中重型柴油機擴缸前后缸套變形的數(shù)值分析

徐衛(wèi)國， 龍旦風(fēng)， 梁福祥

(一汽解放汽車有限公司無錫柴油機廠， 江蘇 無錫　214026)

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中重型柴油機擴缸前后缸套變形的數(shù)值分析

徐衛(wèi)國， 龍旦風(fēng)， 梁福祥

(一汽解放汽車有限公司無錫柴油機廠， 江蘇 無錫214026)

降低缸套壁厚可以在保持發(fā)動機緊湊性的同時提高排量，而缸套變形是限制許用厚度的主要瓶頸，針對這一問題，選擇缸套壁厚和材料作為變量，缸套變形圓柱度和傅里葉展開系數(shù)作為評判指標(biāo)，研究了薄壁濕式氣缸套的可行性。通過對某型柴油機進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)缸套壁厚從8.25 mm降低到6.25 mm后缸套變形明顯變大，而改用鋼質(zhì)材料后缸套變形與原機相當(dāng)，證明了通過降低缸套壁厚同時采用彈性模量更高的材料是一種可行的擴缸方法。

氣缸套； 薄壁； 變形； 圓柱度； 仿真

降低濕式缸套壁厚可以提高發(fā)動機排量，但同時會引起缸套失圓、變形增大。過大的缸套變形可能引起機油消耗和竄氣量增大、排放惡化、摩擦損耗增加、活塞敲缸、缸套穴蝕甚至拉缸等嚴重后果。影響缸套變形的因素包含缸套材料、結(jié)構(gòu)和尺寸以及缸蓋螺栓預(yù)緊力、溫度分布、燃氣壓力、水套密封環(huán)等，只有理清這些因素的影響規(guī)律和程度，才能在降低缸套壁厚的同時通過合理的材料選用及結(jié)構(gòu)設(shè)計確保缸套變形不超限值。

近年來，隨著CAE技術(shù)日益成熟，缸套變形研究進展迅速。馬慶鎮(zhèn)等[1]通過機體組合件的有限元分析發(fā)現(xiàn)缸蓋螺栓沉孔深度對缸套變形影響顯著。王虎等[2]通過分析發(fā)現(xiàn)不均勻的溫度場對缸套變形的影響不容忽略，螺栓預(yù)緊力對各缸都有顯著影響，而燃氣壓力和活塞側(cè)推力只對局部區(qū)域影響較大。李迎等[3]對比了38CrMoAl鋼和高硅鋁合金缸套，發(fā)現(xiàn)材料差異對變形分布規(guī)律沒有影響，但是變形量明顯不同。徐志遠等[4-5]、向熔等[6]研究表明，缸蓋螺栓沉孔越靠近缸套軸肩定位凸臺則缸套徑向變形越大，缸蓋螺栓嚙合長度影響很小，增加缸套壁厚可以減小變形以及不均勻性。畢玉華等[7]研究表明，螺栓預(yù)緊力作用下缸套的上部截面變形最大，呈現(xiàn)收縮變形，中下部截面呈擴張變形。吳波等[8-9]則分析了各種因素對不同階次變形的影響規(guī)律。鄭偉茂[10]分析表明缸套上部變形對缸套凸肩下錐角的變化敏感，中部變形對壁厚敏感，下部變形對燃氣爆發(fā)壓力及活塞側(cè)推力敏感。李民等[11]分析發(fā)現(xiàn)缸套定位環(huán)帶與缸體配合公差對缸套變形有顯著影響。蘭利平等[12]的研究結(jié)果證明改變螺栓位置可以改善缸套變形。蘭銀在等[13]發(fā)現(xiàn)改變缸蓋螺栓與氣缸中心距離對缸套變形的影響很小。這些研究都為了解缸套變形規(guī)律、優(yōu)化減少缸套變形提供了依據(jù)。

在減小缸套壁厚的擴缸設(shè)計過程中，為了防止缸套變形增大，改用剛度更高的材質(zhì)是首選方案，可避免缸體和模具的大范圍改動。因此本研究選定缸套壁厚和材料作為考察因素，探討薄壁濕式氣缸套的可行性，為發(fā)動機動力性充分挖潛的工程實踐提供理論支撐。

