缸蓋水套開裂分析及優化措施范文

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摘要:針對某型增壓柴油機缸蓋水套開裂問題，通過斷口、能譜、金相分析以及常規機械性能測試，結合失效區域的工作條件，得出疲勞開裂為熱負荷與機械負荷共同作用導致的結論。在此基礎上提出了改善水套流量分布，增加楔形加強筋的改進方案。有限元分析表明:改進后的缸蓋疲勞安全系數提高了10%。優化后的缸蓋已成功應用于該型國四、國五發動機上。

關鍵詞:缸蓋水套;開裂;優化

引言

某型增壓柴油發動機［1-2］完成1000h動態循環試驗后，氣密性測試發現缸蓋水道漏氣。剖切檢測發現:缸蓋第三缸排氣道與水套間開裂，裂紋貫穿水道與排氣道，如圖1、圖2所示。該型缸蓋材料為A356．2，采用重力澆鑄［3-5］和T64熱處理工藝［6-7］;雙層水道設計，下層水道主要冷卻缸蓋火力面區域，上層水套主要冷卻缸蓋排氣道。本次裂紋位于缸蓋第三缸排氣道與上水套間。

1裂紋分析

1．1斷口分析

(1)斷口裂紋始于水套表面，如圖3所示。裂紋源處未發現裂紋、夾雜、鑄造孔洞等原始鑄造缺陷。裂紋源處斷口主要為準解理和撕裂棱混合斷口特征，存在典型疲勞貝紋線，如圖4～5所示。(2)芯部斷口主要呈現準解理和撕裂棱混合斷口特征，以準解理斷口為主，存在典型疲勞貝紋線，疲勞擴展區域占整個斷口90%以上，屬高周疲勞開裂形式，如圖6～7所示。

1．2能譜分析

對斷口表面物質進行能譜分析，結果如表1所示。斷口表面主要為氧化產物，為開裂后高溫環境下氧化所致。

1．3金相分析

樣品表面未發現點蝕、晶間腐蝕等腐蝕現象。裂紋源處、裂紋擴展區域金相組織為α(Al)枝晶和點狀或短桿狀共晶硅，共晶硅分布較為理想，組織級別為2級;魚骨狀夾雜不明顯，級別為1級;針狀夾雜不明顯，級別為1級;次表層存在少量鑄造孔洞，如圖8～9所示。

1．4常規機械性能檢測

對失效缸蓋取樣做機械性能檢測，結果如表2所示，滿足缸蓋使用要求。

1．5小結

斷口主要呈現準解理斷口特征，存在疲勞貝紋線，為典型疲勞開裂。開裂區域位于水道與氣道之間，且靠近缸蓋螺栓位置。開裂區域承受排氣道高溫氣體帶來的強大熱負荷，壁厚傳遞來的缸內爆發壓力的機械負荷以及缸蓋螺栓力帶來的擰緊力負荷。綜合考慮缸蓋的試驗條件判斷:由于熱負荷與機械負荷耦合作用導致缸蓋的排氣道與水套間出現疲勞裂紋。

2優化方案

為解決因熱負荷與機械負荷交互作用導致的缸蓋疲勞斷裂問題，提出優化水套結構，提高失效區域結構強度的整改方案。(1)增大上、下層水套節流孔的尺寸，如圖10所示，以改善上層水套的流量分布，強化失效區域冷卻，抵抗排氣道熱負荷。2)設計楔形加強筋，如圖11所示，以提高開裂部位的結構強度;同時可以減小水套流通面積，改善流通特性，提高流通速度。

3優化效果

(1)CFD分析顯示:與原設計方案相比，上層水套流量分布更均勻，失效區域不存在回流、紊流等不合理流動，如圖12所示。(2)有限元分析顯示:與原設計方案相比，失效區域疲勞安全系數提高10%，如圖13所示。(3)重新做1000h動態循環耐久試驗，優化后的缸蓋氣密性正常，剖切檢測無裂紋。4結束語針對某型增壓柴油發動機缸蓋水套開裂問題，進行了斷口、能譜、金相分析以及常規機械性能測試。測試分析表明:熱負荷與機械負荷共同作用導致缸蓋水套疲勞開裂。在此基礎上提出了改善水套流量分布，增加楔形加強筋的改進方案。優化后的缸蓋疲勞安全系數得到較大提高，通過一系列耐久試驗后已成功應用于該型國四、國五機上。

參考文獻

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作者：溫拾平 馬超 高維進 劉勇 石勇 單位：江鈴汽車股份有限公司