有很強的循環(huán)性，特別是裝載機、挖掘機、推土機等工程機械。以單個工作循環(huán)為基礎(chǔ)，采集單個循環(huán)中的工作激勵，將振動疲勞試驗與非道路車輛的嚴格耐久試驗或?qū)嶋H工作中的振動進行有效關(guān)聯(lián)，可以正確評估非道路車輛全壽命周期內(nèi)的損傷與耐久性。

非道路車輛的工作過程還具有專一性與重復(fù)性，不同工作場地的工作內(nèi)容以及受到的激勵差異較小。因此，采集非道路車輛工作狀態(tài)的振動信息，在頻域上進行加速耐久試驗的方式考核非道路車輛全壽命周期內(nèi)的損傷與耐久性是合適的。

非道路車輛后處理系統(tǒng)受到的路面激勵為典型隨機振動激勵，發(fā)動機在固定轉(zhuǎn)速下的工作激勵具有明顯的正弦特征，但實際作業(yè)時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨功率需求的變化而變化，發(fā)動機的工作激勵不再是單一頻率正弦波，因此，振動加速耐久試驗應(yīng)采用寬頻下的隨機振動方式^[6-9]。

3 加速耐久試驗設(shè)計與驗證

3.1 排溫及振動信息采集

非道路后處理系統(tǒng)的路譜采集基于實際作業(yè)工況進行，將采集到的路譜信息分解為單循環(huán)中的溫度循環(huán)與振動循環(huán)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析得到加速耐久試驗中的熱沖擊循環(huán)條件及循環(huán)次數(shù)、振動試驗的加速試驗功率譜密度（power spectral density， PSD）譜與加速時間。

以某推土機為例設(shè)計非道路國四后處理系統(tǒng)加速耐久試驗，該推土機的后處理系統(tǒng)材料為4系鋼材。采集推土作業(yè)中后處理系統(tǒng)前進氣口的排溫與底座振動數(shù)據(jù)，排溫與振動數(shù)據(jù)采集位置分別如圖1、2所示，采集得到的排溫、振動數(shù)據(jù)分別如圖3、4所示，圖4中g(shù)為自由落體加速度。

由圖3可知：推土機單個工作循環(huán)的平均溫度為295 ℃，工作循環(huán)的溫差為70 ℃。

3.2 熱疲勞加速耐久試驗

試驗步驟為：1）檢查采集得到的排溫數(shù)據(jù)，去除毛刺；2）計算溫度循環(huán)的溫差、平均溫度；3）計算單循環(huán)時間和產(chǎn)品全壽命周期下的溫度循環(huán)次數(shù)；4）根據(jù)式（3）計算加速試驗的溫度循環(huán)溫差與循環(huán)次數(shù)，但應(yīng)保證加速耐久試驗的平均循環(huán)溫度不得低于車輛實際工作中的平均溫度，避免試驗中的熱疲勞損傷低于實際計算的熱疲勞損傷。

依據(jù)式（1）～（3）分析推土機后處理系統(tǒng)的熱疲勞情況。式（3）中的疲勞強度指數(shù)b根據(jù)由實際測試得到，4系鋼材的疲勞強度指數(shù)一般為3～6。根據(jù)燃燒器可以實現(xiàn)的溫度范圍和推土機工作的平均溫度，確定加速耐久試驗的平均溫度以及試驗溫差，根據(jù)要求的安全因數(shù)f，確認加速耐久試驗的循環(huán)次數(shù)。對于該型推土機的后處理系統(tǒng)，假定要求安全因數(shù)f=1.5。實際熱疲勞情況和最終設(shè)計的加速耐久試驗條件如表1所示。

對該推土機裝配的后處理系統(tǒng)樣件進行臺架熱疲勞加速試驗，后處理系統(tǒng)臺架布置如圖5所示。由于實際工作的平均溫度為295 ℃，設(shè)定后處理系統(tǒng)氣體溫度為50～550 ℃，平均溫度為300 ℃，氣體質(zhì)量流量固定，共進行1 455個試驗循環(huán)。試驗完成后對后處理樣件進行氣密性檢測與外觀檢測。氣密性檢測結(jié)果顯示后處理樣件氣體泄漏量較低。后處理樣件拆檢后未發(fā)現(xiàn)開裂等損傷失效，不影響后處理樣件的功能，試驗通過。在f=1.5的要求下，計算熱疲勞加速耐久試驗的損傷比為0.66，與實際工作的損傷比一致，設(shè)計的熱疲勞加速耐久試驗條件能夠真實反映推土機后處理系統(tǒng)熱疲勞情況。

