柴油机机体浇注系统研究

任行洲，王鹏涛，赵悦光，谷刚，田逢甲

（1.中广核工程有限公司，深圳 518 124；2.陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平 713 105）

柴油机机体浇注系统研究

任行洲1，王鹏涛1，赵悦光2，谷刚2，田逢甲2

（1.中广核工程有限公司，深圳 518 124；2.陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平 713 105）

为了能够对核电大型柴油机机体的浇注系统进行系统概括和总结，同时为后续柴油机浇注系统的设计和改进提供一定的基础，本文主要介绍了几种核电大型柴油机机体的铸造浇注系统，并对今后柴油机机体浇注系统的发展进行了探讨。

柴油机机体；浇注系统；铸造工艺

D O I：10.39 69/j.i s s n.100 6-96 58.2017.05.00 2

0 引言

柴油机是核电应急柴油机组的重要组成部分之一，柴油机的性能直接影响着柴油机组的可靠性，而作为柴油机主体部件的机体，它的性能更是保证柴油机正常工作的前提，对铸件品质要求很高。在柴油机机体的铸造过程中，浇注系统的设计对铸件的品质有很大的影响，合理的浇注系统设计是高品质柴油机机体铸件的保障。

1 柴油机机体铸造浇注系统

核电柴油机机体铸造浇铸方案大体可分为两大类，立式浇铸和卧式浇铸。立式浇铸就是缸孔面朝下，底脚板面朝上的浇注方式；卧式浇铸就是以一侧观察窗口面朝下，另一侧朝上的浇注方式，卧式浇注系统一般适用于中小型柴油机机体。对于核电柴油机机体的铸造，一般都采用底注式浇注系统或阶梯式浇注系统。浇注系统的设计，一般强调两个原则，一是尽可能采用底注式，底注式浇注系统，铸件充型平稳，浇注平稳充型是保证铸件品质的基本条件；二是在此基础上限制内浇道的充型速度尽量小于0.5 m/s。

1.1 柴油机机体的立式浇注系统

柴油机机体的立式浇注系统主要是指柴油机机体缸孔面朝下、底脚板朝上，这种浇注系统主要是考虑到要保证重要面的材质和性能，而缸孔正是柴油机机体的重要孔系，因此设计为这种浇注系统。

1）单层浇道底注式浇注系统

一般对于中小型柴油机机体，由于浇注质量比较小，充型时间短，因此可以采用单层底注浇注系统。单层底注式浇注系统，浇注系统为半封闭式，如图1所示，各组元截面积之比一般为：

优点：底注式充型较为平稳且利于排气，半封闭式浇注系统不但具有一定的挡渣作用，还可以使铁液平稳进入型腔，可以保证柴油机铸件缸孔爆发面及缸孔区域的品质。

缺点：底注式铁液往上逐渐变凉不利于铁液对底脚板的补缩，铁液压头过大，对砂型横浇道、内浇道，容易产生冲砂，因此此种浇注系统容易产生夹渣、夹砂、及底脚板缩孔缩松的出现。

2）阶梯式浇注系统

对于某些大型柴油机机体可以采用阶梯式浇注，防止由于下层铁液由于长时间充型，表面温度较低引起的铸造缺陷。采用阶梯式浇注系统，阶梯式浇注的难点在于如何保证分层注入铁液，一旦不能实现分层注入铁液，铁液将会发生紊流现象，从而易产生气孔、氧化夹杂等铸造缺陷。为了能够保证这一点，浇注的时候可以在轴瓦面接上电灯至砂箱外面作为指示灯，当下层铁液充型至轴瓦面时打开上层浇注系统，一方面为型腔补入热铁液，另一方面可以缩短充型时间。

图1 单层浇道底注式浇铸系统

浇注系统分为两层阶梯式浇注，上下浇注系统均为半封闭式，如图2所示为直列柴油机机体的浇注系统三维图，图3为V型柴油机机型的浇注系统三维图，上下各组元截面积之比一般为：∑F内∶∑F横∶∑F直=1∶（1.7～2.5）∶（1.3～1.6）。铁液从底部注入到轴瓦面的时候再打开上层浇注系统直至浇注完毕。

图2 直列柴油机机体阶梯式浇注系统

图3 V型柴油机机体阶梯式浇注系统

优点：采用双层浇道的方式，上层浇道进入型腔及冒口的铁液温度较高，一方面有利于对轴瓦、底脚板等关键部位补缩；另一方面避免下层铁液充型到顶部因为铁液温度低而导致的铸造缺陷。

