梁 毅

(廣西嘉德機(jī)械股份有限公司，廣西 玉林 537000)

0引言

汽缸蓋襯墊有2種形式，即分體式和整體式。在分體式缸蓋中，它由鑲嵌橡膠圈和金屬骨架組成，缸口封氣采用低碳鋼板環(huán)，環(huán)形封氣為平板型、無壓波浪型、迷宮型和不同厚度的缸口封氣類型。這種墊片的結(jié)構(gòu)一般零件較多，拆裝繁瑣，因此在現(xiàn)階段已不被經(jīng)常使用。現(xiàn)階段常用的汽缸蓋墊片為整體式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的墊片由密封油、密封水等封件共同組成，在使用、維護(hù)和組裝方面更加方便。

柴油機(jī)缸蓋襯墊受力狀態(tài)復(fù)雜，始終處于高壓、高溫、高爆狀態(tài)。為了確保汽缸蓋密封無泄漏，同時(shí)要考慮密封安全，本文通過模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證汽缸蓋密封泄漏原因?qū)ζ湎到y(tǒng)地進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)意見。

1故障概況

在運(yùn)行約117 h后，某柴油機(jī)汽缸的機(jī)體出現(xiàn)缸蓋結(jié)合面漏水問題。在對(duì)該缸蓋墊片的拆檢過程中發(fā)現(xiàn)，水孔橡膠圈出現(xiàn)裂痕，為了保證其應(yīng)用質(zhì)量，因此維修人員更換了缸蓋墊片，然后又進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)。在試驗(yàn)之后，確認(rèn)柴油機(jī)汽缸蓋墊應(yīng)用狀態(tài)，在檢查過程中發(fā)現(xiàn)在其中2個(gè)缸墊的進(jìn)氣側(cè)位置有異常情況出現(xiàn)。由拆檢結(jié)果可知，柴油機(jī)缸蓋漏水是由汽缸襯墊破裂導(dǎo)致的。汽缸墊泄漏位置汽缸口氣封帶上積碳較多，膠圈出現(xiàn)裂紋的位置與燃燒室鄰近，由此可知膠圈破裂是導(dǎo)致汽缸泄露的主要原因。然后檢查汽缸蓋，發(fā)現(xiàn)汽缸蓋墊片的進(jìn)氣側(cè)位置有嚴(yán)重的墊片磨損問題。然后再進(jìn)一步查找原因，發(fā)現(xiàn)缸蓋與缸體的分離間隙超過常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，缸蓋與缸蓋墊片的摩擦較大，震動(dòng)較大，進(jìn)而造成了密封面的嚴(yán)重?fù)p壞。

分析了影響汽缸蓋密封性能的2方面因素，一是模擬計(jì)算汽缸蓋提升量與汽缸蓋密封帶接觸壓力情況，二是研究汽缸蓋螺栓擰緊工藝對(duì)汽缸蓋密封性能的影響。

2仿真分析

2.1汽缸蓋墊片抬升量

利用Proe軟件建立了汽缸蓋、汽缸墊、汽缸體和汽缸內(nèi)膽的精確三維模型。利用HyperMesh有限元分析軟件共享預(yù)處理網(wǎng)絡(luò)，確定汽缸體、汽缸墊、汽缸墊和汽缸蓋的接觸特性，并對(duì)其施加精確的邊界條件。通過ABAQUS求解器迭代計(jì)算得到了汽缸墊的提升速度，通過對(duì)汽缸蓋的整體仿真計(jì)算，評(píng)價(jià)了汽缸蓋與缸體進(jìn)氣側(cè)2個(gè)螺栓之間的剛度。結(jié)果表明，當(dāng)汽缸蓋燃燒室發(fā)生爆燃并達(dá)到輪轂最大高度14.39566m時(shí)，汽缸蓋升程大于圓周方向上的其它位置。拆卸檢查確定后，缸蓋密封進(jìn)氣側(cè)密封條磨損，有漏氣痕跡，說明進(jìn)氣側(cè)牽引力較大，與仿真結(jié)果一致。

