某4缸增压中冷柴油机气缸盖的失效分析及改进.PDF

EME 某4缸增压中冷柴油机气缸盖的失效分析及改进 程绍桐 王致钊 ( 东风朝阳柴油机有限责任公司) 【摘要】文章针对某4缸增压中冷柴油机在研制过程中发生的失效，从结构和工作条件的变化、形貌和解剖 观察、化学成分、金相组织及应力诸方面进行失效分析，进而确定改进原则。用有限元计算进行比较，确定最 终改进方案。用应力测量验证改进效果，使问题得到完满解决，可靠性提高。 关键词：柴油机 气缸盖 失效分析 改进 1. 前言 某 4 缸柴油机已生产多年，缸盖一直未出现问题。在进行增压中冷机开发时，为确保喷油 器的可靠性，避免出现卡咀子等故障，加强对喷油器体的冷却，将喷油器的铸造加工安装孔改 为下铜套方式。在研制期间可靠性摸底试验中，连续两台机运行到 150 和 200 小时左右时，发 现在喷油器侧缸盖罩密封面上出现裂纹引起漏水。位置相同具有规律性。为此，综合运用失效 分析、应力测量和有限元计算等手段，找出失效原因，改进了设计。不仅使问题得到解决，可 靠性比原结构还有提高。 2. 失效分析 2.1 结构和工作条件的变化 该机增压中冷后，一是结构做局部改动，取消缸盖内腔的喷油器安装孔的柱体，而改为下 铜套。二是柴油机的最高爆发压力提高热负荷增加。这样，将使工作条件下的缸盖的应力大小、 应力梯度、主应力方向，甚至应力分布发生变化。 2.2 失效形貌观察和分析 观察两个缸盖均有两条裂纹，2、3 缸各有一条，分别从气缸中心对应处附近起相向发展， 相错而不相交，见图 1。 将失效缸盖解剖，发现裂纹源位于内腔导气槽的气缸中心对应处，并沿槽发展。观察槽的形 状与设计不符。设计此处有 R4.5 的圆弧，而实物为尖角，见图 2。尖角的存在不仅减薄了此处 的截面的厚度，削弱了强度和刚度，同时易造成应力集中而诱发出裂纹源并沿槽发展。 2.3 化学成分、金相组织和硬度的检测分析 化学成分仅对常规的 C、Si、Mn、P、S 5 项进行分析，两只缸盖的项次合格率很低。金相 组织在缸盖心部正常部位取样，珠光体含量 95%-98%，石墨片长及分布符合要求，硬度 176-180HB。而失效处距密封面 4mm范围的铁素体含量达 15%-20%，且晶粒粗大甚至肉眼可见。 根据珠光体含量与铸铁的抗拉、抗弯强度的关系曲线，珠光体含量从 80%到 95%性能发生急剧变 化，抗拉强度提高一倍以上，抗弯强度提高 35%还多。由于裂纹处铁素体含量过多，加之晶粒 342 EME 粗大，导致材料的机械性能严重下降。裂纹正是在铁素体密集处萌生。 图一 裂纹形貌 图二 解剖裂纹横截面状况 343 EME 2.4 应力测量和有限元分析 通过研究裂纹源区的应力变化规律和单位面积的应力梯度，可定量地说明结构改变和爆压 增大在力学上产生的影响。为此重新制造符合设计要求的原结构不下铜套和改为下铜套的两只 缸盖，同时进行应力测量。结果表明，下套与不下套相比，爆压提高主应力增大幅度不大，但 主应力方向发生偏转（约 11°），且应力梯度明显增大。 应力测量仅能测外表面的应力，且局限于失效部位及其附近。为全面了解缸盖整体上力的 变化趋势和内腔裂纹源处的应力情况，又对下套与不下套两种结构的缸盖进行拧紧缸盖螺栓的 预紧工况和最大爆压工况的有限元计算。计算表明，下套与不下套比应力水平相差不大，仅略 有上升。但缸盖顶板上表面的高应力区发生转移。不下套的高应力区位于喷油器孔处，下