霍洪旭　鄭　鵬（沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院遼寧沈陽110870）

中空充鈉氣門三維測量及溫度場應(yīng)力場有限元分析

霍洪旭鄭鵬
（沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院遼寧沈陽110870）

根據(jù)發(fā)動機的實際工況，建立中空充鈉排氣門在加載條件下的溫度熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的計算模型，計算液態(tài)鈉的對流系數(shù)并采用ANSYS有限元分析軟件研究了其熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的分布狀態(tài)，以及排氣門偏心異常條件下的氣門應(yīng)力分布，為中空充鈉排氣門優(yōu)選材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

發(fā)動機中空充鈉排氣門應(yīng)力分析排氣門失效偏心應(yīng)力

引言

氣門（包括進(jìn)氣門和排氣門）是發(fā)動機配氣機構(gòu)中重要的零部件［1］，保證發(fā)動機在工作中按時開啟和關(guān)閉，將可燃混合氣輸入氣缸，并及時將燃燒后的廢氣排出氣缸［2］。其狀態(tài)對發(fā)動機的性能有著至關(guān)重要的影響。排氣門工作時，除承受較高的機械載荷和熱負(fù)荷之外，還長期受到高溫、高壓的燃?xì)飧g，工作條件十分惡劣，容易導(dǎo)致磨損和疲勞斷裂等各種損壞情況，甚至導(dǎo)致惡性機械事故的發(fā)生［3］。中空充鈉技術(shù)將氣門桿設(shè)計為中空結(jié)構(gòu)，采用楔橫軋-模鍛工藝來制造中空排氣門，然后將金屬鈉充入其中［4］。在發(fā)動機正常的工作溫度下，處于液態(tài)的金屬鈉會隨著氣門的開閉而上下運動，由于鈉的比熱容較大，所以它能夠很好地吸收來自氣門盤部的熱量并經(jīng)氣門導(dǎo)管傳導(dǎo)至缸蓋。因缸蓋布置有冷卻水道，熱量經(jīng)冷卻水散熱，使氣門維持在更低、更穩(wěn)定的溫度，有效防止了排氣門桿頭部發(fā)生熱量堆積和驟然升溫，提高了排氣門的使用性能及使用壽命［5］。目前中空充鈉排氣門主要應(yīng)用在高端、新型的汽車上，比如：BMW的3Li、哈弗H8及H9等等。

以往工程中對氣門失效的分析主要從實心排氣門的材料、熱應(yīng)力角度來考慮，對中空充鈉排氣門的燃燒載荷、沖擊載荷及壓力載荷進(jìn)行有限元分析的學(xué)術(shù)報告很少。針對中空充鈉排氣門，根據(jù)工作環(huán)境確定邊界條件，利用熱電偶測量中空排氣門溫度［6］，重點利用有限元軟件ANSYS對其進(jìn)行燃燒載荷、沖擊載荷及壓力載荷的分析，以及模擬偏心對中空充鈉排氣門的影響，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)和解決失效問題提供參考依據(jù)。

1　中空排氣門幾何模型的建立

在排氣門的實際工作中，氣門導(dǎo)管限制排氣門只能沿導(dǎo)管方向運動，氣門座圈限制氣門的向上運動，如圖1所示。氣門的向下運動是通過凸輪軸的作用，氣門導(dǎo)管和氣門座圈安裝在發(fā)動機缸蓋上，另外通過缸蓋與氣門間作用的氣門彈簧的彈簧力來保證氣門在無凸輪驅(qū)動力作用時氣門與座圈緊密接觸，如圖2所示。

圖1　排氣門結(jié)構(gòu)圖

本文運用UG三維造型軟件，獲得某汽車發(fā)動機中空充鈉排氣門的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，并建立發(fā)動機排氣門的三維實體模型。為了計算的準(zhǔn)確性和完整性，對氣門部件整體進(jìn)行建模分析，模型包括：中空充鈉排氣門、氣門座圈和氣門導(dǎo)管，幾何模型如圖3所示。

