柴油發(fā)動機(jī)的密封性能分析與仿真研究

顧紅根

（中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300452）

0 引言

海上采油平臺的配置中，柴油發(fā)動機(jī)是作為動力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)備中不可缺少的一部分。從工作性能效率和安全問題出發(fā)，柴油發(fā)動機(jī)的密封性能成了設(shè)備選擇和使用中需要考慮分析的必要因素。其密封性能的差異由氣缸密封結(jié)構(gòu)決定，而氣缸墊在當(dāng)中起到重要的作用。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)械技術(shù)日益完善，發(fā)動機(jī)的效率飛速提高。因此，如果需要在工作中保證氣缸密封可靠，了解氣缸結(jié)構(gòu)和判斷、合理維護(hù)氣缸墊了相關(guān)工作者需要熟悉掌握的重點內(nèi)容。

1 柴油發(fā)動機(jī)密封性能分析

1.1 有限元分析

有限單元法是最常用數(shù)值模擬法的之一，其余的還有邊界元法和有限差分法。有限單元法中涵蓋的數(shù)字求解法因其離散化求解方式的特殊性，讓有限單元法在結(jié)構(gòu)分析中得到了大范圍應(yīng)用。1941年，A.Hrennikoff構(gòu)造出了離散模型，并由此提出了求解彈力性力學(xué)相關(guān)問題的方法，闡釋了有限元分析的基礎(chǔ)思想，由A.Hrennikoff提出的有限元分析思想因為尚不成熟，因此又被稱為廣義有限單元法。繼其之后的R.Courant于1943年，使有限單元法的基礎(chǔ)得到完善，其將模型截面分解成多三角區(qū)域，再一次分配翹曲函數(shù)，通過該方法表征了翹曲函數(shù)在有限單元法中的運(yùn)用[1]。

研究人員在有限單元法應(yīng)用于矩陣位移法和能量原理等方面不斷改進(jìn)，終于得到了學(xué)者們的認(rèn)可。在1960年，有限單元法得以飛速發(fā)展，許多相關(guān)研究者包括數(shù)學(xué)家和力學(xué)家等都參與了有限單元法的研究，加固了其基礎(chǔ)理論，更好地闡述了變分法與其之間的關(guān)系，有限單元法的可應(yīng)用范圍也得到了一定擴(kuò)展。20世紀(jì)70年代，有限單元法更是成了在連續(xù)介質(zhì)問題中最熱門的數(shù)值解法分支，其變分法、平面彈性力學(xué)、靜力平衡、線性以及分析對象等方面的問題都得到了解決，使許多工程上難以解決的復(fù)雜問題都得到了突破。

有限單元法的基本原理是讓連續(xù)模型通過離散出有限數(shù)的物體，按一定方式構(gòu)成互相連結(jié)的單元組合。有限元的分析流程圖如圖1所示。

圖1 有限元分析流程圖

節(jié)點位移是有限單元法求解中的基礎(chǔ)未知量，各單元內(nèi)力情況可以通過節(jié)點平衡方程中解出的結(jié)果再位移反推得出。通過節(jié)點位移的方式和相關(guān)方程公式的運(yùn)用，就可以解出各單元內(nèi)應(yīng)力與其的關(guān)系和數(shù)值大小。

1.2 氣缸墊密封性能分析

每個氣缸在柴油發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)中都具有獨(dú)立的氣缸墊，并且依靠此來保證密封性[3]。該文將對海上采油平臺使用的12VPA-DF柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行分析，對應(yīng)12VPA-DF柴油發(fā)動機(jī)的氣缸序號，發(fā)火順序依次為1、3、5、6、4、2，其應(yīng)力云圖和氣缸墊工作原理如圖2所示。

通過對圖2的分析可以得出，上板在密封中起到了主要作用。其中最重要的一點是上板對于氣缸墊缸口處做出了對密封結(jié)構(gòu)力的線性調(diào)整以及傳遞，調(diào)整板也在結(jié)構(gòu)上連接了上板和下板，此處表現(xiàn)了調(diào)整板內(nèi)應(yīng)力的作用，最后則是上板依附在氣缸口附近時形成了連接密封缸體和缸蓋的結(jié)構(gòu)。圖中的下板也是氣缸墊結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，為其提供了穩(wěn)定性和對稱性，具有重要的密封功能。

