活塞式发动机气缸盖失效分析

于雪峰，谭 兴，马成福

中国石油西部管道乌鲁木齐输油气分公司，新疆乌鲁木齐 833418

1 故障描述

WAUKESHA 7042GSI型发动机主要用于天然气压缩机组，发动机气缸盖安装在气缸上部，气缸盖上设置有水套，主要功能是和气缸共同密封气缸的上平面，并与活塞顶部共同形成燃烧室空间。发动机在大修更换气缸盖时，发现有气缸盖在排气孔之间鼻梁处出现裂纹，并且在停机后对缸内进行检查时发现气缸中有少量通过裂纹进入气缸的冷却液。由于气缸工作状态为高温，如果气缸内有冷却液的存在就会对气缸造成损伤，而且也会对气缸内的润滑造成破坏，所以需要这种故障进行分析和改进，进而减少这种故障发生的概率。因此，我们针对机组发动机气缸盖鼻梁处出现裂纹的这种热故障，对气缸盖进行有限元热应力分析计算，找出裂纹出现原因，并对此种故障形式提出维护保养方案

2 故障成因初步分析

发动机是燃料在气缸中进行燃烧，释放化学能，加热工质使其膨胀，并通过曲柄连杆机构转化成机械功的原动机。燃料的燃烧使发动机燃烧室周围的零部件部受到加热使其工作湿度升高。气缸盖是发动机中结构最复杂、机械负荷和热负荷最高的零件之一，气缸盖也直接受到高温高压燃气的作用，其热负荷的高低随发动机型式、结构、性能指标等变化。承受高热负荷的气缸盖，有可能产生蠕变、热疲劳等热故障妨碍发动机长期可靠的工作，或者成为进一步提高发动机性能指标的障碍。

根据日本海事协会注册船舶的统计，1973年大型低速发动机气缸盖的损坏率（按台数）为：UEC型14.2%，B＆W型7.5%，苏尔寿型18.6%，MAN型30.4%。我国东风4型发动机车1979年的厂修中，气缸盖裂损占总损坏率的69%，1982年的厂修中气缸盖平均更换率为4%，1983年为8.81%，1984年上半年为14.4%。1980年，在2000h试验（持续功率为2646kW）的后期，16V 240Z型柴泊机1-8缸气缸盖的破损率达50%。在研制N100型高速柴油机的过程中，气缸盖经150h～650h运行后便发现进排气阀孔与涡流室通道孔之间的鼻梁区出现裂纹。近年来引进的大功率中速发动机发电机组中，发生气缸盖裂损的例子也不少。如某电站的五台引进机组中，经两年左右运行后气缸盖裂损失效率达30%。可见气缸盖热裂损坏是发动机常见的故障之一。

根据以上文献中统计数据分析，可以看出发动机气缸盖排气孔之间鼻梁处裂纹故障属于常见故障，并且是由于高温引起的热故障，因此需要对气缸盖进行热分析计算。

3 计算说明

由于气缸盖结构复杂，因此对气缸盖模型进行简化，简化模型如图1。

通过查阅发动机说明书和文献，经过计算，得出需要输入的计算参数如下：

气缸盖水冷却侧：冷却液温度78，表面传热系数1150W/m2·k～2300W/m2·k，压力 0.03MPa。

气缸盖火力面侧：燃气温度 550℃，燃气平均压力1.2MPa，表面传热系数469 W/m2·k。

气缸盖材料属性：弹性模量140GPa～154GPa，泊松比0.3，膨胀系数 11.5-12.7E10-6℃-1，热导率39.2W/m2·k 。

计算正常工作状态时取气缸盖冷却侧对流换热系数为1275W/m2·k，通过ANSYS软件计算得出缸盖在正常工况下温度场，如图2。

图1 气缸盖简化模型

图2 气缸盖正常工作温度场

由图2可以看高温区出现在排气孔口鼻梁处，最高温度为260℃～280℃，而且比周围低温区高近100℃。此计算结果温度分布与文献中同类发动机实测结果大致相同，再进行正常工作状态下热应力场计算，得出结果，如图3。

图3 气缸盖正常工作应力分布

由图3可以看出，气缸盖排气孔口鼻梁处为压应力极值处，为 102×104MPa～120×104MPa。

在发动机运行一段时间后，由于积碳或水垢，或者异常负荷导致高温的情况等异常状况可能发生，因此需要再计算异常工况下的气缸盖温度分布情况。

温度分布和应力分布，取冷却侧对流换热系数为750W/m2·k，燃气平均温度为600℃，计算得出气缸盖温度分布和应力分布如图4、图 5。

图4 气缸盖异常工作温度场

图5 气缸盖异常工作应力分布

由图4可以看出，在异常工作状况下，鼻梁处的温度为347℃～372℃，比正常工作状况下升高近100℃，压应力为147×104MPa～173×104MPa。

气缸盖的材料是铸铁，其抗压强度为1600MPa～2000MPa，根据计算可以得知，气缸盖在正常或异常工作下压应力都基本符合要求，但是金属在长时间的高温、高压作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形，称为蠕变。一般说来碳钢、铸铁的工作温度高于300℃，就要考虑蠕变的影响。因此，可以看出气缸盖鼻梁处出现裂纹故障是由于发动机气缸内的异常高温和冷却侧的换热不良导致气缸盖鼻梁处产生了蠕变，造成压塑性变形，然后在发动机停机后冷却到室温时，压塑性变形无法还原导致产生残余拉应力，从而形成断裂。因此，减小此种故障产生的概率主要是控制气缸内温度和冷却侧的换热效果。

4 改进措施

由以上分析可以看出，发动机气缸盖排气孔口鼻梁处出现裂纹的主要原因是此处局部温度过高，因此需要控制此处的温度以减小这种故障发生的概率，主要的控制方法也就需要围绕着与温度相关的参数。

影响气缸内温度的参数很多，有平均有效压力、转速、冷却水侧温度及换热效果、点火提前角、进气温度及压力、过量空气系数等因素、压缩比及爆震。其中冷却水侧温度和换热系数、过量空气系数及爆震的影响比较显著，因此控制此三个参数对减小此种故障概率可以起到很显著的效果。

5 结论

利用ANSYS商用软件对发动机气缸盖建立了有限元模型，进行了温度场和应力场计算，计算结果显示发动机气缸盖排气孔口鼻梁处断裂的主要原因是鼻梁处在高温下受到热压应力的作用发生了压塑性变形，机组停机后冷却到常温时鼻梁处产生了拉应力导致断裂。主要的技术改造方案是加大鼻梁处宽度尺寸，增加此处的换热面积及冷却水的流通量，以此来降低鼻梁处的温度梯度，减小热应力。但是这种改造方案会影响到发动机的整体性能，所以需要与原厂工程师进行深入的探讨和反复计算才能确定。此外，还可以在发动机的运行维护中控制冷却水侧温度和换热系数、调整过量空气系数及减少爆震发生频率这三个方面来减小鼻梁处断裂发生的概率，提高气缸盖工作的可靠性。

[1]中国石油管道公司乌鲁木齐输油气分公司编译.WAUKESHA发动机手册[M].乌鲁木齐：新疆大学出版社.

[2]西安交通大学压缩机教研室编.活塞式压缩机设计[M].西安交通大学.

[3]林梅，孙嗣莹.活塞式压缩机原理[M].西安交通大学.

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[6]盛骤，谢世千，等.概率论与数理统计[M].高等教育出版社.