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0 引 言 随着发动机技术的不断发展 , 发动机的功率和 最高燃烧压力不断提高 , 对其可靠性要求也越来越 高 。缸套为发动机的重要零件之一 , 与缸盖 、活塞 共同构成燃烧室 , 其内表面受高温高压燃气直接作 用 , 且始终与活塞环及活塞裙部发生高速滑动摩 擦 ; 外表面与冷却水接触[ 1 -2] 。气体压力使气缸壁 产生切向拉应力和径向压应力; 而缸壁内外温差则 导致极大的热应力 , 这就要求缸套有足够的强度、 刚度以及好的耐热性和耐磨性。 目前在发动机 , 特别是船用发动机上使用的多 为顶置湿式缸套 , 缸套支撑肩下端面过渡圆角处是 一薄弱点 , 时常会出现断裂现象。 1 问题描述 6170 柴油机是 20 世纪 90 年代研发的产品 , 功率 258 ~ 550 kw, 转 速 1 000 ~ 1 500 ( r. min-1 ) , 主要应用领域为渔船 、发电 、工程及运 输船 。多年来其缸套可靠性问题一直困扰着该型产 品的发展 , 渔船 、拖船 、船用发电用的同款柴油机 都曾不同程度地出现了缸套断裂问题。 2003 年公司邀请国外某著名发动机咨询公司 对该款柴油机缸套断裂问题进行联合技术攻关 。经 过与多种相似机型的分析对比发现: 该机型缸套存 在设计不合理处 。据此先后提出了 6 种改进方案 , 如表 1 所示 , 经分析最终采取了方案 6 。改进后缸 套的安全系数得到明显提高 , 缸套断裂现象得到一 定程度的缓解 , 但仍未达到理想的效果。
2007 年公司再次组织对缸套断裂问题进行攻 关 , 累计投人多种方案 , 如圆角滚压强化 、提高材 料强度级别 、局部结构优化等 , 并分别进行试验。依据试验结果最终优选在缸套支撑肩底部增加一个 小的正角度的方案 , 以减小圆角处工作应力 , 如图 1 所示 。此结构自改进定型后 , 缸套断裂现象进一 步减少 , 但局部市场区域 , 特别是重载荷船机市 场 , 缸套断裂仍有批量发生。
2 原因分析 过去历次对 6170 缸套所实施的改进措施 , 关 收稿日期: 2018-06-08 ; 修回日期: 2018-11-26 作者简介: 武汉金( 1963 -) , 男 , 工程师 , 主要研究方向为柴油机开发设计 , wuhjoweichai.com。 注点都聚焦在缸套强度及自身安全系数的提高上 , 始终认为是缸套强度及安全系数不足导致缸套发生 断裂 。但通过与国内外同类机型的比较发现: 6170 缸套的强度及安全系数已高出 20%以上 , 缸套本 身的设计符合安全性设计规范要求 。这表明还存在 导致缸套断裂的其它因素。 经深人细致的调研分析发现: 6170 机体原型 机设计材料为 0T500 , 但限于当时国内的铸造水平 无法满足要求 , 遂将机体材料改为 HT250 , 从而忽 视了因材料变化带来的刚度和强度的变化 , 导致 6170 机体结构刚度与强度降低[3 -4] 。 机体的一个重要功能就是为安装其上的零部件 提供可靠的工作环境 。倘若机体刚度不足 , 机体工 作时变形将加大 , 会导致缸套承受附加的形变应 力 , 从而加速缸套的疲劳断裂 。柴油机在大负荷工 况下持续运转 , 气体最高燃烧压力通过缸套传递给 机体后 , 由于机体刚度不足再加上运行过程中本身 的扭转和振动 , 机体支撑面发生变形 , 造成缸孔失 圆 , 随即对缸套产生附加形变应力 , 导致缸套支撑 肩下端面过渡圆角处因承受附加的形变应力而发生 疲劳断裂 。缸套受力变形及断裂过程如图 2 所示。而前期的 6170 缸套改进工作均未考虑机体刚度变 差这一 因素。
