顧紅根

（中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300452）

0 引言

海上采油平臺(tái)的配置中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備中不可缺少的一部分。從工作性能效率和安全問題出發(fā)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性能成了設(shè)備選擇和使用中需要考慮分析的必要因素。其密封性能的差異由氣缸密封結(jié)構(gòu)決定，而氣缸墊在當(dāng)中起到重要的作用。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)械技術(shù)日益完善，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率飛速提高。因此，如果需要在工作中保證氣缸密封可靠，了解氣缸結(jié)構(gòu)和判斷、合理維護(hù)氣缸墊了相關(guān)工作者需要熟悉掌握的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能分析

1.1 有限元分析

有限單元法是最常用數(shù)值模擬法的之一，其余的還有邊界元法和有限差分法。有限單元法中涵蓋的數(shù)字求解法因其離散化求解方式的特殊性，讓有限單元法在結(jié)構(gòu)分析中得到了大范圍應(yīng)用。1941年，A.Hrennikoff構(gòu)造出了離散模型，并由此提出了求解彈力性力學(xué)相關(guān)問題的方法，闡釋了有限元分析的基礎(chǔ)思想，由A.Hrennikoff提出的有限元分析思想因?yàn)樯胁怀墒?，因此又被稱為廣義有限單元法。繼其之后的R.Courant于1943年，使有限單元法的基礎(chǔ)得到完善，其將模型截面分解成多三角區(qū)域，再一次分配翹曲函數(shù)，通過該方法表征了翹曲函數(shù)在有限單元法中的運(yùn)用[1]。

研究人員在有限單元法應(yīng)用于矩陣位移法和能量原理等方面不斷改進(jìn)，終于得到了學(xué)者們的認(rèn)可。在1960年，有限單元法得以飛速發(fā)展，許多相關(guān)研究者包括數(shù)學(xué)家和力學(xué)家等都參與了有限單元法的研究，加固了其基礎(chǔ)理論，更好地闡述了變分法與其之間的關(guān)系，有限單元法的可應(yīng)用范圍也得到了一定擴(kuò)展。20世紀(jì)70年代，有限單元法更是成了在連續(xù)介質(zhì)問題中最熱門的數(shù)值解法分支，其變分法、平面彈性力學(xué)、靜力平衡、線性以及分析對(duì)象等方面的問題都得到了解決，使許多工程上難以解決的復(fù)雜問題都得到了突破。

有限單元法的基本原理是讓連續(xù)模型通過離散出有限數(shù)的物體，按一定方式構(gòu)成互相連結(jié)的單元組合。有限元的分析流程圖如圖1所示。

圖1 有限元分析流程圖

節(jié)點(diǎn)位移是有限單元法求解中的基礎(chǔ)未知量，各單元內(nèi)力情況可以通過節(jié)點(diǎn)平衡方程中解出的結(jié)果再位移反推得出。通過節(jié)點(diǎn)位移的方式和相關(guān)方程公式的運(yùn)用，就可以解出各單元內(nèi)應(yīng)力與其的關(guān)系和數(shù)值大小。

1.2 氣缸墊密封性能分析

每個(gè)氣缸在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中都具有獨(dú)立的氣缸墊，并且依靠此來保證密封性[3]。該文將對(duì)海上采油平臺(tái)使用的12VPA-DF柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)12VPA-DF柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸序號(hào)，發(fā)火順序依次為1、3、5、6、4、2，其應(yīng)力云圖和氣缸墊工作原理如圖2所示。

通過對(duì)圖2的分析可以得出，上板在密封中起到了主要作用。其中最重要的一點(diǎn)是上板對(duì)于氣缸墊缸口處做出了對(duì)密封結(jié)構(gòu)力的線性調(diào)整以及傳遞，調(diào)整板也在結(jié)構(gòu)上連接了上板和下板，此處表現(xiàn)了調(diào)整板內(nèi)應(yīng)力的作用，最后則是上板依附在氣缸口附近時(shí)形成了連接密封缸體和缸蓋的結(jié)構(gòu)。圖中的下板也是氣缸墊結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，為其提供了穩(wěn)定性和對(duì)稱性，具有重要的密封功能。

