康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机气缸体疲劳试验原理和目的

 

摘要：气缸体是柴油发电机的重要基础部件，为了考核柴油发电机气缸体的可靠性，需对气缸体进行液压加载疲劳试验，从而确定气缸体的疲劳寿命和安全系数范围。通过对一定数量的气缸体进行疲劳试验，对气缸体疲劳试验状态进行了定义，对试验件的损坏进行了分类，找出气缸体的薄弱部位，为设计师改进设计提供依据。

 

一、气缸体疲劳试验的目的

 

      气缸体是柴油发电机的重要基础部件，运行中主要承受气体爆发压力和连杆曲轴运动系统对其施加的载荷，因此在柴油发电机设计中要求气缸体具有足够的刚度和强度。为了保证气缸体的使用寿命，对疲劳强度也有较高的要求。

为了评定气缸体在柴油机工作状况下的可靠性，在进行气缸体疲劳试验时需要对气缸体施加一定的脉动载荷。通常在液压疲劳试验机上，模拟在一定爆发压力下运转的柴油机气缸体所能承受的载荷进行试验。疲劳试验主要是用来对现生产中的零部件进行验证，因此样品必须与现生产水平保持一致。在柴油机开发的早期阶段，也用于对柴油机零部件进行初期的试验，以确定其可靠性。在确定气缸体疲劳试验中所施加的脉冲压力时，主要考虑气缸体（或气缸套）的耐压性能和主轴承盖的承载能力，同时考察气缸体整体承受脉冲压力的能力。

      康明斯公司经过10年的试验摸索及相关工作，现已形成完备的试验方法，成功地制造了性能优异的缸体疲劳试验机，试验方法和设备水平已与国际接轨。同时，积累了大量的试验数据和试验成果，现将部分内容进行简单介绍。目前，国内的气缸体材料多为铸铁和铝合金，大机型气缸体多使用灰铸铁，尤其以HT250为主。本文主要介绍了灰铸铁气缸体在疲劳试验中的试验件损坏情况。

 

二、疲劳试验设备、原理、方法

 

1、试验设备

      发动机气缸体疲劳试验机由主机、泵站、计算机控制系统、软件系统、恒压伺服泵站及管路系统等组成，主要应用于各类结构件、部件的动态性能、疲劳寿命等力学性能试验。试验机可以完成以下几种试验项目：拉伸疲劳试验、拉压疲劳试验、断裂韧度试验、裂纹扩展试验、应力疲劳试验、应变疲劳试验，符合GB/T2611《试验机通用技术要求》、GB/T16826《电液伺服 试验机》、GB3075《金属轴向疲劳试验方法》、JB/T9397《拉压疲劳试验机技术条件》、GB228《金属材料室温拉伸试验方法》等试验标准要求。

（1）全数字电液伺服六通道气缸体疲劳试验系统该系统如图1所示，其主要性能指标是脉动压力为0~22 MPa、工作频率为1~5 Hz、油源压力为28 MPa、油源流量为100L/min、油源功率为55kW。

（2）内燃机气缸体疲劳试验机主要性能指标是脉动压力为0~32 MPa、脉动压力加载频率在4~20 Hz连续可调、油源压力为45MPa、油源流量为68L/min、油源功率为60kW。

2、原理

       气缸体疲劳试验的加载方式见图2。试验主要考核主轴承壁（或连体主轴承壁）、缸套、气缸体本体，同时对其它相关零件也有一定的考核作用。在气缸体疲劳试验中，液压设备加载的压力通过相关夹具首先传递到活塞连杆系统，然后传递到主轴承壁及气缸体整体。在试验过程中，相关紧固件同时受力，在加载的油腔部分缸套和缸垫同时受到考核。

（1）气缸套耐压试验

      气缸套耐压试验是将设备输出的高压液压油注入到模拟活塞上方的空间，以此考察气缸套的耐压性能。

（2）主轴承盖承载能力试验

      主轴承盖承载能力试验是将设备输出的高压液压油注入到模拟活塞上方的空间，对模拟活塞施加一定的脉冲压力。通过模拟活塞、活塞、连杆、模拟曲轴将力传递到主轴承盖上，以此考察其疲劳性能。

3、方法

      试验将通过负荷增加法（负荷增加法主要用于试验样件数量非常有限的情况；在条件允许的情况下，也可以按P-S-N曲线法进行）进行。该试验过程一直进行到气缸体出现裂缝，或者裂纹根本不出现（由试验设备或其他柴油机零件所限）。根据所使用的试验台架，可以采用以下加载方式。

（1）单缸加载

      在该过程中，每次只对1个气缸进行试验。

（2）多缸加载

      同时对2个或2个以上气缸进行试验。所有的主轴承盖都要进行试验。试验载荷在0和所需要的最大试验载荷之间脉动。

 

图1  发动机气缸体疲劳试验机

图1  柴油机气缸体疲劳试验的加载方式

 

三、疲劳试验步骤

 