1　有限元模型

1.1模型構(gòu)成與材料屬性

選取某6缸中重型柴油機作為研究對象，用Pro-E建立缸體、缸蓋、缸套、缸墊、主軸承蓋、缸蓋螺栓的三維實體模型。其中螺紋模型作簡化處理，缸墊模型僅包括壓波，其余零件均為真實形狀。由于6缸整體計算量太大，切除第2～4缸，保留3缸進行有限元分析。計算選用Abaqus軟件，模型網(wǎng)格采用四面體自由劃分方法(見圖1)，其中缸墊包含GK3D12MN單元4 058個、GK3D12M單元1 344個，其余零件共包含C3D10M單元約130萬個。材料參數(shù)見表1，缸墊不同部位的壓縮回彈曲線測試結(jié)果見圖2。為了體現(xiàn)各缸套凸出量不相等的情況，令中間第5缸的缸墊厚度比另外兩缸缸墊厚度大50 μm，分析時重點考察中間缸的缸套變形情況。

圖1　裝配體有限元模型爆炸視圖

表1　模型的材料參數(shù)

圖2　 缸墊壓縮回彈曲線

1.2相互作用與邊界條件

零件之間的相互作用定義見表2。在裝配狀態(tài)下缸墊與缸體和缸蓋都處于無分離的壓緊狀態(tài)，采用綁定方式即可。缸套與缸體之間的接觸區(qū)域中，缸套定位的配合面按照設(shè)計參數(shù)和公差取最小的間隙值0.023 mm，摩擦因數(shù)取0.2。在一般應(yīng)用中螺紋配合常采用綁定方式進行模擬，但試驗表明這種方法會造成螺栓載荷過于集中在螺紋孔沿附近，因此這里采用接觸方法，Abaqus會根據(jù)螺紋牙型角自動調(diào)整接觸方向從而達到類似螺紋的緊固效果。缸蓋螺栓裝配前需要涂抹潤滑脂以防咬死現(xiàn)象，所以螺紋部位摩擦因數(shù)取0.1。

表2　零件之間的相互作用定義

實際裝配工藝的缸套變形測量工序緊跟在缸蓋螺栓擰緊之后，得到的結(jié)果是冷態(tài)下的變形，主要由缸蓋螺栓力引起。和裝配工藝對應(yīng)，仿真的第一個分析步把135 kN的螺栓預(yù)緊力加載到螺栓桿身的一個內(nèi)截面上，預(yù)緊力引起的變形使內(nèi)截面處產(chǎn)生一定的滲透重疊量。在后續(xù)的分析步中鎖定這個重疊長度，并依次對各缸施加燃氣燃燒壓力。施加燃燒壓力時，假設(shè)活塞處于上止點位置。第一道氣環(huán)高度以上的缸套和缸蓋相應(yīng)區(qū)域施加22 MPa氣體壓力，第一道和第二道氣環(huán)之間的缸套施加4.4 MPa氣體壓力，第二道氣環(huán)和油環(huán)之間的缸套施加2.2 MPa氣體壓力。此外在主軸承蓋內(nèi)柱面施加向下的壓力，使模型的豎直方向受力平衡。此外，缸體裙部下表面約束三個角以限制缸體的整體運動。

1.3計算方案與評估指標(biāo)

此型柴油機現(xiàn)用的缸套為合金鑄鐵材料，內(nèi)徑為110 mm，壁厚為8.25 mm(見表3)。為了探究壁厚和材料的影響，采用3個分析方案：原機方案、降低壁厚方案以及降低壁厚并采用鋼材質(zhì)的方案。后兩個方案的缸套幾何尺寸相同，都是在原機方案基礎(chǔ)上令缸套內(nèi)徑增大5 mm，此外為了防止整體剛度過度下降，缸套外徑適當(dāng)增大，同時水封圈凹槽從機體轉(zhuǎn)移至缸套。

