宮慧君，龐志偉，王 娟，程國鋒

（1.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，西安710018；2.勝利油田勝利動力機械集團有限公司，山東東營257000；3.川慶鉆探工程有限公司長慶監(jiān)督公司，西安710018）①

某型鉆井柴油機氣缸蓋有限元計算

宮慧君1，龐志偉2，王 娟2，程國鋒3

（1.川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，西安710018；2.勝利油田勝利動力機械集團有限公司，山東東營257000；3.川慶鉆探工程有限公司長慶監(jiān)督公司，西安710018）①

鉆井柴油機的可靠性對鉆井作業(yè)的安全、效益有重要影響。為了分析氣缸蓋的應力和變形，利用Pro／E Wildfire 3.0及W orkBench 11.0軟件建立有限元模型，在122 k N的螺栓預緊力條件下，施加13 M Pa的爆發(fā)壓力。分析結(jié)果證明：某型鉆井柴油機氣缸蓋的最大主應力值小于材料的強度極限，最大變形位移量為120μm，滿足現(xiàn)場鉆井使用要求。

柴油機；氣缸蓋；有限元分析

鉆井作業(yè)的工況比較惡劣，有的甚至在沙漠中作業(yè)，對柴油機的可靠性提出了更高的要求。文獻［1］針對柴油機曲軸的強度，采用多體接觸模型進行三維有限元分析，為曲軸的結(jié)構(gòu)設計提供了理論依據(jù)。但是，未能反映曲軸受力對氣缸蓋的影響。文獻［2］對柴油機氣缸蓋和氣缸墊組合進行研究，為設計金屬氣缸墊提供理論依據(jù)。但是，同樣未對氣缸蓋受力進行分析研究。文獻［3］對氣缸蓋進行了熱-流-固耦合分析。氣缸蓋是柴油機承受載荷最大的零件之一，受機械載荷及熱載荷的雙重作用，剖析氣缸蓋受力情況對柴油機可靠性至關重要。本文利用Pro／E Wildfire 3.0及W orkBench 11.0軟件，結(jié)合現(xiàn)場對某型鉆井柴油機氣缸蓋受力狀況的質(zhì)疑問題，模擬受力狀況，建立有限元模型，在預緊狀態(tài)下對氣缸蓋施加13 M Pa的爆發(fā)壓力，進行氣缸蓋的受力、應變分析。

1 建立模型

1.1 幾何模型及簡化［4］

本次計算取1個氣缸蓋模型作為研究對象，考慮到約束邊界條件的設置問題，匹配了機體、氣缸套、氣缸墊、缸蓋螺栓等相關模型，裝配建立為組合模型。考慮計算時間、計算精度及結(jié)構(gòu)對稱性，機體取1個整缸和2個半缸的剖分結(jié)構(gòu)。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量、提高計算精度，對各零件模型都進行了適當簡化，具體簡化內(nèi)容為：

1） 對氣缸蓋上沉孔、邊長小于2 m m倒角等特征進行了刪除簡化。

2） 對整個機體剛度影響不大的小特征進行了刪除簡化。例如機體上沉孔、油孔、安裝小凸臺和部分圓角、倒角等。

3） 缸套與機體頂面相接觸的區(qū)域，采用缸套與機體共用一面的方法來減小計算規(guī)模、減小非線性收斂難度。

4） 建立螺栓的簡化模型。

簡化后氣缸蓋的幾何模型如圖1所示。

圖1 簡化后氣缸蓋的幾何模型

1.2 材料屬性

組合模型各零件材料及材料的物理特性參數(shù)如表1。氣缸蓋材料皆為合金鑄鐵，其抗拉強度≥300 M Pa，其抗壓強度一般為抗拉強度的3～5倍。

表1 各零件材料的物理特性參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

本計算用有限元法對不同網(wǎng)格剖分進行反復試算，最終確定如圖2～3所示的氣缸蓋模型網(wǎng)格，其中氣缸蓋、氣門座圈、氣缸墊、螺栓單元格長度控制為5 m m，機體、氣缸套單元格長度略長，為15 m m，并對應力集中區(qū)域等細節(jié)區(qū)域進行了網(wǎng)格細化。

圖2 氣缸蓋模型網(wǎng)格

圖3 氣缸蓋組合模型網(wǎng)格

1.4 邊界條件

在機體的前、后斷面施加垂直于截斷面方向的對稱約束，并給機體底面1個固定約束，如圖4所示。

圖4 邊界約束

對于由機體、缸套、氣缸墊、氣缸蓋和緊固螺栓組成的研究組合結(jié)構(gòu)，在氣缸墊與氣缸蓋、緊固螺栓與氣缸蓋、氣門座圈與氣缸蓋、螺栓螺紋與機體連接處建立了接觸關系。其中氣缸墊與氣缸蓋、氣門座圈與氣缸蓋間建立標準接觸關系，計算程序?qū)⒏鶕?jù)接觸狀態(tài)對接觸面上建立的接觸單元自動完成作用力的傳遞，完成接觸模擬；緊固螺栓與氣缸蓋、缸套與氣缸墊、螺栓螺紋與機體連接處建立綁定接觸關系。

