中空充鈉氣門三維測量及溫度場應力場有限元分析

霍洪旭　鄭　鵬（沈陽工業大學機械工程學院遼寧沈陽110870）

中空充鈉氣門三維測量及溫度場應力場有限元分析

霍洪旭鄭鵬
（沈陽工業大學機械工程學院遼寧沈陽110870）

根據發動機的實際工況，建立中空充鈉排氣門在加載條件下的溫度熱應力和機械應力的計算模型，計算液態鈉的對流系數并采用ANSYS有限元分析軟件研究了其熱應力和機械應力的分布狀態，以及排氣門偏心異常條件下的氣門應力分布，為中空充鈉排氣門優選材料和結構優化提供了理論依據。

發動機中空充鈉排氣門應力分析排氣門失效偏心應力

引言

氣門（包括進氣門和排氣門）是發動機配氣機構中重要的零部件［1］，保證發動機在工作中按時開啟和關閉，將可燃混合氣輸入氣缸，并及時將燃燒后的廢氣排出氣缸［2］。其狀態對發動機的性能有著至關重要的影響。排氣門工作時，除承受較高的機械載荷和熱負荷之外，還長期受到高溫、高壓的燃氣腐蝕，工作條件十分惡劣，容易導致磨損和疲勞斷裂等各種損壞情況，甚至導致惡性機械事故的發生［3］。中空充鈉技術將氣門桿設計為中空結構，采用楔橫軋-模鍛工藝來制造中空排氣門，然后將金屬鈉充入其中［4］。在發動機正常的工作溫度下，處于液態的金屬鈉會隨著氣門的開閉而上下運動，由于鈉的比熱容較大，所以它能夠很好地吸收來自氣門盤部的熱量并經氣門導管傳導至缸蓋。因缸蓋布置有冷卻水道，熱量經冷卻水散熱，使氣門維持在更低、更穩定的溫度，有效防止了排氣門桿頭部發生熱量堆積和驟然升溫，提高了排氣門的使用性能及使用壽命［5］。目前中空充鈉排氣門主要應用在高端、新型的汽車上，比如：BMW的3Li、哈弗H8及H9等等。

以往工程中對氣門失效的分析主要從實心排氣門的材料、熱應力角度來考慮，對中空充鈉排氣門的燃燒載荷、沖擊載荷及壓力載荷進行有限元分析的學術報告很少。針對中空充鈉排氣門，根據工作環境確定邊界條件，利用熱電偶測量中空排氣門溫度［6］，重點利用有限元軟件ANSYS對其進行燃燒載荷、沖擊載荷及壓力載荷的分析，以及模擬偏心對中空充鈉排氣門的影響，為優化結構和解決失效問題提供參考依據。

1　中空排氣門幾何模型的建立

在排氣門的實際工作中，氣門導管限制排氣門只能沿導管方向運動，氣門座圈限制氣門的向上運動，如圖1所示。氣門的向下運動是通過凸輪軸的作用，氣門導管和氣門座圈安裝在發動機缸蓋上，另外通過缸蓋與氣門間作用的氣門彈簧的彈簧力來保證氣門在無凸輪驅動力作用時氣門與座圈緊密接觸，如圖2所示。

圖1　排氣門結構圖

本文運用UG三維造型軟件，獲得某汽車發動機中空充鈉排氣門的基本結構參數，并建立發動機排氣門的三維實體模型。為了計算的準確性和完整性，對氣門部件整體進行建模分析，模型包括：中空充鈉排氣門、氣門座圈和氣門導管，幾何模型如圖3所示。

圖2　氣門工作系統圖

圖3　排氣門建模模型

考慮到發動機排氣門的傳熱特點，在計算時先進行邊界區域劃分，分別是：氣門頂面、氣門錐面、氣門盤部、氣門桿部和中空部分，如圖4所示。

圖4　排氣門劃分結構圖

2　中空充鈉排氣門穩態傳熱及熱應力分析

2.1參數的設定

根據已知的條件建立模型后，設定單位和材料屬性。單位為mm·N·s、氣門材料為21-4N鋼，密度為7 900 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量E為210 GPa，切變模量G為161.5 GPa（可以按照公式G=E/（1+ 2u）算出），熱膨脹系數為1.3×10-6K-1，熱傳導系數為25.96 W/（m·K）。由于模型較為復雜，各向異性較大，適合采用單體為四面體的Solid90單元類型。