圖2 氣缸墊局部截面應(yīng)力云圖和工作原理圖

氣缸墊通過封閉結(jié)合面縫隙來實現(xiàn)的密封作用屬于靜密封。缸蓋、缸體與氣缸墊之間接觸面上受到的壓力均衡性和壓力大小2項指標(biāo)都是密封性能的測試指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)角度分析，首先應(yīng)分析密封接觸面，要對密封性能進(jìn)行判定，需要確定缸蓋、缸體與氣缸墊的有效密封寬度是否符合要求，若達(dá)到了要求再提取測試其周向的有效密封接觸壓力，由此來進(jìn)行判定。對氣缸墊的設(shè)計過程中，極限密封比壓值K被定義為氣缸墊在流體壓力下仍能保持密封可靠比壓，K值被用來保證流體壓力下氣缸墊的密封性能[2]。

根據(jù)12VPA-DF密封接觸面的寬度和金屬材質(zhì)硬度，以及其最大燃燒壓力為110kg/cm2，可以得出結(jié)論：只有當(dāng)達(dá)到σ>37MPa條件的情況下，氣缸墊密封的可靠性才能得到保證。在筆者進(jìn)行的仿真實驗當(dāng)中，在最大燃?xì)鈮毫η闆r下工作的12VPA-DF柴油發(fā)動機(jī)中，氣缸墊與缸蓋和缸體間接觸時的接觸面周向有效接觸壓力曲線和接觸壓力云圖如圖3、圖4所示。

圖3 缸墊與缸蓋和缸體之間接觸壓力云圖（最大爆破壓力狀態(tài)下）

圖4 缸口周向有效接觸壓力分布曲線圖

通過對以上2個圖的分析可以得出有效密封接觸面寬度不足，以及氣缸口接觸壓力變化較大且周向分布不均勻的結(jié)論。在仿真實驗中，當(dāng)在最大爆破壓力的情況下，12VPA-DF柴油發(fā)動機(jī)缸口的鍍鋅層厚度為10μm，達(dá)到了密封壓力結(jié)構(gòu)的要求，但是在實驗過程中和實驗數(shù)據(jù)結(jié)果中依舊可以明顯地觀察到其不穩(wěn)定的密封可靠性。除此之外，12VPA-DF柴油發(fā)動機(jī)缸蓋上雖然有4個均勻分布在周圍的主螺栓，但是剩余的6個副螺栓在缸蓋兩側(cè)的分布位置和對缸蓋密封性上起到的作用，會對柴油發(fā)動機(jī)氣缸的整體密封性有著重要影響。缸體壓力結(jié)構(gòu)不平衡也可能是由各個螺栓被施加的預(yù)緊力所影響。

通過對12VPA-DF柴油發(fā)動機(jī)在最大燃燒壓力下的缸蓋、缸體以及氣缸墊組合結(jié)構(gòu)下模擬的有限元數(shù)值分析，可以得出密封接觸壓力的分布情況和密封接觸壓力云圖，通過對數(shù)據(jù)分析能得出相應(yīng)結(jié)論：首先，合理分配缸蓋上4個主螺栓和6個副螺栓的預(yù)緊力，可以有效地控制密封接觸壓力在氣缸工作時的分布情況。通過有限元分析法，在保持2個主螺栓預(yù)緊力不變的情況下，提高另外2處主螺栓預(yù)緊力。其次，改進(jìn)缸蓋的材質(zhì)剛度或者缸體的材質(zhì)剛度可以改善12VPA-DF柴油發(fā)動機(jī)的密封性能。最后，則是優(yōu)化氣缸墊上板處缸口的鍍層來改善密封性能[4]。

在該測試當(dāng)中，從接觸面壓力分布云圖可以觀察得出，當(dāng)鍍層厚度為30μm、40μm時，密封接觸面寬度有效性得到了保障，同時缸口周向接觸面壓力可以在氣缸墊的作用下確保可靠性。但當(dāng)鍍層厚度為40μm時，密封接觸面壓力集中的問題出現(xiàn)于氣缸墊缸口鍍層上，產(chǎn)生了局部面集中壓力問題。此問題不僅會破壞氣缸點密封結(jié)構(gòu)，并且還會導(dǎo)致氣缸墊使用壽命縮短。局部面集中壓力問題可以通過優(yōu)化螺栓預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)整[5]。因此，12VPA-FD柴油發(fā)動機(jī)的最優(yōu)鍍層厚度應(yīng)為30μm～40μm，來保證最穩(wěn)定的氣缸墊密封性能。