缺点：铁液压头大，对砂型浇道容易产生冲砂，半封闭式浇道，内浇道截面为阻流截面，内浇道口容易产生喷射，对球铁而言容易产生氧化夹渣。

3）底注开放式浇注系统

浇注系统采用类似风电球铁铸件开放式浇注系统，各组元截面积之比一般为：

优点：简化了浇注系统，降低了生产强度和成本，浇注平稳，减少了铁液紊流冲砂等现象，对球铁机体而言，减少了二次渣的出现。

缺点：对浇注操作过程提出了更高的要求。

1.2 柴油机机体的卧式浇注系统

卧式浇注系统一般较立式浇铸压头小，浇铸系统位于机身一侧，内浇口一般从缸孔爆发面侧或曲轴观察窗口面引入，如图4所示为典型的卧式浇铸系统方案，内浇道由缸孔面引入的浇注系统三维图，图5为内浇道由观察窗口引入的卧式浇注系统三维图。卧式浇注系统适用于中小型直列式柴油机机体，因为压头较低，一般采用单层底注式浇注系统。

浇注系统采用开放式浇注系统，各组元截面积之比一般为：

优点：简化了浇注系统，降低了生产强度和成本，浇注平稳，减少了铁液紊流冲砂等现象；坭芯分割简单，便于配箱操作，提高了工作效率，大幅度地降低了生产成本和劳动强度。

缺点：配箱要求严格，对型腔清洁度要求高，同时，由于大侧面朝上，顶部需要摆放冒口和出气，对浇注操作过程要求高。

图4 内浇道由缸孔面引入的卧式浇注系统

图5 内浇道由观察窗口引入的卧式浇注系统

2 柴油机机体铸造浇注系统优化发展

柴油机机体的浇注系统经过多年的实践和验证，已经越来越趋于稳定和成熟，目前被公认并广泛应用的大致都是底注式浇注系统，但在局部细节处理上还存在一定的发展空间，为了解决球体件的冲砂夹渣等缺陷，目前，在一些大型铸件上，对内浇道的设置有了一定的改进和优化，同时，在避渣系统上，设置了过滤网系统，用来提高进入型腔的铁液纯净度，降低夹渣缺陷，提高铸件品质。

2.1 皮缝式内浇道的应用

开放式皮缝浇注系统，铁液充型平稳，进一步减少了铁液紊流，有利于球铁件的自补缩，最终减少了机身缩孔缩松，夹砂夹渣等现象。图6为某型柴油机机体的皮缝式浇注模拟。

图6 某型柴油机机体皮缝式浇注模拟

2.2 过滤系统在柴油机机体浇注系统中的应用

在铸造生产中，由于非金属夹杂物等铸造缺陷导致的铸件废品率居高不下，不仅严重降低铸件的机械性能，也对其加工性能及外观产生有害影响。净化液态金属，减少或消除其中的各种非金属夹杂物，无疑是获得高品质铸件的非常重要的技术措施。采用过滤技术可以有效地实现净化液态金属的目的。

过滤技术应用于铸造生产已有几十年的历史，最初仅仅是用铁丝网、带孔的钢板、多孔泥芯等简单的过滤器插入浇注系统中来滤除大块夹杂物。目前，陆续出现了硅酸铝纤维质、钼丝质、氮化硼纤维质等两维结构型内过滤网，并在生产中得到应用，取得了一定效果。但在柴油机机体中的应用还有待进一步推广，目前在一些小型柴油机机体中，过滤装置已经得到一定的应用，并且有良好的效果，鉴于浇注系统的发展和成功的实践应用，因此，在以后的柴油机机体浇注系统中，过滤装置将会得到广泛的应用。

3 结语

(1)浇注系统设计得正确与否对铸件的品质影响很大；

(2)核电大型柴油机机体的浇注系统大都采用底注式和阶梯式，内浇道的充型速度尽量小于0.5 m/s，V型机大都采用底注式立式浇注，直列机根据机型大小，有底注式卧式浇注和底注式立式浇注，在某些大型柴油机机体也采用阶梯式浇注；

(3)通过柴油机机体浇注系统的优化和发展，皮缝式内浇道在以后的工艺设计中将会得到更多的应用，能够使得型腔内的铁液有更好的避渣能力，并且充型更加平稳；

(4)随着过滤材料性能的提高，过滤技术将会更广泛的被应用在柴油机机体的铸造过程中，保证铁液的纯净度，提高铸件品质。

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Research on Diesel Engine Crankcase Casting System

REN XingZhou1，WANG PengTao1，ZHAO YueGuang2，GU Gang2，TIAN FengJia2
(1.China nuclear Power Engineering Co.,Ltd., Shenzhen 518124, China;2.Shaanxi Diesel Engine Heavy Industry Co.,Ltd.,Xingping 713105, Shaanxi,China)

In order to pouring system for nuclear power large diesel engine crankcase system summary, and provide some basis for the design of gating system and subsequent improvement of diesel machine, this paper mainly introduces the development direction of machine casting system of several large nuclear power diesel engine crankcase casting pouring system and future diesel.

Engine crankcase； Pouring system； Casting process

TG244+.2；

A；

100 6-96 58（2017）05-00 05-03

2017-04-10

稿件编号:170 4-174 1

任行州(197 4—），工程师，主要从事铸件品质管理方面的工作.