某發(fā)動機中冷管支架故障分析及優(yōu)化

李艷君，袁 帥，朱冬月，霍小臭，高新貝

（濰柴動力股份有限公司 國際應(yīng)用工程中心，山東 濰坊 261000）

柴油機中冷系統(tǒng)的主要作用是降低發(fā)動機進氣溫度，提高進氣密度，從而提高發(fā)動機的燃燒效率，降低燃油消耗。其組成部件包括空氣濾清器、增壓器和中冷器以及部分管路。

目前市場上常見的中冷器形式有風冷式和水冷式。水冷式中冷系統(tǒng)是利用水循環(huán)帶走中冷器中氣體的部分熱量，冷卻效率高，但由于組成部件較多，結(jié)構(gòu)復雜，故制造成本高。風冷式冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則較為簡單，組成部件少，但需要較長的連接管路，空氣阻力較大，為保證連接管路的可靠性，對管路支撐結(jié)構(gòu)及管路本身的強度，抗變形能力要求較高。

本文采用有限元方法，基于Hypermesh、Fluent和Abaqus等有限元分析軟件，對中冷管上翹問題進行分析和優(yōu)化改進，解決了中冷管變形問題，提高了中冷系統(tǒng)可靠性。

1 故障問題

我司配套的某型號發(fā)電設(shè)備發(fā)動機，在使用過程中出現(xiàn)中冷管上翹，固定中冷管的支架發(fā)生塑性變形的市場故障。經(jīng)初步分析，判定為中冷管會受到一個較大的沖擊力，且左端為膠管連接，容易產(chǎn)生較大的位移。固定中冷管的支架剛度不夠，在中冷管受到較大沖擊力時，支架產(chǎn)生塑性變形。

本文對該中冷管系統(tǒng)進行流體、變形量及強度分析，通過增加板材的厚度及更改支架的結(jié)構(gòu)，提高整個系統(tǒng)的剛度，通過對比前后兩個方案支架的變形量及支架的強度，確定優(yōu)化后的方案較原方案有很大的改善。優(yōu)化后的支架目前已投入使用，且至今未出現(xiàn)過類似故障。

2 故障分析及結(jié)論

2.1 中冷管系統(tǒng)建模

對中冷管系統(tǒng)進行模型的前處理，三維模型如圖1所示，計算中用到的各部件材料屬性如表1所示。

圖1 中冷管系統(tǒng)模型

表1 各部件材料屬性

對中冷管、中冷管支架等進行前期的網(wǎng)格劃分，中冷管采用二階殼單元，中冷管支架采用二階四面體單元，整個系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 沖擊力分析

中冷管彎管拐角處受到的氣流沖擊力通過流體仿真軟件Fluent計算獲得。為準確求解管路流場，設(shè)管道入口為質(zhì)量流量進口，管道設(shè)置為壁面，管道出口設(shè)置為壓力出口，管路壓力分布云圖如圖3所示。

圖3 管路壓力分布云圖

2.3 接觸及邊界條件

整個系統(tǒng)進行變形量計算時，各部件之間采用TIE連接，其接觸定義如圖4所示。仿真計算時，限制機冷蓋與機體連接的螺栓孔的六向自由度，計算邊界如圖5所示。

圖4 接觸定義

圖5 邊界條件定義

2.4 變形量計算結(jié)果分析

對該中冷管支架進行變形量計算分析，變形量云圖如圖6所示。

圖6 變形量云圖

該中冷管支架最大變形量是0.751 2 mm，根據(jù)變形量云圖改進結(jié)構(gòu)，對原支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

3 優(yōu)化設(shè)計及結(jié)論

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)中冷管支架變形量云圖，對該支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，固定支架螺栓由兩顆增加到三顆，同時增加支架的板厚及結(jié)構(gòu)，以提高支架的整體剛度。優(yōu)化后中冷管支架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化后計算結(jié)果

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新進行變形量計算分析和靜強度計算分析。

從計算結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的支架變形量明顯變小，說明優(yōu)化后的支架剛度有較大的提高。優(yōu)化后支架最大變形量為0.202 4 mm，變形量云圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后變形量云圖

優(yōu)化后的中冷管支架，在六向沖擊下產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力為89 MPa，低于材料Q235的屈服強度限值235 MPa，支架靜強度滿足設(shè)計要求，計算結(jié)果如表2所示，最大Mises應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

表2 優(yōu)化支架在各向沖擊下應(yīng)力分布云圖

圖9 優(yōu)化后最大Mises應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

本文利用Hypermesh、Fluent和 Abaqus對某發(fā)動機中冷管系統(tǒng)進行前期處理、流體仿真和結(jié)構(gòu)仿真，分析了故障的主要原因是中冷管系統(tǒng)剛度較低，在中冷后沖擊力作用下，中冷管支架變形量較大，出現(xiàn)塑性變形。根據(jù)計算結(jié)果對支架進行優(yōu)化，優(yōu)化后的支架重新計算變形量及強度，變形量較原方案減少，且靜強度滿足要求。將優(yōu)化后的支架已重新投入市場驗證，市場反饋未再出現(xiàn)類似故障。