3 解决措施 (1) 增强机体自身刚度 , 降低机体自身产生 的变形程度。 (2) 增强缸套自身刚度 , 提高缸套抵抗变形 的能力。 3.1 机体改进 借助 CAE分析手段 , 对机体结构进行优化设计 。主要优化措施有: 机体顶部平面厚度增厚 , 在 其摇臂腔的对侧壁面增加顶面支撑筋 , 以提高机体 局部刚度 , 减小缸套支持处的变形 , 结构主要变动见图 3。
3.2 缸套改进 3.2.1 缸套材料性能改进 调整现有的铬钼铜镍等温淬火合金铸铁材料的 生成工艺 , 提高材料中 Mo和 Ni的含量 , 并通过 特殊的铸造工艺 , 提高材料的机械性能 , 使得贝氏 体组织在铸造过程中生成而无须等温淬火 。如此得 到的组织即满足了摩擦副润滑要求 , 又大幅提高了 材料的刚度及疲劳强度 , 从而提高了缸套抵御变形 的能力 。有资料表明: 高钼镍铸态贝氏体合金铸铁 的弹性模量 、硬度等比铬钼铜镍等温淬火合金铸铁 提高30%左右 。两种材料特性对比见表 2。
3.2.2 缸套结构改进 为优化缸套支撑肩处的受力 , 对支撑肩处的斜 度进行结构尺寸优化。 以高钼镍铸态贝氏体合金铸铁缸套为研究对 象 , 先后生产了 4 种支撑肩斜度分别为 0'、7'、 15'、30'的缸套; 随后对缸套支撑肩进行面压试验 和应力把紧试验 , 分析其应力状况 , 结果如图 4 和 图 5 所示。
(1) 由面压试验结果可知: 锥面角度不同的 四种缸套中 , 0'与 30'缸套与机体支撑肩结合面压 力分布不均匀且不连续 , 贴合度不理想; 7'与 15' 缸套与机体支撑肩结合面压力分布均匀 , 贴合度较 理想。 (2) 由静态把紧试验结果可知: 综合主 、次 推力面和左 、右侧面四个受力面总体应力趋势 , 0' 缸套受力大且不均匀 , 15'缸套受力最小且较均匀。 由此可见 , 170 缸套支撑肩斜度的最佳角度为 7'~15'之间 。 目前 , 国内外大多数缸套制造厂家 的缸套支撑肩角度为 7'~12'; 而公司其它产品推 荐缸套支撑肩角度均为 8'~18'。取折中方案 , 将 新缸套支撑肩角度定为 13'±3'。 4 改进结果验证 4.1 发动机耐久试验 6170 柴油机按照上述改进方案进行改造后进 行了耐久试验考核 。按额定负荷累计运行 500 h , 拆检情况为: 缸套内部无明显擦伤划痕 , 网纹清 晰 ; 支撑肩下端面过渡圆角处无裂纹。 4.2 疲劳试验 为了验证改进后机体缸套组的疲劳强度 , 在图 6 所示的疲劳试验台上进行了 3 000 万次疲劳试验 考核: 试验脉动载荷的压力 -时间呈正弦关系 , 3、 4 缸交替加载 , 相位差 180o; 前 2 ×107 循环载荷 变化范围为 1.0 ~18 MPa; 累计 2 ×107 循环后 , 预紧力不变 , 载荷调整为 1.0 ~22 MPa, 频率22 Hz, 累计运行 3 ×107 循环。
试验完成后 , 对两只缸套进行了渗透探伤 , 探伤 部位主要为支撑肩过渡圆角处 , 结果均无裂纹。 4.3 用户试验 从 2013 年 7 月至今 , 改进后的 6170 机型投放 市场累计 300 多台 , 主要投放到前期缸套断裂比较 集中的市场区域 。经多年用户应用考核 , 目前市场 反应情况良好 , 无一例缸套质量问题。 5 结语 6170 柴油机缸套断裂问题历经十余年的持续改进 , 目前可靠性得到显著提升 , 断裂问题得到根 本解决。本文所采取的缸套改进方法 , 直接有效且成本小 , 可为后继类似问题的解决及新产品平台的开发 提供参考。 参考文献 [1] 杨连生. 内燃机设计 [M] .北京: 中国农业机械出版社 , [2] 常邦椿.机械设计手册 [M] .北京: 机械工业出版社 [3] 潍柴动力股份有限公司.0/wCG050.2009 .灰铸铁件通用技术条件 [R] [4] 韦星野.铸态贝氏体制造工艺 [P] . 中华人民共和国知识产权局 . 来源：柴油机，作者武汉金等 |
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