任曉莉，許回江，史艷莉

（1.西安交通大學(xué) 城市學(xué)院機械工程系，西安 710018；2.陜柴重工西安電站工程分公司 技術(shù)中心，西安 710077）

缸體是發(fā)動機的基礎(chǔ)部件，其主要材料有灰鑄鐵（HT200-HT400）、鋁合金及蠕墨鑄鐵[1]。缸體材料的選擇是根據(jù)缸體結(jié)構(gòu)、工作性能要求和材料特性來確定的。灰鑄鐵材料仍以其成本低、耐腐蝕、高強度等優(yōu)點在發(fā)動機生產(chǎn)中被普遍采用，多以 HT250作為發(fā)動機缸體材料，也有某些缸體采用HT240材料。缸體在發(fā)動機運行中主要承受交變應(yīng)力，易疲勞破壞，這直接影響到缸體的使用壽命。目前 HT250材料的缸體的疲勞試驗已有研究[2]，而HT240材料的發(fā)動機缸體疲勞壽命研究還屬空白，故根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計需要，對該缸體進行疲勞試驗。

1 試驗

該試驗主要用于確定缸體燃燒室壁和主軸承壁的疲勞強度。

1.1 試驗原理

該試驗參照奧地利 AVL公司的缸體疲勞試驗檢測標準。試驗設(shè)備采用長春機械科學(xué)研究院有限公司研制的發(fā)動機缸體疲勞試驗機[3-4]，其最大靜態(tài)試驗壓力為42 MPa。

該次缸體疲勞試驗進行全缸（四缸）加載，試驗循環(huán)基數(shù)為 5.0×106次，以發(fā)動機運行負荷為基準，確定在最大負荷下的疲勞極限安全值。

為了評定缸體在發(fā)動機工作狀況下的可靠性，需要模擬實際工況對缸體施加一定的脈動載荷來完成缸體疲勞試驗。為此，將液壓設(shè)備輸出的高壓液壓油注入到模擬活塞的上部空間[2]，對模擬活塞施加一定的脈動力，該力通過相關(guān)工裝傳遞到活塞連桿系統(tǒng)，然后傳遞到主軸承蓋，來考核主軸承壁的承載能力。液壓力直接作用在缸體燃燒室壁，以此考核缸體（缸套）的耐壓性能。通過以上兩種試驗也考核了缸體整體承受脈動載荷的能力。

1.2 試驗方法

HT240材料試驗缸體樣品數(shù)共4件。在缸體疲勞試驗中施加的脈動壓力的大小，基于缸體（或缸套）的耐壓性能和其他零件的承載能力，以及缸體主軸承承載能力，試驗采用負荷增加法。負荷增加法是先對一個試驗樣品進行估值加載，這個值不能太大，否則會損壞試件。在試件通過估值加載沒有受損的情況下，在原估計數(shù)值的基礎(chǔ)上將加載載荷提高 15%～25%。依此類推，直到試件損壞為止[5]。將試件損壞前一次的加載值作為此次試驗的安全壓力值。

1.3 試驗對象及工裝

完整的試驗樣品應(yīng)是缸體、主軸承蓋、主軸承蓋螺栓、主軸承瓦、活塞、活塞銷、連桿總成、缸墊、缸蓋螺栓、缸套等零部件的總成。連桿螺栓、缸蓋螺栓及主軸承蓋螺栓均應(yīng)按照規(guī)定的扭矩和順序進行裝配。

試驗工裝包括模擬曲軸、模擬活塞和模擬缸蓋。模擬曲軸為直通式并從主軸承座中間處斷開。試驗工裝能夠保證給缸體施加一定的壓力，同時能夠裝夾試驗傳感器以及供油管道。另外，由于試驗壓力通過液壓油施加，所以試驗工裝必須有良好的密封性，以確保能夠承受足夠的液壓壓力。

1.4 試驗準備及缸體基本參數(shù)

按一定的順序?qū)⒛M曲軸、主軸承蓋、螺釘、模擬活塞及缸墊等安裝在缸體上，最后安裝進回油管和傳感器，并使用應(yīng)變儀進行壓力標定。

表1 缸體基本參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析及數(shù)據(jù)處理

2.1 燃燒室壁疲勞試驗

缸體燃燒室部位的試驗結(jié)果及探傷情況見表2、圖 1—圖3，從圖中可看到著色探傷缸體容易斷裂部位及薄弱位置。

表2 燃燒室壁試驗結(jié)果

圖1 1#缸體第一缸和第二缸缸套部位損壞

缸壁燃燒室薄弱部位基本都在缸體上部，缸體開孔、切槽處易出現(xiàn)疲勞裂紋。隨著缸內(nèi)壓力的增加，循環(huán)次數(shù)也在減少；該批缸體在 509萬次循環(huán)次數(shù)下，存活率為50%的安全壓力不低于17 MPa。

