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摘要:針對(duì)某型增壓柴油機(jī)缸蓋水套開裂問(wèn)題，通過(guò)斷口、能譜、金相分析以及常規(guī)機(jī)械性能測(cè)試，結(jié)合失效區(qū)域的工作條件，得出疲勞開裂為熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷共同作用導(dǎo)致的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上提出了改善水套流量分布，增加楔形加強(qiáng)筋的改進(jìn)方案。有限元分析表明:改進(jìn)后的缸蓋疲勞安全系數(shù)提高了10%。優(yōu)化后的缸蓋已成功應(yīng)用于該型國(guó)四、國(guó)五發(fā)動(dòng)機(jī)上。

關(guān)鍵詞:缸蓋水套;開裂;優(yōu)化

引言

某型增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)［1-2］完成1000h動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)后，氣密性測(cè)試發(fā)現(xiàn)缸蓋水道漏氣。剖切檢測(cè)發(fā)現(xiàn):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(shè)計(jì)，下層水道主要冷卻缸蓋火力面區(qū)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(fā)現(xiàn)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(zhǔn)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(xiàn)準(zhǔn)解理和撕裂棱混合斷口特征，以準(zhǔn)解理斷口為主，存在典型疲勞貝紋線，疲勞擴(kuò)展區(qū)域占整個(gè)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(duì)斷口表面物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1所示。斷口表面主要為氧化產(chǎn)物，為開裂后高溫環(huán)境下氧化所致。

1．3金相分析

樣品表面未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕、晶間腐蝕等腐蝕現(xiàn)象。裂紋源處、裂紋擴(kuò)展區(qū)域金相組織為α(Al)枝晶和點(diǎn)狀或短桿狀共晶硅，共晶硅分布較為理想，組織級(jí)別為2級(jí);魚骨狀?yuàn)A雜不明顯，級(jí)別為1級(jí);針狀?yuàn)A雜不明顯，級(jí)別為1級(jí);次表層存在少量鑄造孔洞，如圖8～9所示。

1．4常規(guī)機(jī)械性能檢測(cè)

對(duì)失效缸蓋取樣做機(jī)械性能檢測(cè)，結(jié)果如表2所示，滿足缸蓋使用要求。

1．5小結(jié)

斷口主要呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口特征，存在疲勞貝紋線，為典型疲勞開裂。開裂區(qū)域位于水道與氣道之間，且靠近缸蓋螺栓位置。開裂區(qū)域承受排氣道高溫氣體帶來(lái)的強(qiáng)大熱負(fù)荷，壁厚傳遞來(lái)的缸內(nèi)爆發(fā)壓力的機(jī)械負(fù)荷以及缸蓋螺栓力帶來(lái)的擰緊力負(fù)荷。綜合考慮缸蓋的試驗(yàn)條件判斷:由于熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷耦合作用導(dǎo)致缸蓋的排氣道與水套間出現(xiàn)疲勞裂紋。

2優(yōu)化方案

為解決因熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷交互作用導(dǎo)致的缸蓋疲勞斷裂問(wèn)題，提出優(yōu)化水套結(jié)構(gòu)，提高失效區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的整改方案。(1)增大上、下層水套節(jié)流孔的尺寸，如圖10所示，以改善上層水套的流量分布，強(qiáng)化失效區(qū)域冷卻，抵抗排氣道熱負(fù)荷。2)設(shè)計(jì)楔形加強(qiáng)筋，如圖11所示，以提高開裂部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;同時(shí)可以減小水套流通面積，改善流通特性，提高流通速度。

3優(yōu)化效果

(1)CFD分析顯示:與原設(shè)計(jì)方案相比，上層水套流量分布更均勻，失效區(qū)域不存在回流、紊流等不合理流動(dòng)，如圖12所示。(2)有限元分析顯示:與原設(shè)計(jì)方案相比，失效區(qū)域疲勞安全系數(shù)提高10%，如圖13所示。(3)重新做1000h動(dòng)態(tài)循環(huán)耐久試驗(yàn)，優(yōu)化后的缸蓋氣密性正常，剖切檢測(cè)無(wú)裂紋。4結(jié)束語(yǔ)針對(duì)某型增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋水套開裂問(wèn)題，進(jìn)行了斷口、能譜、金相分析以及常規(guī)機(jī)械性能測(cè)試。測(cè)試分析表明:熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷共同作用導(dǎo)致缸蓋水套疲勞開裂。在此基礎(chǔ)上提出了改善水套流量分布，增加楔形加強(qiáng)筋的改進(jìn)方案。優(yōu)化后的缸蓋疲勞安全系數(shù)得到較大提高，通過(guò)一系列耐久試驗(yàn)后已成功應(yīng)用于該型國(guó)四、國(guó)五機(jī)上。

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作者：溫拾平 馬超 高維進(jìn) 劉勇 石勇 單位：江鈴汽車股份有限公司