2.2網格生成控制與評價

模型設置參數后進行網格劃分，并對排氣門的盤部、錐面進行局部網格細化，如圖5所示。

圖5　模型的網格劃分

根據排氣門實際結構，對網格進行形狀（Summary）和狀態（Status）的質量評價，為以后的有限元分析提供參考。如表1所示，網格劃分正確，未出現報警和錯誤。

表1　總結所有選定元素的形狀測試

2.3排氣門穩態熱應力分析

根據彈塑性理論和傳熱熱力學原理，在發動機額定功率下，假設發動機在穩態工況下運動時間足夠長，排氣門的溫度特征保持不變，趨于穩定［7］。建立氣門桿和氣門盤的溫度分布函數。對于單元節點E的熱應力控制方程：

｛F｝ε=［K］ε｛δ｝ε（1）式中｛F｝ε為單元節點的節點力；［K］ε為單元節點的剛度矩陣；｛δ｝ε為單元節點的節點位移。

中空充鈉排氣門在實際工作中，由于內部液態鈉承受高溫高壓，使得在980℃的液態鈉以流體的形式流動，不斷進行熱量交換。因此需要根據實際情況計算液態鈉的對流傳熱系數。

由于管徑較小，管壁和流體間的溫度差也較小，粘度較大。因此自然對流的影響可以忽略，故液態鈉在980℃的對流傳熱系數α可表示為：

其中，內徑為d，長度為l。中空充鈉的流速為u，比熱容Cp，傳熱系數λ，粘度μ，平均溫度下的粘度μw。

排氣門打開狀態下的環境溫度和對流系數，如表2所示。實際使用中氣門基本的破壞形式是屈服和斷裂。由于排氣門在實際過程的受力情況十分復雜，所以利用ANSYS有限元分析軟件，對模型進行第四強度理論（莫爾強度理論）分析，即用形狀改變比能密度作為強度判定條件。

表2　排氣門傳熱分析邊界條件

氣門的熱應力分布，如圖6所示。從圖中可以看出，最大應力（725 MPa）存在于排氣門與氣門導管的接觸面處。

圖6　排氣門穩態熱應力

3　排氣門瞬態壓力、沖擊力分析

3.1氣門瞬態燃燒壓力分析

氣門正常燃燒下的壓力作用，使氣門產生微小變形，有必要進行應力分析。取發動機燃燒時的最大壓力為6.2 MPa，作用在氣門頂面。燃燒時的結構應力，如圖7所示。從圖中可以看出，排氣門應力分布規律集中在錐面，最大為38 MPa，相對熱應力影響較小。

圖7　瞬態燃燒壓應力

于此同時，燃燒壓力引起的的排氣門盤部微小變形，最大變形量為1.05 μm，位于頂面中央，如圖8所示。

圖8　瞬態燃燒變形圖

3.2沖擊力分析

氣門在落座沖擊力下的應力分析。落座沖擊是氣門工作過程的一個重要環節，也是瞬間的接觸應力對氣門產生較大影響的因素。因此，需要對氣門落座瞬間的接觸應力情況進行有限元分析。

排氣門開啟時與氣門座是不發生任何接觸的，此時不存在接觸應力。當排氣門與氣門座發生接觸時，氣門與氣門座產生接觸碰撞，此時是排氣門最危險的時刻。當腔體內的燃燒溫度達到最大值時，排氣門處于關閉狀態，承受彈簧預緊力、氣體壓力和載荷沖擊。因此需要對排氣門進行軸向約束。

發動機工作時，氣門高速高頻撞擊排氣門座，其對排氣門座產生慣性力為

其中M為排氣門機構的運動質量，Kg為排氣門機構的動載荷系數，a為排氣門機構的加速度。

從實際角度出發，中空充鈉排氣門的氣門座圈和氣門導管的響應表面為固定約束，氣門彈簧的預加載荷沿氣門桿背向氣門盤。氣門導管與氣門為摩擦副約束，氣門座圈與氣門為摩擦副約束。應用ANSYS的Post1通用后處理器對預加載荷求解、后處理，輸出結構變形云圖和等效應力云圖，如圖9所示。

發動機工作時，氣門高速撞擊排氣門座，最大撞擊應力發生在錐面附近，達261.15 MPa。此后沿軸向逐漸減小，在排氣門座的頂部達到最小值0.07 MPa。這是由于排氣門座材料的緩沖作用使得應力沿軸向不斷減小。撞擊應力雖然不大，但當排氣門與排氣門座之間存在微小偏心時，慣性力會使氣門在排氣門的接觸表面產生微小的滑動，使得排氣門急劇磨損，是造成排氣門失效的的重要原因，因此在設計排氣門時，應該充分考慮排氣門與氣門座之間的錐面嚙合問題，有利于提高排氣門的使用壽命。