圖2 2#缸體第二缸缸套部位損壞

圖3 3#缸體一、二和二、三缸缸套部位損壞

2.2 缸體主軸承壁試驗

缸體主軸承壁部位的試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果見表3、圖4、圖 5，從圖中可看到探傷結(jié)果所顯示的缸體主軸承壁斷裂部位及薄弱位置。經(jīng)分析，該批缸體主軸承在50%存活率下的安全壓力不低于21 MPa。

表3 缸體主軸承壁試驗結(jié)果

2.3 疲勞實驗

由于缸體燃燒室壁的疲勞試驗結(jié)果顯示的安全壓力低于缸體主軸承壁的安全壓力，故只對缸體燃燒室壁的試驗數(shù)據(jù)進行處理。

圖4 1#缸體第1主軸承壁損壞情況

圖5 2#缸體第5主軸承壁損壞情況

目前對高周疲勞（試樣和零件在高于 104～105次載荷循環(huán)而產(chǎn)生的疲勞）最常用的疲勞評價方法是采用S-N曲線[6]，即材料應(yīng)力幅S與破壞發(fā)生時的循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線，形成的數(shù)據(jù)對設(shè)計和檢驗有很大的作用[7]。其數(shù)學(xué)表達式[8]為：

SNm=C

式中：m，C為材料常數(shù)，與材料性質(zhì)、試件形式和加載方式等因素有關(guān)。通常循環(huán)次數(shù)采用對數(shù)坐標，應(yīng)力幅也可采用對數(shù)坐標。以對數(shù)的形式給出S-N曲線：

lgS+mlgN=lgC

在小于107循環(huán)數(shù)處，S-N曲線將近似為一條直線。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，擬合出中值對數(shù)S-N曲線，見圖6。該曲線表明缸體運行5×106次時存活率50%不發(fā)生破壞的疲勞極限為σr＝17.89 MPa（r為循環(huán)比）。

圖6 中值lgS-lgN曲線

3 結(jié)論

1）該缸體缸壁上半部分為薄弱部位。缸體開孔、切槽處易出現(xiàn)疲勞裂紋。

2）材料為HT240的該批缸體在50%存活率下不發(fā)生破壞的疲勞極限為17.89 MPa。

3）本批缸體主軸承在21 MPa下運行5.0×106次未破壞。

4) 試驗表明，該批次缸體基本滿足設(shè)計要求。

該試驗通過對待批量生產(chǎn)的 HT240缸體疲勞性能進行驗證，同時也對相關(guān)零件的疲勞性能進行了檢驗。根據(jù)試驗中損壞的部位確定其應(yīng)力薄弱部位，為該發(fā)動機缸體的優(yōu)化設(shè)計及材料的改進提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1] 袁兆成. 內(nèi)燃機設(shè)計[M]. 第二版. 北京∶ 機械工業(yè)出版社, 2012.

[2] 陳學(xué)罡, 吳鵬. 發(fā)動機氣缸體疲勞試驗[J]. 汽車工藝與材料, 2014(1)∶ 32-35.

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[4] 陳學(xué)罡, 何才. 發(fā)動機缸體疲勞試驗機和試驗方法研究[C]// 中國汽車工程學(xué)會汽車材料分會第十八屆學(xué)術(shù)年會會議論文集. 上?！?中國汽車工程學(xué)會, 2012.

[5] 陳學(xué)罡, 李慧遠, 田雨苗. 發(fā)動機氣缸體疲勞試驗研究[J]. 汽車工藝與材料, 2006(3)∶ 6-9.

[6] 張亞軍. S-N疲勞曲線的數(shù)學(xué)表達式處理方法探討[J].理化檢驗∶ 物理分冊, 2007, 43(11)∶ 563-565.

[7] 何才. 疲勞試驗數(shù)據(jù)處理及P-S-N曲線的作用[J]. 汽車工藝與材料, 2007(4)∶ 42-44.

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