1.5 載荷施加

某型鉆井柴油機氣缸蓋的受力分為爆發(fā)壓力和螺栓的預緊力2種。在預緊工況下，施加122 k N的螺栓預緊力。在爆發(fā)工況下，將13 M Pa的爆發(fā)壓力按均布面力施加到氣缸蓋有限元模型的火力面上。另外，將按照面積比把作用在氣門上的燃氣壓力換算到氣門座圈的承力斜面上，也按均布面力加載，進、排氣門座圈的承力斜面均按106.8M Pa計算。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 位移

氣缸蓋的爆發(fā)工況最為惡劣，其中的火力面承受很大的氣體壓力，在高溫下氣體壓力使得火力面的變形位移尤為突出。因此，火力面法向變形是重要的驗算數(shù)值。該氣缸蓋火力面剛度計算結(jié)果如圖5。氣缸蓋火力面法向變形數(shù)據(jù)如表2。由圖5和表2知，該氣缸蓋火力面法向變形均是由中心區(qū)域a向邊沿區(qū)域e逐漸減小，和實際工況變形趨勢一致。最大變形位移量為120μm。

圖5 氣缸蓋火力面法向變形

表2 氣缸蓋火力面法向變形μm

2.2 應力

氣缸蓋材料為鑄鐵，在進行結(jié)構(gòu)強度分析時主要是校核其拉應力的分布，即最大主應力的分布。載荷條件是最惡劣工況，即13 M Pa的爆發(fā)壓力。經(jīng)過軟件分析，該機組氣缸蓋最大主應力計算結(jié)果如圖6～7。最大主應力數(shù)值如表3。通過分析在爆發(fā)工況下高應力區(qū)最大主應力值的變化情況，可以看出，在4個重要區(qū)域內(nèi)，氣道與主要承力部位螺栓之間應力值較高；該缸蓋的最大主應力最大值小于材料的強度極限，可以滿足使用要求。

圖6 缸蓋頂面最大主應力

圖7 缸蓋底面最大主應力

表3 氣缸蓋區(qū)域主應力M Pa

3 結(jié)論

1） 鉆井柴油機的可靠性對鉆井作業(yè)的安全、效率、效益等有重要影響。氣缸蓋是重要零件之一，受到工作載荷和熱應力的雙重作用，工況更惡劣。有必要進行研究，為設計提供理論參考。

2） 利用Pro／EWildfire 3.0及W orkBench 11.0軟件建立氣缸蓋的有限元模型，在13 M Pa壓力的爆發(fā)工況下分析氣缸蓋的應力、位移。該氣缸蓋不存在裂紋、漏水、燒蝕等問題。即使在最惡劣的工況下，仍然具有充足的強度余量。所以，該柴油機的氣缸蓋可以滿足鉆井要求。

3） 下一步工作將對該氣缸蓋繼續(xù)進行分析，探討其溫度場、應力場對該氣缸蓋的影響。

［1］ 張勇，張有，陳國華，等.車用柴油機汽缸蓋的三維有限元結(jié)構(gòu)分析［J］.車用柴油機，1998（5）：18-21.

［2］ 史彥敏，李衛(wèi)民.汽車柴油機氣缸蓋與氣缸墊組合結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.工程圖學學報，2009（2）：23-29.

［3］ 徐聰聰．柴油機氣缸蓋熱-流-固多場耦合仿真研究［D］.太原：中北大學，2011.

［4］ 陳云龍.F-1600 H型高壓泥漿泵L型液缸有限元分析［J］.石油礦場機械，2013，42（1）：42-46.

Finite Element Calculations of Cylinder Head on Some Drilling Diesel Engine

G O N G H ui-jun1，P A N G Zhi-wei2，W A N G Juan2，C H E N G G uo-feng3
（1．C C D C Changqing General Drilling Com pany，Xi’an710018，China；2．Shengli Oilfield Shengli Power M achinery Group Com pany Ltd．，Dongying257000，China；3．C C D C Changqing Supervision Com pany，Xi’an710018，China）

T he reliability of drilling diesel engine has a significant im pact on the security and efficiency of drilling operation.In order to analyze the stress and deformation of the cylinder head，finite element m odel was established by using Pro／E Wildfire3 and W orkBench 11.0 software，and a 13 M Pa explosion pressure on the cylinder head were im posed under the 122 k N bolt pre-tightening force.A nalysis results show that：the maxim u m principal stress of cylinder head on so me type of drilling diesel engine is lower than the strength limit of material，the maxim u m displacement is 120μm.The above results meet with the drilling requirements.

diesel engine；cylinder head；finite element analysis

T E924

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.022

1001-3482（2014）08-0095-03

2014-02-10

宮慧君（1981-），女，山東東營人，2003年畢業(yè)于中國石油大學，主要從事石油鉆井機械裝備的技術(shù)研究，E-mail：526165251＠qq.co m。