定形珩磨技術在中型柴油機氣缸體上的應用

羅國良，李連升，宋海洋，李明磊

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000

0 引言

據統計，交通運輸領域的碳排放約占全部碳排放的9%，柴油機作為交通運輸領域的主要動力裝備，其節能減排對實現“2030年碳達峰、2060年碳中和”的雙碳目標具有重要意義[1-2]。中型柴油機為降低油耗和排放普遍采用清潔燃燒、超高壓共軌、多級增壓、智能附件等先進技術。柴油機氣缸體在工作過程中受到靜態裝配載荷、動態機械載荷和高溫變形載荷的作用[3]，易發生缸孔變形，導致活塞漏氣量增加，磨損和機油耗增大、排放惡化。珩磨是用鑲嵌在珩磨頭上的砂條(油石)對內孔表面磨削，獲得較高精度的加工工藝，主要運用于缸體、曲軸孔、缸孔和連桿大孔的精整加工。采用定形珩磨技術對氣缸體缸孔進行珩磨，可減少缸孔因缸蓋螺栓安裝預緊力作用產生的變形，使缸孔與活塞環形成良好的配合，降低活塞漏氣量、機油耗和磨損。

定形珩磨技術分為普通珩磨、分段同心珩磨、平板工裝組裝珩磨和自由定形珩磨等，其中，平板工裝組裝珩磨技術在輕型汽油、柴油發動機生產中應用較為廣泛[4-5]。本文中，將平板工裝組裝珩磨技術應用在高爆發壓力(≥25 MPa)的中型柴油機的無缸套氣缸體上，采用統計學中的相關系數法對珩磨工裝、氣缸蓋裝配到氣缸體上產生的缸孔變形進行定量一致性評價，探討定形珩磨技術在中型柴油機氣缸體加工中應用的可行性和應用效果。

1 理論依據

采用傅里葉變換和基于統計的相關系數法評價定形珩磨技術生產的氣缸體缸孔變形。

對于圓柱形的缸孔及其產生的變形，采用離散傅里葉變換將總變形分解成各階變形的疊加[6]，其表達式為：

ξ(Φ)=r0+∑Amp-kcos(k(Φ+δk)) ,

式中：ξ(Φ)為缸孔形狀；Φ為極角，°；Amp-k為k階變形幅值，mm；r0為缸孔半徑，mm；δk為k階相位角，°。

單獨的各階變形的幅值和變形相位角為：

δk=arctan (Bk/Ak)，

式中Ak、Bk為傅里葉系數。

繪圖中缸孔表面的各階變形ξk表示為：

ξk=r0+Akcos(kΦ)+Bksin(kΦ)。

以圖形表示的上述分解過程如圖1所示，其中第0階為同心圓直徑變形，第1階為偏心變形，第2階為橢圓變形，第3階為3花瓣變形，更高階的形狀以此類推[7]。

圖1 缸孔變形的傅里葉分解圖

缸孔變形數據是一種靜態數據，可以采用概率統計的一致性系數、相關系數和系統偏差來評價裝配珩磨工裝、原氣缸蓋2種情況產生的缸孔變形的一致性和差異性[8]。

以向量Xi、Xj表示安裝珩磨工裝、原氣缸蓋后的缸孔變形結果，則每種情況的缸孔變形均值

式中n為變形結果的數量。

2種變形情況的相關系數[9]

一致性系數

系統偏差

2 模型

采用有限元分析技術分別對珩磨工裝和氣缸蓋裝配到氣缸體上產生的缸孔變形進行仿真分析。為了兼顧仿真精度和計算效率，以排量為7.7 L的6缸柴油機的第1、2、3、6缸為研究對象，搭建柴油機有限元模型，包含的部件有珩磨工裝(或氣缸蓋)、氣缸墊、氣缸體、飛輪殼、氣缸蓋螺栓和飛輪殼螺栓，如圖2所示。計算分析步包括初始小位移和平均螺栓預緊力載荷。

圖2 柴油機有限元模型

氣缸蓋采用蠕墨鑄鐵制成，模型如圖3所示。珩磨工裝的材料為鑄鋼，為使其剛度與氣缸蓋相當，在設計中遵循以下原則：1)整體式，珩磨工裝采用六缸一體的形式，保證整體剛度；2)等高原則，珩磨工裝的高度與氣缸蓋高度相同，可以采用同樣的缸蓋螺栓進行安裝；3)去除部分缸心材料，因珩磨工裝由彈性模量更大的鑄鋼制成，因此在工裝上設置比缸徑稍大的材料去除孔以降低剛度，同時便于珩磨頭自上而下對氣缸體缸孔進行珩磨，珩磨工裝模型如圖4所示。

