高强化柴油机铸铁缸盖承载特性研究

邱 巍

(广西嘉德机械股份有限公司，广西 玉林 537000)

1铸铁缸盖承载特性研究重点

要确保铸铁缸盖的承载能力满足要求，需要铸铁缸盖同时满足其在低于其屈服强度的循环应力作用下和条件疲劳极限下的两种设计要求，循环应力作用是受到无限寿命的影响，条件疲劳极限受到高强化柴油机服役工况、服役寿命、应用范围等方面的影响，当前为了考察高强化柴油机的疲劳特性，主要从耐久性角度出发。其中铸铁缸盖主要承载预装配相互作用力、气体相互作用力、定常变温应力、高频波动变温应力、低频波动变温应力等。因此，铸铁缸盖承载特性研究重点主要放在上述几点应力方面，来研究应力温度变化情况和荷载变化行为，以此掌握高强化柴油机铸铁缸盖承载特性。

2铸铁缸盖温度变化特征研究

铸铁缸盖是直接与柴油机中的高温燃气相接触，同时铸铁缸盖温度主要受到柴油机缸盖冷却油腔形状、柴油机转速等方面的影响，因此为了研究铸铁缸盖温度变化特征，主要采用了热电偶方法，以此准确测试出铸铁缸盖边界分布规律和仿真计算模型，在测试过程中要注意一点，由于火力面辅助引线钻孔直径比较大，因此导致火力面热量无法向内侧进行传递，这会影响到测试温度的精确性，因此要求在测试铸铁缸盖温度时，要求预先根据试验要求进行温度场分析，并将分析的结果与测试情况相比较，最终得出火力面传热系数分布情况，同时确保铸铁缸盖温度测试结果更为精确。根据研究表明，铸铁缸盖的最高温度点是其两边排气门鼻梁位置。

3铸铁缸盖荷载特性研究

为了掌握和研究荷载对铸铁缸盖应力的影响，主要采用了有限元软件计算方法，主要计算了预装配荷载、热荷载、最高燃烧压力荷载等。通过有限元软件计算方法，可以得出预装配荷载、热荷载、气体力荷载单独作用下铸铁缸盖的瞬时应力状态，同时在计算时与铸铁缸盖的温度、相互作用力、疲劳计算结果相结合，将相互作用力的观察点定为铸铁缸盖顶板、水腔、铸铁缸盖底板、进排气道壁灯部位。根据研究发现，预装配荷载对铸铁缸盖顶板、水腔、铸铁缸盖底板、进排气道壁灯部位的相互作用力贡献最大，在其中占据主要地位；热荷载作用下，导致铸铁缸盖底板的温度身高，底板向燃烧方向发生体积增大现象，同时对于铸铁缸盖顶板连接应力有释放和缓和效果，但是对底板冷却钻孔会产生较大的反作用力，对于鼻梁区域也会产生较高的有压缩趋势的应力，因此热荷载对铸铁缸盖底板连接应力占据主要作用。

在稳态定常热荷载基础上，要思考气体力、高频波动热荷载对铸铁缸盖连接应力的影响，通过上述计算发现铸铁缸盖的高频变温应力变化会与温度变化呈现出相反的状态，通俗来讲就是温度达到最高点时，高频变温应力达到最低点，同时还可以发现铸铁缸盖的工作循环内变温应力会随着检测深度的变化而变化，在铸铁缸盖喉口处可发现表面的变温应力存在波动幅值，随着检测的深入发现达到2 mm处时，变温应力波动幅值低于5 MPa，因此高频波动变温应力仅仅只是对铸铁缸盖2 mm以内的区域产生影响。同时还发现气体力的作用只是应压力幅度增加，同时高频波动变温应力与气体力应力存在明显的差异性，并且高频波动变温应力的数值较大，甚至是达到55 MPa，相对于气体力应力而言，数值是其1.8倍，因此高频波动变温应力对铸铁缸盖顶板区域的疲劳可靠性产生较大影响。

另外，还发现铸铁缸盖在加热过程中，顶板的特征点温度也会急剧上升，在加热90 s后开始变得稳定，据研究发现最大温度增高速度大小为7.5 ℃/s，在怠速过程中最大温度降低速度大小为9 ℃/s。同时随着温度的变化，铸铁缸盖喉口区的应力也不断变化，当温度渐渐上升时应力出现负值，当温度渐渐下降时应力出现正值，同时距离喉口较远的部位温度水平会越来越低，同时应力幅值也逐渐下降。总而言之，除开铸铁缸盖喉口之外的其它部分温度水平不高，应力幅值随之较低，同时要注意铸铁缸盖喉口处承受支撑物体的应力最高。

在稳态转速条件下，铸铁缸盖顶面2 mm左右的薄层存在明显的瞬态温度起伏不定，其铸铁缸盖区域温度基本不变；工作循环中瞬态温度起伏不定引起的高频变温应力与瞬态温度变化直接相关，而高频波动变温应力只存在于顶面薄层中，气体应力在该区域进一步增大，因此有必要考虑高频变温应力对铸铁缸盖区域高周疲劳强度评价的影响；结果表明，当怠速和额定转速交替时，铸铁缸盖喉部温度变化很大，最大温升速率为7.5 ℃/s，最大温降速率为9 ℃/s，喉部区域的应力与温度变化速率有关，而远离铸铁缸盖喉部的其它部位的温度和应力幅值较低，因此铸铁缸盖塞燃烧室喉部是低周疲劳的重点；同时研究了柴油机工作状态下铸铁缸盖的稳态温度场、高频温度场、低周温度场、稳态变温应力、高频变温应力、低周变温应力、机械应力、热机械连接应力等，为疲劳奠定了基础。对下一步的铸铁缸盖进行寿命预先推测，也为铸铁缸盖材料的研究和开发提供了荷载凭据。

4结语

综上所述，铸铁缸盖在柴油机中缺一不可，同时铸铁缸盖的结构复杂，需要承受柴油机荷重和热荷重，因此在运行过程中要尤为注重高强化柴油机铸铁缸盖的最大应力和可靠性，而影响最大应力和可靠性的最大因素又是铸铁缸盖承载特性，因此本文对此展开了研究，确保人们可以掌握铸铁缸盖承载特性的基础知识，同时为高强化柴油机发展奠定基础。