圖2　氣門工作系統(tǒng)圖

圖3　排氣門建模模型

考慮到發(fā)動機排氣門的傳熱特點，在計算時先進(jìn)行邊界區(qū)域劃分，分別是：氣門頂面、氣門錐面、氣門盤部、氣門桿部和中空部分，如圖4所示。

圖4　排氣門劃分結(jié)構(gòu)圖

2　中空充鈉排氣門穩(wěn)態(tài)傳熱及熱應(yīng)力分析

2.1參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)已知的條件建立模型后，設(shè)定單位和材料屬性。單位為mm·N·s、氣門材料為21-4N鋼，密度為7 900 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量E為210 GPa，切變模量G為161.5 GPa（可以按照公式G=E/（1+ 2u）算出），熱膨脹系數(shù)為1.3×10-6K-1，熱傳導(dǎo)系數(shù)為25.96 W/（m·K）。由于模型較為復(fù)雜，各向異性較大，適合采用單體為四面體的Solid90單元類型。

2.2網(wǎng)格生成控制與評價

模型設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對排氣門的盤部、錐面進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，如圖5所示。

圖5　模型的網(wǎng)格劃分

根據(jù)排氣門實際結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)格進(jìn)行形狀（Summary）和狀態(tài)（Status）的質(zhì)量評價，為以后的有限元分析提供參考。如表1所示，網(wǎng)格劃分正確，未出現(xiàn)報警和錯誤。

表1　總結(jié)所有選定元素的形狀測試

2.3排氣門穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力分析

根據(jù)彈塑性理論和傳熱熱力學(xué)原理，在發(fā)動機額定功率下，假設(shè)發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)工況下運動時間足夠長，排氣門的溫度特征保持不變，趨于穩(wěn)定［7］。建立氣門桿和氣門盤的溫度分布函數(shù)。對于單元節(jié)點E的熱應(yīng)力控制方程：

｛F｝ε=［K］ε｛δ｝ε（1）式中｛F｝ε為單元節(jié)點的節(jié)點力；［K］ε為單元節(jié)點的剛度矩陣；｛δ｝ε為單元節(jié)點的節(jié)點位移。

中空充鈉排氣門在實際工作中，由于內(nèi)部液態(tài)鈉承受高溫高壓，使得在980℃的液態(tài)鈉以流體的形式流動，不斷進(jìn)行熱量交換。因此需要根據(jù)實際情況計算液態(tài)鈉的對流傳熱系數(shù)。

由于管徑較小，管壁和流體間的溫度差也較小，粘度較大。因此自然對流的影響可以忽略，故液態(tài)鈉在980℃的對流傳熱系數(shù)α可表示為：

其中，內(nèi)徑為d，長度為l。中空充鈉的流速為u，比熱容Cp，傳熱系數(shù)λ，粘度μ，平均溫度下的粘度μw。

排氣門打開狀態(tài)下的環(huán)境溫度和對流系數(shù)，如表2所示。實際使用中氣門基本的破壞形式是屈服和斷裂。由于排氣門在實際過程的受力情況十分復(fù)雜，所以利用ANSYS有限元分析軟件，對模型進(jìn)行第四強度理論（莫爾強度理論）分析，即用形狀改變比能密度作為強度判定條件。

表2　排氣門傳熱分析邊界條件

氣門的熱應(yīng)力分布，如圖6所示。從圖中可以看出，最大應(yīng)力（725 MPa）存在于排氣門與氣門導(dǎo)管的接觸面處。

圖6　排氣門穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力

3　排氣門瞬態(tài)壓力、沖擊力分析

3.1氣門瞬態(tài)燃燒壓力分析

氣門正常燃燒下的壓力作用，使氣門產(chǎn)生微小變形，有必要進(jìn)行應(yīng)力分析。取發(fā)動機燃燒時的最大壓力為6.2 MPa，作用在氣門頂面。燃燒時的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，如圖7所示。從圖中可以看出，排氣門應(yīng)力分布規(guī)律集中在錐面，最大為38 MPa，相對熱應(yīng)力影響較小。