圖2 氣缸墊局部截面應(yīng)力云圖和工作原理圖

氣缸墊通過封閉結(jié)合面縫隙來實(shí)現(xiàn)的密封作用屬于靜密封。缸蓋、缸體與氣缸墊之間接觸面上受到的壓力均衡性和壓力大小2項(xiàng)指標(biāo)都是密封性能的測(cè)試指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)角度分析，首先應(yīng)分析密封接觸面，要對(duì)密封性能進(jìn)行判定，需要確定缸蓋、缸體與氣缸墊的有效密封寬度是否符合要求，若達(dá)到了要求再提取測(cè)試其周向的有效密封接觸壓力，由此來進(jìn)行判定。對(duì)氣缸墊的設(shè)計(jì)過程中，極限密封比壓值K被定義為氣缸墊在流體壓力下仍能保持密封可靠比壓，K值被用來保證流體壓力下氣缸墊的密封性能[2]。

根據(jù)12VPA-DF密封接觸面的寬度和金屬材質(zhì)硬度，以及其最大燃燒壓力為110kg/cm2，可以得出結(jié)論：只有當(dāng)達(dá)到σ>37MPa條件的情況下，氣缸墊密封的可靠性才能得到保證。在筆者進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，在最大燃?xì)鈮毫η闆r下工作的12VPA-DF柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣缸墊與缸蓋和缸體間接觸時(shí)的接觸面周向有效接觸壓力曲線和接觸壓力云圖如圖3、圖4所示。

圖3 缸墊與缸蓋和缸體之間接觸壓力云圖（最大爆破壓力狀態(tài)下）

圖4 缸口周向有效接觸壓力分布曲線圖

通過對(duì)以上2個(gè)圖的分析可以得出有效密封接觸面寬度不足，以及氣缸口接觸壓力變化較大且周向分布不均勻的結(jié)論。在仿真實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)在最大爆破壓力的情況下，12VPA-DF柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸口的鍍鋅層厚度為10μm，達(dá)到了密封壓力結(jié)構(gòu)的要求，但是在實(shí)驗(yàn)過程中和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果中依舊可以明顯地觀察到其不穩(wěn)定的密封可靠性。除此之外，12VPA-DF柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上雖然有4個(gè)均勻分布在周圍的主螺栓，但是剩余的6個(gè)副螺栓在缸蓋兩側(cè)的分布位置和對(duì)缸蓋密封性上起到的作用，會(huì)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的整體密封性有著重要影響。缸體壓力結(jié)構(gòu)不平衡也可能是由各個(gè)螺栓被施加的預(yù)緊力所影響。

通過對(duì)12VPA-DF柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在最大燃燒壓力下的缸蓋、缸體以及氣缸墊組合結(jié)構(gòu)下模擬的有限元數(shù)值分析，可以得出密封接觸壓力的分布情況和密封接觸壓力云圖，通過對(duì)數(shù)據(jù)分析能得出相應(yīng)結(jié)論：首先，合理分配缸蓋上4個(gè)主螺栓和6個(gè)副螺栓的預(yù)緊力，可以有效地控制密封接觸壓力在氣缸工作時(shí)的分布情況。通過有限元分析法，在保持2個(gè)主螺栓預(yù)緊力不變的情況下，提高另外2處主螺栓預(yù)緊力。其次，改進(jìn)缸蓋的材質(zhì)剛度或者缸體的材質(zhì)剛度可以改善12VPA-DF柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性能。最后，則是優(yōu)化氣缸墊上板處缸口的鍍層來改善密封性能[4]。

在該測(cè)試當(dāng)中，從接觸面壓力分布云圖可以觀察得出，當(dāng)鍍層厚度為30μm、40μm時(shí)，密封接觸面寬度有效性得到了保障，同時(shí)缸口周向接觸面壓力可以在氣缸墊的作用下確保可靠性。但當(dāng)鍍層厚度為40μm時(shí)，密封接觸面壓力集中的問題出現(xiàn)于氣缸墊缸口鍍層上，產(chǎn)生了局部面集中壓力問題。此問題不僅會(huì)破壞氣缸點(diǎn)密封結(jié)構(gòu)，并且還會(huì)導(dǎo)致氣缸墊使用壽命縮短。局部面集中壓力問題可以通過優(yōu)化螺栓預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)整[5]。因此，12VPA-FD柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)鍍層厚度應(yīng)為30μm～40μm，來保證最穩(wěn)定的氣缸墊密封性能。