圖3 原氣缸蓋模型 圖4 珩磨工裝模型

當活塞在缸內往復運動時，氣缸體缸孔內表面與活塞環外表面形成工作副，密封缸內燃燒產生的高壓氣體，同時潤滑工作表面。為了減少活塞漏氣量，降低機油消耗和缸孔-活塞環配副的磨損，需要使缸孔與活塞環的變形一致，最大程度地減少氣缸體缸孔的變形[10]。因此，分析氣缸體缸孔變形時需主要關注上止點第一道活塞環到下止點第三道活塞環之間的工作表面。本文中以氣缸體上表面為起始基點，缸孔變形分析區域為基點下10～100 mm的圓柱面，如圖5中藍色區域所示。

圖5 分析區域剖截面(藍色)

3 仿真結果分析

氣缸體采用普通珩磨方式加工，裝配氣缸蓋，氣缸體第1、2、3、6缸孔產生的2～8階變形如圖6所示。由圖6可知，第4和6階變形超出或接近設計目標，不符合設計要求，需要采用定形珩磨技術降低缸孔變形。

圖6 裝配原氣缸蓋后缸孔變形圖

以軸向10 mm、周向3°為單位將分析曲面均勻分區，提取所有節點的徑向變形作為變量分析缸孔變形。第1階變形為偏心變形，對活塞漏氣量、機油消耗和磨損影響比較小，因此定義總變形減去第1階變形為真實變形。裝配珩磨工裝和原氣缸蓋后的第1、2、3、6缸真實變形的一致性系數、系統偏差和相關系數如表1所示。

由表1可知，裝配珩磨工裝和氣缸蓋缸孔真實變形的一致性系數均在1±5%以內、系統偏差在0附近，相關系數均大于0.98，表明裝配珩磨工裝對氣缸體缸孔變形的影響與裝配氣缸蓋相當，珩磨工裝可以應用于該氣缸體的珩磨工藝過程。

表1 真實變形分析結果

4 試驗驗證

采用定形珩磨技術試制一批氣缸體，采用V-INCOMETER設備對其中4件試制氣缸體的缸孔變形進行實際測量，測試系統構成如圖7所示。計算試制氣缸體第1、2、3、6缸缸孔的各階平均變形，并與設計目標進行比較，結果如圖8所示。由圖8可知，第1、2、3、6缸缸孔各階變形均小于設計目標。普通珩磨、定形珩磨后的缸孔變形與設計目標的比較如圖9所示。由圖9可知，采用定形珩磨后的氣缸體缸孔變形大幅減小，有利于降低活塞漏氣量、機油耗和缸孔磨損，改善碳排放和污染物排放。

圖7 測試系統構成圖

圖8 定形珩磨氣缸體的缸孔變形 圖9 普通、定形珩磨與設計目標的比較

將采用定形珩磨技術生產的氣缸裝配到整機中進行臺架試驗驗證。經過負載循環、超負荷、熱沖擊等耐久試驗，柴油機最低油耗為183.00 g/(kW·h)，污染物排放滿足國六b階段排放標準，活塞漏氣量穩定在130 L/min，機油耗穩定在0.09 g/(kW·h)，活塞環和缸孔磨損在正常范圍內。

5 結論

采用有限元分析、離散傅里葉變換、相關系數法評價了定形珩磨技術在某中型柴油機氣缸體生產中的應用，對采用該技術生產的氣缸體進行了零部件測試和臺架試驗驗證。

1)離散傅里葉變換可以對缸孔變形進行分解，對缸孔各階變形進行定量評價。

2)珩磨工裝和氣缸蓋產生的缸孔變形的一致性系數在1±5%以內、系統偏差約為0、相關系數大于0.95，表明珩磨工裝裝配到氣缸體產生的缸孔變形與裝配氣缸蓋一致，可以應用于氣缸體的缸孔珩磨工藝過程。

3)采用定形珩磨技術可以大幅降低無缸套氣缸體的缸孔變形，減少活塞漏氣量、機油耗和活塞環-缸孔副的磨損，并由此降低碳排放和污染物排放。