2 柴油發(fā)動機(jī)熱穩(wěn)態(tài)及熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

海上采油平臺工作中，柴油發(fā)動機(jī)作為供應(yīng)動力的裝置會產(chǎn)生大量的熱能，過大的熱能即使在冷卻系統(tǒng)的保障下，也無法避免產(chǎn)生對氣缸墊密封性能和物理結(jié)構(gòu)上的影響。該文將通過熱能角度分析氣缸墊和發(fā)動機(jī)在此因素下可能受到的密封性能影響。

熱穩(wěn)態(tài)也被稱為額定短時耐受電流（Ik），用來衡量電路及其原件是否可以在短時間內(nèi)承受當(dāng)短路電流通過導(dǎo)體時散發(fā)的大量熱量。熱結(jié)構(gòu)耦合則指柴油發(fā)動機(jī)中的特定結(jié)構(gòu)在外界輻射邊界的作用下產(chǎn)生的表面形態(tài)變化，同時影響邊界輻射條件。通過使用這2種計算方法，可以在熱傳熱的平衡和積累仿真實驗中提高實驗數(shù)據(jù)的精確度，使溫度場和應(yīng)用場得到改善，可以更好地保證柴油發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。

在仿真實驗當(dāng)中，從熱穩(wěn)態(tài)分布情況分析可得，在12VPA-FD工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，缸體預(yù)氣缸蓋結(jié)合處的外部溫度最高，這是由于此處屬于熱量產(chǎn)生最集中，并且熱能產(chǎn)生醉倒的地方，在無法接受到冷卻系統(tǒng)足夠的冷卻影響下熱量無法發(fā)散而導(dǎo)致了外部溫度最高的情況，因此可以判斷這一部分對氣缸點的影響也最大。就缸蓋外部溫度而論，雖然缸蓋總體溫度穩(wěn)定，但燒壁處比起其他部分溫度較高，出氣口鼻梁區(qū)和進(jìn)氣口鼻梁區(qū)的外部溫度尤為注目。除此之外，12VPA-FD發(fā)動機(jī)的氣缸與缸體上氣缸之間的部分外部溫度也較高。在發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下，氣缸口附近的外部溫度過高會對氣缸點密封性能的產(chǎn)生影響，并且需要通過熱結(jié)構(gòu)耦合方法來進(jìn)一步分析缸口高溫部分對氣缸點的具體影響。

通過熱結(jié)構(gòu)耦合分析可以得出發(fā)動機(jī)氣缸墊上表面中的局部壓力發(fā)生了細(xì)微變化，在螺栓預(yù)緊力的影響下缸口密封接觸壓力略微減小。因此，熱載荷在12VPA-FD柴油發(fā)動機(jī)工作發(fā)熱時對螺栓、缸蓋和缸體的整體結(jié)構(gòu)影響明顯，但是對氣缸墊密封性能影響較小。

3 柴油發(fā)動機(jī)氣缸墊沖壓模具設(shè)計及氣缸墊加工仿真

該文將通過觀察CAD/CAM技術(shù)來進(jìn)行計算機(jī)仿真實驗來改善生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題。先通過成型件的分析對氣缸墊調(diào)整板的內(nèi)部特征機(jī)型標(biāo)記刪除形成模板。結(jié)合考慮調(diào)整板的特征情況，再對料帶各個工位進(jìn)行設(shè)計，完成料帶設(shè)計樣本的最終設(shè)計。接下來進(jìn)行對安裝沖壓磨具上的金屬零件沖頭進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計中應(yīng)該結(jié)合考慮材料直接接觸的因素及其特征。

4 結(jié)論

該文通過有限元分析法對12VPA-FD柴油發(fā)動機(jī)密封性能進(jìn)行分析，通過仿真實驗和物理實驗得出的接觸面壓力分布情況及壓力云圖，總結(jié)出了螺栓預(yù)緊力、金屬材質(zhì)和鍍層厚度對密封性能造成的影響。再使用熱穩(wěn)態(tài)和熱結(jié)構(gòu)耦合2種測試方法計算出柴油發(fā)動機(jī)在工作中產(chǎn)生的大量熱量對密封性能的影響。總之，為了更好地確保海上采油平臺工作中動力供給及工作人員安全問題，要深入、全面地了解和掌握柴油發(fā)動機(jī)密封性能及相關(guān)規(guī)律，不斷地對柴油發(fā)動機(jī)部件進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，切實提高整個采油平臺的工作效率。