表3　計算方案

1.4評判標(biāo)準(zhǔn)

缸套變形的評判指標(biāo)有很多，經(jīng)過對比和篩選，最后確定采用兩個主要的指標(biāo),即圓柱度和傅里葉展開系數(shù)。缸套內(nèi)表面變形后，在其不同高度選取多個截面構(gòu)成一系列不規(guī)則的圓，每個不規(guī)則圓都有一個形心，這些形心點用線性回歸方法擬合出一條直線作為當(dāng)量軸線，把上述各變形截面沿著當(dāng)量軸線方向投影到同一個垂直于當(dāng)量軸線的基準(zhǔn)平面上，所有投影點的最小外切圓與最大內(nèi)切圓的半徑之差就是圓柱度。圓柱度是一個綜合指標(biāo)，數(shù)值越小則越接近理想圓柱形。傅里葉展開可以把缸套水平截面的變形分解為不同的諧次，每一種諧次都對應(yīng)一種變形形狀，缸套變形就是這些形狀的疊加。傅里葉系數(shù)代表對應(yīng)諧次變形的徑向變化大小，因此通過各諧次系數(shù)就可以確定主要的變形形狀。

2　結(jié)果與討論

2.1分析模型驗證

為了驗證模型和分析的有效性，首先把原機方案的分析結(jié)果與裝配過程的缸套變形測量結(jié)果進行對比。由于有限元仿真采用的是理想的幾何形狀，而缸套加工難免有誤差，為了便于對比，首先測量自由狀態(tài)的缸套變形，然后按照裝配要求把缸套塞入缸體內(nèi)，合上缸墊缸蓋并擰緊缸蓋螺栓，再次測量缸套變形。裝配狀態(tài)的測量結(jié)果與自由狀態(tài)的測量結(jié)果之差就是裝配引起的缸套變形。試驗測量和有限元分析結(jié)果對比見表4，計算得到的變形圓柱度總體偏小，誤差在可接受范圍之內(nèi)，證明采用的有限元模型和分析方法是有效的。

表4　原機方案裝配引起的缸套變形

2.2方案對比分析

仿真得到的缸套位移見圖3，從左到右依次為第1,5和6缸，變形放大了300倍顯示。總體上各方案的缸套變形形狀基本一致，3個缸套中中間第5缸的變形最嚴重，原因是在分析設(shè)置中令中間缸的缸墊厚度大于另外兩缸，在方案對比時應(yīng)主要考察中間缸的變形情況。在一個缸套中主要變形位于上沿，其中相鄰兩缸之間部位的變形尤其嚴重，原因是此處的缸體支撐非常薄弱，而且缸墊內(nèi)含一層補強板，向下的壓力更大。

圖3　缸套位移云圖

在上止點位置的氣環(huán)和油環(huán)對應(yīng)高度各取水平截面，缸套其余部位再大致均勻地取10個水平截面，共形成14個截面。圖4示出第5缸缸套的各水平截面輪廓，變形放大1 500倍。圖中極坐標(biāo)180°指向發(fā)動機前端，0°指向發(fā)動機后端，270°指向進氣側(cè)，90°指向排氣側(cè)。虛線是理想的基圓，實線是各截面變形后的輪廓。圖中顯示水平截面大體上呈現(xiàn)啞鈴狀變形，在發(fā)動機前后方向壓縮，進排氣方向拉長；另外4個截面在發(fā)動機前端方向拉長。為了進一步了解不同高度的變形，對缸套分別做0°～ 180°以及90°～270°縱向截面，得到的輪廓見圖5，圖中變形放大1 500倍。3種方案的縱向截面輪廓形狀也基本相似，0°和180°方向半徑變小，其中上沿附近變化較大，缸套下部變化較明顯；在90°和270°方向，上沿附近半徑變小，而其他大部分地方則半徑變大。