圖7　瞬態(tài)燃燒壓應(yīng)力

于此同時，燃燒壓力引起的的排氣門盤部微小變形，最大變形量為1.05 μm，位于頂面中央，如圖8所示。

圖8　瞬態(tài)燃燒變形圖

3.2沖擊力分析

氣門在落座沖擊力下的應(yīng)力分析。落座沖擊是氣門工作過程的一個重要環(huán)節(jié)，也是瞬間的接觸應(yīng)力對氣門產(chǎn)生較大影響的因素。因此，需要對氣門落座瞬間的接觸應(yīng)力情況進(jìn)行有限元分析。

排氣門開啟時與氣門座是不發(fā)生任何接觸的，此時不存在接觸應(yīng)力。當(dāng)排氣門與氣門座發(fā)生接觸時，氣門與氣門座產(chǎn)生接觸碰撞，此時是排氣門最危險的時刻。當(dāng)腔體內(nèi)的燃燒溫度達(dá)到最大值時，排氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，承受彈簧預(yù)緊力、氣體壓力和載荷沖擊。因此需要對排氣門進(jìn)行軸向約束。

發(fā)動機工作時，氣門高速高頻撞擊排氣門座，其對排氣門座產(chǎn)生慣性力為

其中M為排氣門機構(gòu)的運動質(zhì)量，Kg為排氣門機構(gòu)的動載荷系數(shù)，a為排氣門機構(gòu)的加速度。

從實際角度出發(fā)，中空充鈉排氣門的氣門座圈和氣門導(dǎo)管的響應(yīng)表面為固定約束，氣門彈簧的預(yù)加載荷沿氣門桿背向氣門盤。氣門導(dǎo)管與氣門為摩擦副約束，氣門座圈與氣門為摩擦副約束。應(yīng)用ANSYS的Post1通用后處理器對預(yù)加載荷求解、后處理，輸出結(jié)構(gòu)變形云圖和等效應(yīng)力云圖，如圖9所示。

發(fā)動機工作時，氣門高速撞擊排氣門座，最大撞擊應(yīng)力發(fā)生在錐面附近，達(dá)261.15 MPa。此后沿軸向逐漸減小，在排氣門座的頂部達(dá)到最小值0.07 MPa。這是由于排氣門座材料的緩沖作用使得應(yīng)力沿軸向不斷減小。撞擊應(yīng)力雖然不大，但當(dāng)排氣門與排氣門座之間存在微小偏心時，慣性力會使氣門在排氣門的接觸表面產(chǎn)生微小的滑動，使得排氣門急劇磨損，是造成排氣門失效的的重要原因，因此在設(shè)計排氣門時，應(yīng)該充分考慮排氣門與氣門座之間的錐面嚙合問題，有利于提高排氣門的使用壽命。

圖9　等效應(yīng)力云圖

4　排氣門瞬態(tài)偏心結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

模擬氣門偏心時的應(yīng)力。取氣門座的法線方向與理想狀態(tài)下有1°的偏心。對模型重新進(jìn)行邊界條件設(shè)定和載荷的施加，通過有限元分析求出應(yīng)力。圖10和圖11分別是當(dāng)排氣門與氣門座之間存在微小偏心時的應(yīng)力圖和結(jié)構(gòu)變形圖。

由此可見，最大應(yīng)力（770.42 MPa）出現(xiàn)在氣門盤背部錐面和過度圓弧的交界面附近，最大變形量為0.05 mm?？梢钥闯鰵忾T偏心對氣門的結(jié)構(gòu)影響巨大，但是并沒有超出材料的抗拉強度極限。氣門部件的材料屬性如表3所示。

可見過度的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力引起發(fā)動機排氣門和氣門座圈的嚴(yán)重變形，公差配合不當(dāng)和潤滑不足，這些將導(dǎo)致氣門桿部的劃傷和咬合，氣門間隙調(diào)整不當(dāng)，沉積物形成，腐蝕和磨損等都將導(dǎo)致氣門失效［8］。