2.2汽缸蓋墊片冷、熱態(tài)缸口位置面壓

為了確保缸蓋墊片的密封性，缸蓋墊片接觸面的接觸壓力應(yīng)大于缸體最大爆炸壓力。但實(shí)際上該柴油機(jī)氣缸蓋接觸壓力低于工作負(fù)荷的最大氣壓，存在著密封排氣的危險(xiǎn)。

2.3缸蓋螺栓擰緊工藝對(duì)比

內(nèi)燃機(jī)缸蓋密封的密封功能主要是通過缸蓋螺栓的張緊力來實(shí)現(xiàn)的。適當(dāng)?shù)穆菟◤埦o力是缸蓋密封的關(guān)鍵。若拔下缸蓋螺栓，螺栓的軸向力將壓縮缸蓋的密封帶，從而產(chǎn)生回彈力。反作用力的回彈力作用于汽缸體內(nèi)和汽缸蓋，使汽缸內(nèi)的回彈力大于氣體壓力，達(dá)到密封效果。對(duì)故障機(jī)汽缸蓋主副螺栓連接狀態(tài)的軸向力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，螺栓的阻尼比副螺栓的阻尼大，對(duì)汽缸蓋的進(jìn)出口端2個(gè)主螺釘?shù)奈恢妹芊庥幸欢ㄓ绊慬1]。然后，對(duì)缸蓋螺栓的纏繞過程進(jìn)行檢測(cè)與分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的缸蓋螺栓纏繞工藝并不適合，后2步顯示，缸蓋的附加螺釘使缸蓋軸力減低，因此該程序必須改進(jìn)。

3改進(jìn)方案

3.1汽缸蓋和汽缸體進(jìn)氣側(cè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過對(duì)進(jìn)氣側(cè)缸蓋和缸體的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)填料進(jìn)行加高剛度處理，以減少高爆震壓下缸蓋的提升。經(jīng)過改進(jìn)，使缸蓋最大升程降至13.6 μm，接觸壓力增大。

3.2缸蓋螺栓擰緊工藝改進(jìn)

在汽缸蓋密封中，合理的螺旋傳動(dòng)功率至關(guān)重要。缸蓋螺栓的連接過程對(duì)缸蓋螺栓的軸向力和頂板與頂板的接觸壓力影響較大。仿真計(jì)算和實(shí)際測(cè)量的結(jié)果應(yīng)加以優(yōu)化。最終步驟是擰緊主螺釘，確保螺栓具有足夠的擰緊力。

在進(jìn)行新的螺栓緊固程序試驗(yàn)后，汽缸蓋螺栓軸向力和螺栓軸向力應(yīng)增大。

對(duì)缸蓋螺栓進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)缸蓋密封進(jìn)口側(cè)2個(gè)主要螺釘中間的缸蓋厚度最??；經(jīng)汽缸蓋螺栓纏繞工藝改進(jìn)后，汽缸蓋的提升體積明顯減小，汽缸蓋密封的接觸壓力也隨之增加，這意味著汽缸蓋密封進(jìn)口的接觸壓力高于汽缸蓋密封的最大爆氣壓力，通過對(duì)缸蓋螺栓進(jìn)行調(diào)整，使缸蓋密度最小、接觸壓力最大分別增加25%和30%左右，能夠較好地滿足柴油機(jī)氣缸密封的要求[2]。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

通過全負(fù)荷抗力試驗(yàn)和熱沖擊試驗(yàn)，研究在固定和臨時(shí)溫度場(chǎng)條件下，按修正后調(diào)整值和1000 h滿載阻力分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，做3000倍的熱沖擊試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的密封條無滲漏、磨損現(xiàn)象，調(diào)節(jié)效果良好。

5結(jié)語

模擬計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明，提高缸體和缸蓋進(jìn)口側(cè)的剛度，可以有效地降低缸蓋的推力。改進(jìn)缸蓋主副螺栓的連接方式，使其軸向拉力增大，使缸蓋密封帶的接觸壓力增大；通過改進(jìn)前后缸蓋提升量的對(duì)比分析，確定纏繞過程中缸蓋螺栓的位置對(duì)缸蓋提升的影響。根據(jù)模擬分析和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)汽缸蓋、缸體、汽缸密封等結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。并對(duì)缸蓋螺栓纏繞工藝進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)改進(jìn)裝置進(jìn)行了仿真分析和耐久性試驗(yàn)。