圖4　第5缸缸套水平截面變形

圖5　第5缸缸套縱向截面變形

把第5缸各高度的變形進行傅里葉分解，結(jié)果見圖6。零階傅里葉分量對應(yīng)缸套半徑均勻增大，一階分量對應(yīng)整體平移，這兩種變形通常不需要關(guān)注，二階以上變形則會引起可靠性問題。從圖中可以看出，3種方案都以二階變形為主，即類似于啞鈴狀的變形。圖中二階變形的虛線普遍高于實線，虛線對應(yīng)缸套下部，說明二階變形主要出現(xiàn)在缸套下部，而且高度越小則二階變形越大。此外，比較明顯的還有四階變形，即類似于四瓣花狀的變形。圖中四階變形實線高于虛線，說明主要出現(xiàn)于缸套上部。對比發(fā)現(xiàn)3種方案的最大二階分量分別為29.9 μm，32.6 μm，29.5 μm，最大四階分量為5.76 μm，7.44 μm，6.35 μm。

圓柱度是一個最有代表性的綜合指標(biāo)。各缸套的圓柱度結(jié)果見圖7，第1，5，6缸在各方案中依次從左至右排列。3種方案都是中間缸的圓柱度最大，依此可以得出方案2最差，方案3與方案1基本相等的結(jié)論。說明直接降低缸套壁厚導(dǎo)致變形明顯增加，而把原來的合金鑄鐵材質(zhì)更換為具有更大彈性模量的鋼材質(zhì)后，變形量得到明顯的改善，基本與原機方案持平。上述研究結(jié)果表明，有限度地降低柴油機缸套壁厚的同時更換材料以防變形增大的方法具有可行性。

圖6　第5缸缸套不同高度失圓變形的傅里葉系數(shù)

圖7　缸套變形圓柱度

3　結(jié)束語

建立了某型6缸直列式柴油機缸體缸蓋的連體有限元模型，采用3種不同的缸套方案進行仿真，即原機方案、降低壁厚方案以及降低壁厚并采用鋼材質(zhì)的方案。后兩種方案的缸套壁厚從原機的8.25 mm降低為6.25 mm，缸徑從原機的110 mm增大為115 mm，排量增大9.3%。通過缸套變形的水平截面、豎直截面、傅里葉分解以及圓柱度的對比分析，表明3種方案的缸套變形形狀基本相同，缸套下部以二階變形即啞鈴狀變形為主，缸套上部以四階變形即四瓣花狀變形為主，綜合評判結(jié)果是擴缸后缸套變形變差，改為鋼質(zhì)材料后缸套變形與原方案相當(dāng)。如果柴油機在初始設(shè)計時偏保守，則可以通過降低缸套壁厚來增大發(fā)動機排量，同時采用彈性模量更高的材料以防缸套變形增大。

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[編輯: 李建新]

Numerical Analysis of Liner Deformation of Medium and Heavy Duty Diesel Engine before and after Cylinder Enlargement

XU Weiguo, LONG Danfeng, LIANG Fuxiang

(FAW Jiefang Automotive Co., Ltd., Wuxi Diesel Engine Works, Wuxi214026, China)

The radial reduction of cylinder liner wall would increase engine swept volume without the change of engine size, but was difficult to carry out due to the restricted allowance thickness by liner deformation. For the bottleneck, the feasibility of wet thin-wall cylinder liner was researched by defining the liner wall thickness and material as the variables and choosing cylindricity and Fourier expansion coefficient as the evaluation indexes. According to the finite element analysis of a diesel engine, the liner deformation became serious when the wall thickness decreased from 8.25 mm to 6.25 mm, but improved and compared to the original liner when the steel wall was applied. It was proved that the radial reduction of liner wall and the application of higher elastic material was a feasible way to enlarge cylinder bore.

cylinder liner; thin wall; deformation; cylindricity; simulation

2016-08-16;

2016-10-13

徐衛(wèi)國(1967—)，男，高級工程師，從事柴油機研發(fā)工作；xwg@wxdew.com。

龍旦風(fēng)((1985—)，男，工程師，博士，研究方向包括結(jié)構(gòu)強度、振動與噪聲；longdanfeng@tsinghua.org.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.003

TK413.2

B

1001-2222(2016)05-0011-06