1、确定加载方式

      根据设计和生产部门对气缸体疲劳性能的要求，确定适当的加载方式。

2、材料非线性

      材料非线性是指材料具有非线性的应力应变关系。Abaqus软件支持用户使用*PLASTIC选项定义金属材料的塑性性能。*PLASTIC选项中的数据将材料的真实屈服应力定义为真实塑性应变的函数。同时Abaqus支持在各材料参数中使用温度相关的数据，例如：弹性模量、泊松比、应力应变曲线等。为了更准确的获得应力计算结果，在分析时缸体材料采用弹塑性数据，即试验获得的应力应变曲线，如图3所示。

3、确定试验样品

（1）试验样品必须是完整的气缸体总成，包括连杆总成、活塞、活塞销、活塞卡环、气缸套以及连杆轴瓦、主轴承瓦、主轴承螺栓、气缸盖螺栓、气缸垫。

（2）在气缸体的初始试验阶段，需要3个气缸体进行试验，但在产品的确认阶段需要8个气缸体。

（3）在进行疲劳试验前，需要对试验气缸体进行常规检验，以确定试验气缸体是否符合技术条件及图纸要求。

（4）试验样品必须明确其在设计过程或生产过程中所处的具体环节。

4、试验过程

（1）首先计算出试验负荷，试验负荷等于名义负荷×期望的安全系数再减去1-2个增量。按此负荷进行疲劳试验。

（2）达到指定循环次数，气缸体没有损坏，则负荷水平每次增加1个增量继续进行试验，直到气缸体损坏。

（3）气缸体损坏前的最后负荷值即为疲劳强度的估计值。

（4）载荷增量是名义载荷的15%~25%。

      如果条件允许采用P-S-N曲线法，则估算疲劳极限时，可得出存活率为50%的P-S-N曲线。其中，主轴承盖承载能力试验结果经过数据处理后lgS-lgN曲线见图4。

 

图3  气缸体金属材料应力应变曲线

图4  柴油机气缸体承载能力中值lgs-lgn曲线

 

四、试验状态与实例分析

 

1、疲劳试验状态

      对气缸体疲劳试验而言，是对气缸体进行液压加载的破坏性试验，从而得出气缸体的安全系数范围和疲劳寿命，同时找到气缸体的薄弱部位，为设计和生产部门提供数据和改进建议。

      每个气缸体疲劳试验都需要加工模拟气缸盖、模拟曲轴等一系列夹具，同时要安装活塞连杆系统、紧固件和气缸垫等零件以尽量贴近真实工况，因此存在“理想状态”的问题，即在气缸体疲劳试验中，夹具、活塞连杆系统、紧固件和气缸垫有足够的承受能力（包括受力和密封能力）的试验状态。在理想试验状态下受到考核并首先损坏的是主轴承壁、缸套部位和气缸体整体。与之相对的在气缸体疲劳试验中，首先受力损坏的是除气缸体外的其它零件的试验状态，本文中称之为“非理想状态”。

      未将活塞连杆系统、气缸垫等零件用夹具代替是因为要在尽量贴近真实工况、减少工作量的同时对气缸体外的其它零件进行考核。

2、试验件损坏分类

      理想状态和非理想状态是根据试验结果（损坏部位）界定的。本文根据试验结果将气缸体疲劳试验件损坏分为两大类，即理想状态和非理想状态，在这两大类下又进行了细化，具体分类见表1。

表1     柴油机气缸体疲劳试验件损坏表

 

      以上损坏部位和形式中很多为单独1种损坏，但也有2种以上损坏形式同时出现的情况，在这种情况下就需要进行失效分析，根据材料、结构和台架等综合情况判断第一损坏部位，以确定整个气缸体真正的薄弱部位，为设计部门改进设计提供依据。

3、实例分析

（1）某气缸体材料：HT250。

（2）试验条件：缸内压力27MPa;试验频率5Hz。

（3）运行次数：260万次。

（4）试验结果：气缸体端面损坏，肉眼可见裂纹，长度约10cm。

（5）磁粉探伤：气缸体一侧的端面整个断裂，但其它位置未发现裂纹。

（6）断口：将裂纹处取样剖开后，未发现明显疲劳源。

（7）受力：在气缸体疲劳试验中，气缸体端面会受到从主轴承盖螺栓处垂直向下的频繁拉力作用。

（8）分析：对断口进行观察，倾向于此气缸体在端面定位孔内侧下方的圆角处产生应力集中并首先开裂，之后由于气缸体端面继续受力，导致裂纹向两侧及向外侧延展，从而将端面撕裂。

（9）有限元分析结果 ：利用Abaqus软件计算缸体燃烧室内高压油压力最大时结构上的Mises应力。计算结果表明缸口开裂位置的Mises应力较小，在70MPa以下，如图5所示。试验结果提供给设计部门后，对气缸体相关部位进行了更改和加强设计，更改后的气缸体成功地通过了第2轮疲劳试验。模拟仿真的边界条件修正后计算结构如图6所示。

 

柴油机气缸体Mises应力计算结果

气缸体修正载荷后应力与变形计算结果

 

总结：

      在进行气缸体疲劳试验时，由于加载的液压压力远大于柴油发电机的正常工况，会产生损坏其它零部件的情况，所以气缸体疲劳试验不仅考核气缸体的可靠性，同时也考核相关零件的疲劳性能，这对柴油发电机零部件的开发设计是至关重要的。同时，根据气缸体及其它零部件损坏的方式、位置可以判断疲劳试验中受力的薄弱部位，进而给设计部门提供设计依据。

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