同時研究顯示，由于中空充鈉排氣門與氣門座圈之間密封不嚴(yán)，高溫燃?xì)鈴呐艢忾T與氣門座圈之間逸出，對密封面金屬組織進(jìn)行高溫高速沖刷，產(chǎn)生對耐磨堆焊層Ni-Cr合金的燒蝕［9］。因此，排氣門密封不嚴(yán)或偏心，是造成燒蝕的主要原因。如圖12所示，在實際使用中排氣門由于氣門偏心造成氣門錐面燒蝕現(xiàn)象（俗稱“燒口”），符合有限元分析結(jié)果。

圖10　等效應(yīng)力云圖

圖11　結(jié)構(gòu)變形云圖

表3　氣門部件的材料屬性

圖12　氣門錐面局部燒蝕

為防止堆焊燒蝕現(xiàn)象，應(yīng)提高排氣門盤部錐面與座圈研磨技術(shù)的水平［10］，通過氣門測量自動檢驗機測量缸蓋座圈的錐角和泄露率是否達(dá)標(biāo)［11］。保證裝配后的排氣門盤部錐面與座圈有良好的密封性。另外，為防止氣門間隙調(diào)整不當(dāng)而導(dǎo)致的沉積物形成，可進(jìn)一步優(yōu)化錐面堆焊材料，例如：在實際應(yīng)用中，伊頓6號合金錐面強化效果比其他堆焊合金更為理想［8］。

5　結(jié)論

1）通過建立發(fā)動機中空排氣門的有限元模型，施加邊界條件和溫度載荷，得到氣門溫度分布規(guī)律和熱應(yīng)力，為進(jìn)一步改進(jìn)排氣門的結(jié)構(gòu)做鋪墊。

2）對中空充鈉排氣門進(jìn)行瞬態(tài)燃燒壓力分析和沖擊力分析，得出排氣門分別在熱壓力和沖擊載荷下的第四強度理論應(yīng)力圖。通過對比發(fā)現(xiàn)，高頻的沖擊力是導(dǎo)致排氣門失效的主要原因。高溫高壓是導(dǎo)致排氣門失效的重要原因。

3）由于中空排氣門長期受撞擊應(yīng)力影響，導(dǎo)致氣門與氣門座圈產(chǎn)生微小的偏心，在高溫高壓下，局部滑動、磨損、融化變形，引起排氣門的燒蝕現(xiàn)象。因此在裝配時，應(yīng)限定座圈與排氣門的中心線偏差以及排氣門與氣門導(dǎo)管中心線的偏差。同時對排氣門錐面采取固溶、時效處理和研磨技術(shù)，提高排氣門的使用壽命。

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Three-dimensional Measurement and Temperature Field and Stress Field Finite Element Analysis of the Hollow Exhaust Valve Filled with Sodium

Huo Hongxu，Zheng Peng
School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology（Shenyang，Liaoning，110870，China）

According to the actual working condition of the engine，the mathematical model of thermal stress and mechanical stress of the hollow exhaust valve filled with sodium under loading condition was established，the convection coefficient of liquid sodium was calculated，the distribution of thermal stress and mechanical stress of the hollow exhaust valve filled with sodium and the distribution of valve stress under the condition of hollow exhaust valve eccentric were studied by using ANSYS.The study provides some theoretical reference value for the material selection and structure optimization of the hollow exhaust valve filled with sodium.

Engine，Hollow exhaust valve filled with sodium，Stress analysis，Exhaust valve failure，Eccentric stress

TK413.4

A

2095-8234（2016）04-0059-06

11朱正德.進(jìn)排氣門與缸蓋閥座間的密封性檢測［J］.內(nèi)燃機配件，2003（2）：58-59（：2016-05-09）

霍洪旭（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為汽車零部件數(shù)字化設(shè)計。