2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱穩(wěn)態(tài)及熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

海上采油平臺(tái)工作中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為供應(yīng)動(dòng)力的裝置會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，過大的熱能即使在冷卻系統(tǒng)的保障下，也無法避免產(chǎn)生對(duì)氣缸墊密封性能和物理結(jié)構(gòu)上的影響。該文將通過熱能角度分析氣缸墊和發(fā)動(dòng)機(jī)在此因素下可能受到的密封性能影響。

熱穩(wěn)態(tài)也被稱為額定短時(shí)耐受電流（Ik），用來衡量電路及其原件是否可以在短時(shí)間內(nèi)承受當(dāng)短路電流通過導(dǎo)體時(shí)散發(fā)的大量熱量。熱結(jié)構(gòu)耦合則指柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的特定結(jié)構(gòu)在外界輻射邊界的作用下產(chǎn)生的表面形態(tài)變化，同時(shí)影響邊界輻射條件。通過使用這2種計(jì)算方法，可以在熱傳熱的平衡和積累仿真實(shí)驗(yàn)中提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，使溫度場和應(yīng)用場得到改善，可以更好地保證柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

在仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，從熱穩(wěn)態(tài)分布情況分析可得，在12VPA-FD工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，缸體預(yù)氣缸蓋結(jié)合處的外部溫度最高，這是由于此處屬于熱量產(chǎn)生最集中，并且熱能產(chǎn)生醉倒的地方，在無法接受到冷卻系統(tǒng)足夠的冷卻影響下熱量無法發(fā)散而導(dǎo)致了外部溫度最高的情況，因此可以判斷這一部分對(duì)氣缸點(diǎn)的影響也最大。就缸蓋外部溫度而論，雖然缸蓋總體溫度穩(wěn)定，但燒壁處比起其他部分溫度較高，出氣口鼻梁區(qū)和進(jìn)氣口鼻梁區(qū)的外部溫度尤為注目。除此之外，12VPA-FD發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸與缸體上氣缸之間的部分外部溫度也較高。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，氣缸口附近的外部溫度過高會(huì)對(duì)氣缸點(diǎn)密封性能的產(chǎn)生影響，并且需要通過熱結(jié)構(gòu)耦合方法來進(jìn)一步分析缸口高溫部分對(duì)氣缸點(diǎn)的具體影響。

通過熱結(jié)構(gòu)耦合分析可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊上表面中的局部壓力發(fā)生了細(xì)微變化，在螺栓預(yù)緊力的影響下缸口密封接觸壓力略微減小。因此，熱載荷在12VPA-FD柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作發(fā)熱時(shí)對(duì)螺栓、缸蓋和缸體的整體結(jié)構(gòu)影響明顯，但是對(duì)氣缸墊密封性能影響較小。

3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊沖壓模具設(shè)計(jì)及氣缸墊加工仿真

該文將通過觀察CAD/CAM技術(shù)來進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來改善生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題。先通過成型件的分析對(duì)氣缸墊調(diào)整板的內(nèi)部特征機(jī)型標(biāo)記刪除形成模板。結(jié)合考慮調(diào)整板的特征情況，再對(duì)料帶各個(gè)工位進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成料帶設(shè)計(jì)樣本的最終設(shè)計(jì)。接下來進(jìn)行對(duì)安裝沖壓磨具上的金屬零件沖頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中應(yīng)該結(jié)合考慮材料直接接觸的因素及其特征。

4 結(jié)論

該文通過有限元分析法對(duì)12VPA-FD柴油發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能進(jìn)行分析，通過仿真實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)得出的接觸面壓力分布情況及壓力云圖，總結(jié)出了螺栓預(yù)緊力、金屬材質(zhì)和鍍層厚度對(duì)密封性能造成的影響。再使用熱穩(wěn)態(tài)和熱結(jié)構(gòu)耦合2種測(cè)試方法計(jì)算出柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中產(chǎn)生的大量熱量對(duì)密封性能的影響?？傊瑸榱烁玫卮_保海上采油平臺(tái)工作中動(dòng)力供給及工作人員安全問題，要深入、全面地了解和掌握柴油發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能及相關(guān)規(guī)律，不斷地對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，切實(shí)提高整個(gè)采油平臺(tái)的工作效率。