圖9　等效應力云圖

4　排氣門瞬態偏心結構應力分析

模擬氣門偏心時的應力。取氣門座的法線方向與理想狀態下有1°的偏心。對模型重新進行邊界條件設定和載荷的施加，通過有限元分析求出應力。圖10和圖11分別是當排氣門與氣門座之間存在微小偏心時的應力圖和結構變形圖。

由此可見，最大應力（770.42 MPa）出現在氣門盤背部錐面和過度圓弧的交界面附近，最大變形量為0.05 mm。可以看出氣門偏心對氣門的結構影響巨大，但是并沒有超出材料的抗拉強度極限。氣門部件的材料屬性如表3所示。

可見過度的熱應力和機械應力引起發動機排氣門和氣門座圈的嚴重變形，公差配合不當和潤滑不足，這些將導致氣門桿部的劃傷和咬合，氣門間隙調整不當，沉積物形成，腐蝕和磨損等都將導致氣門失效［8］。

同時研究顯示，由于中空充鈉排氣門與氣門座圈之間密封不嚴，高溫燃氣從排氣門與氣門座圈之間逸出，對密封面金屬組織進行高溫高速沖刷，產生對耐磨堆焊層Ni-Cr合金的燒蝕［9］。因此，排氣門密封不嚴或偏心，是造成燒蝕的主要原因。如圖12所示，在實際使用中排氣門由于氣門偏心造成氣門錐面燒蝕現象（俗稱“燒口”），符合有限元分析結果。

圖10　等效應力云圖

圖11　結構變形云圖

表3　氣門部件的材料屬性

圖12　氣門錐面局部燒蝕

為防止堆焊燒蝕現象，應提高排氣門盤部錐面與座圈研磨技術的水平［10］，通過氣門測量自動檢驗機測量缸蓋座圈的錐角和泄露率是否達標［11］。保證裝配后的排氣門盤部錐面與座圈有良好的密封性。另外，為防止氣門間隙調整不當而導致的沉積物形成，可進一步優化錐面堆焊材料，例如：在實際應用中，伊頓6號合金錐面強化效果比其他堆焊合金更為理想［8］。

5　結論

1）通過建立發動機中空排氣門的有限元模型，施加邊界條件和溫度載荷，得到氣門溫度分布規律和熱應力，為進一步改進排氣門的結構做鋪墊。

2）對中空充鈉排氣門進行瞬態燃燒壓力分析和沖擊力分析，得出排氣門分別在熱壓力和沖擊載荷下的第四強度理論應力圖。通過對比發現，高頻的沖擊力是導致排氣門失效的主要原因。高溫高壓是導致排氣門失效的重要原因。

3）由于中空排氣門長期受撞擊應力影響，導致氣門與氣門座圈產生微小的偏心，在高溫高壓下，局部滑動、磨損、融化變形，引起排氣門的燒蝕現象。因此在裝配時，應限定座圈與排氣門的中心線偏差以及排氣門與氣門導管中心線的偏差。同時對排氣門錐面采取固溶、時效處理和研磨技術，提高排氣門的使用壽命。

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Three-dimensional Measurement and Temperature Field and Stress Field Finite Element Analysis of the Hollow Exhaust Valve Filled with Sodium

Huo Hongxu，Zheng Peng
School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology（Shenyang，Liaoning，110870，China）

According to the actual working condition of the engine，the mathematical model of thermal stress and mechanical stress of the hollow exhaust valve filled with sodium under loading condition was established，the convection coefficient of liquid sodium was calculated，the distribution of thermal stress and mechanical stress of the hollow exhaust valve filled with sodium and the distribution of valve stress under the condition of hollow exhaust valve eccentric were studied by using ANSYS.The study provides some theoretical reference value for the material selection and structure optimization of the hollow exhaust valve filled with sodium.

Engine，Hollow exhaust valve filled with sodium，Stress analysis，Exhaust valve failure，Eccentric stress

TK413.4

A

2095-8234（2016）04-0059-06

11朱正德.進排氣門與缸蓋閥座間的密封性檢測［J］.內燃機配件，2003（2）：58-59（：2016-05-09）

霍洪旭（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為汽車零部件數字化設計。