3.3 振動疲勞加速耐久試驗

1）檢查采集得到的振動信號，確認信號的一致性。

2）對信號進行濾波、去毛刺，得到有效信號。

3）計算單個或者多個循環(huán)的疲勞損傷譜（fatigue damage spectrum， FDS）與整車工作中的沖擊響應(yīng)譜（shock response spectrum，SRS），沖擊譜為工作中該方向的最大加速度或者位移響應(yīng)譜。

寬頻下FDS的計算式為：

S（f_n）=f_ntD^mCQG_z¨2（2πf_n）^3m2Γ1+b2，（4）

式中：f_n為固有頻率，Hz；t為持續(xù)時間，s；D為剛度系數(shù)，N/m；Q為動態(tài)放大因子；m、C為材料疲勞參數(shù)；G_z¨為絕對加速度，g；Γ為與加速度相關(guān)的伽瑪函數(shù)。

根據(jù)采集的推土機工作中受到的振動激勵信號，計算得到的疲勞損傷譜如圖6所示。

4）根據(jù)單循環(huán)或者多循環(huán)的疲勞損傷譜，計算全壽命周期的疲勞損傷譜，從單循環(huán)損傷計算全壽命損傷譜遵循累積損傷原則。

假定推土機的設(shè)計壽命為6 000 h，根據(jù)累積損傷原則計算后處理總成的全壽命周期損傷譜，結(jié)果如圖7所示。

5）根據(jù)推土機全生命周期損傷譜，計算每個頻率下的加速度功率密度，然后將所需頻率合成為考核用PSD譜。加速度功率密度的計算式^[10]為：

G（f_n）=2（2πf_n）³QfC∑S（f_n）f ^bf_nt_eqΓ1+b2^2b，（5）

圖8 加速耐久100 h的PSD譜

式中：t_eq為加速時間，s。

對振動數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)全壽命周期疲勞損傷譜考核用，加速耐久100 h的考核用PSD譜如圖8所示。

6）校核考核用PSD譜，確認加速時間是否合適。PSD譜合適的判斷方法為：比較根據(jù)原時域激勵產(chǎn)生SRS與加速度的PSD激勵產(chǎn)生的最大沖擊響應(yīng)（equivalent response spectrum，ERS），若ERS不超過SRS的1.5倍認為加速時間合適，允許部分ERS超出SRS的1.5倍，但若超過倍數(shù)過多，可能引起試驗的失效模式與實際使用的失效模式的差異性增加，影響試驗考核效果。

采用圖7中的PSD譜對后處理總成進行疲勞損傷仿真分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：最大損傷約為0.041，遠低于1，安全系數(shù)較高，試驗失效風險低。加速耐久100 h后，對比原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生的SRS與PSD譜產(chǎn)生的ERS，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知：大部分ERS小于SRS的1.5倍，全部低于SRS的2倍，加速耐久時間合理，考核用PSD譜有效。

為驗證振動疲勞加速耐久試驗的準確性，進行后處理系統(tǒng)樣件臺架試驗，樣件在臺架上的布置如圖11所示。試驗中模擬整車工作中的氣體排溫與流量，維持恒定的氣體輸入，振動臺按照設(shè)定的考核PSD譜加載加速度激勵，試驗持續(xù)時間為100 h。試驗結(jié)果顯示后處理樣件的損傷同產(chǎn)品在全壽命周期損傷一致。對后處理樣件進行氣密性檢測，氣體泄漏量較低，不影響后處理樣件的功能。

4 結(jié)束語

熱應(yīng)力與振動是造成非道路用后處理系統(tǒng)失效的主要原因。熱疲勞和振動疲勞加速耐久試驗分別從溫度變化和振動導致的疲勞兩方面進行考核，根據(jù)計算，試驗損傷不低于實際工作全壽命損傷，熱疲勞和振動疲勞加速試驗可以有效縮短驗證時間，提高開發(fā)效率。

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Design of accelerated durability test of aftertreatment system for a non-road CHINA IV diesel engine

LI Jianwei， SUN Zhijiang， YANG Qi， LI Song， ZHENG Biying， SU Guoliang， ZHANG Xijie， XIE Chengfen

Weichai Power Emission Solutions Technology Co.， Ltd.， Weifang 261000， China

Abstract： In order to shorten the reliability assessment time of non-road CHINA IV aftertreatment system under the premise of accurate assessment， an accelerated durability test is designed to link the accelerated durability test of the aftertreatment system with the durability test of the entire vehicle system. The reliability test of the non-road aftertreatment system is accelerated from the aspects of thermal stress fatigue and vibration fatigue， and is verified by testing a bulldozer as an example. The experimental results show that the designed test damage is not lower than the actual working life damage. Thermal fatigue and vibration fatigue acceleration tests can effectively shorten the verification time and improve development efficiency.

Keywords：non-road CHINA IV diesel engine； aftertreatment system； thermal fatigue； vibration fatigue； damage；durability

（責任編輯：臧發(fā)業(yè)）