0 背景

缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)部件之一，由燃燒室、水套、氣道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成，為噴油器、閥系等提供安裝支撐，承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體交換及密封燃燒室的重要作用

，承受發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程的高熱負(fù)荷及高爆發(fā)壓力產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷。缸蓋在工作中受到低周熱疲勞損傷、高周熱疲勞損傷和蠕變損傷，其壽命和可靠性是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)。某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高速高負(fù)荷試驗(yàn)至907h時(shí)，發(fā)現(xiàn)副水箱冷卻液液位緩慢下降，曲軸箱壓力逐漸升高、曲軸箱通風(fēng)管中機(jī)油乳化現(xiàn)象，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)入機(jī)油致使機(jī)油乳化

。經(jīng)過拆解分析，鎖定缸蓋水套與油氣腔之間出現(xiàn)裂紋，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液泄露并流入機(jī)油導(dǎo)致。

結(jié)合金相、電鏡、斷口分析等手段，分析了開裂可能原因，并利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，基于生產(chǎn)水平進(jìn)行迭代計(jì)算，鎖定失效根本原因。并基于失效產(chǎn)生機(jī)理，并從工藝和設(shè)計(jì)兩方面提出了優(yōu)化改善措施。經(jīng)驗(yàn)證，優(yōu)化方案有效改善了鑄造品質(zhì)，提升了設(shè)計(jì)對(duì)制造過程、質(zhì)量的包容性，有效的解決了缸蓋排氣側(cè)微裂紋失效問題，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性。

自20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)的商業(yè)銀行就已經(jīng)應(yīng)用信息技術(shù)管理實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)操作上的管理體系，并且進(jìn)行了現(xiàn)代化電子銀行的建立工作，并且誕生了經(jīng)濟(jì)投資以及經(jīng)濟(jì)決策等多種銀行金融服務(wù)，并促使銀行也朝著現(xiàn)代信息技術(shù)管理的全方位金融銀行角度進(jìn)行轉(zhuǎn)變?？梢哉f信息技術(shù)是提升銀行管理水平以及客戶服務(wù)水平的重要因素，也就要求各銀行管理人員能夠進(jìn)行信息管理技術(shù)的合理應(yīng)用，借此促使我國(guó)銀行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 故障現(xiàn)象確認(rèn)

拆檢故障發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩內(nèi)表面機(jī)油乳化嚴(yán)重，缸蓋油氣腔內(nèi)發(fā)現(xiàn)液態(tài)“水滴”，懷疑發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液滲漏至油氣腔內(nèi)。利用副水箱泄壓口，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行加壓測(cè)試，一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)副水箱液位下降，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻管路未發(fā)現(xiàn)外漏。向缸蓋頂部油氣腔噴肥皂水，識(shí)別出缸蓋排氣側(cè)第7缸蓋螺栓存在泄漏，對(duì)拆機(jī)缸蓋進(jìn)行顏色滲透探傷檢查，確定缸蓋排氣側(cè)第7缸蓋螺栓安裝沉孔壁面存在微裂紋。故障如圖1-圖4所示。

2 開裂原因分析

2.1 拆機(jī)氣密性測(cè)試

對(duì)拆機(jī)缸蓋進(jìn)行水套氣密性水試復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)缸蓋排氣側(cè)第7缸蓋螺栓安裝沉孔壁面存在輕微泄露，泄露區(qū)域與圖4吻合。根據(jù)氣密性測(cè)試結(jié)果，判斷該位置出現(xiàn)微裂紋導(dǎo)致冷卻液泄漏至回油腔。

為準(zhǔn)確評(píng)估該批次零件不合格質(zhì)量對(duì)失效的貢獻(xiàn)度，取同批次零件進(jìn)行本體取樣測(cè)試材料疲勞特性，并利用本批次零件的實(shí)測(cè)疲勞特性進(jìn)行CAE仿真迭代，在同步考慮殘余應(yīng)力的情況下，缸蓋設(shè)計(jì)疲勞裕度下降約20%，如11所示，在使用故障批次缸蓋實(shí)測(cè)材料疲勞數(shù)據(jù)情況下，失效區(qū)域疲勞安全系數(shù)處于設(shè)計(jì)臨界值。

通過工藝上的三管齊下，缸蓋的鑄造過程管控得到有效改善，質(zhì)量水平得到有效提升，材料性能明顯優(yōu)于失效批次缸蓋。

2.2 斷口分析

裂紋源附近和芯部分別任意選擇5個(gè)并排二次枝晶進(jìn)行尺寸測(cè)量，實(shí)測(cè)均值53.1μm，超出50μm的設(shè)計(jì)要求，數(shù)值如表1。

進(jìn)一步電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)裂紋在水道R處表面多點(diǎn)萌生，裂紋源斷口為臺(tái)階狀撕裂，裂紋源處表層呈起伏狀，未發(fā)現(xiàn)原始裂紋痕跡，如圖6～圖8所示。擴(kuò)展區(qū)呈河流花樣，基體有粗大貝殼紋，如圖9所示。

斷口分析總結(jié)：裂紋源在水道形狀突變的R處多點(diǎn)萌生，裂紋起始面凹凸起伏，掰開區(qū)斷口為撕裂和解理的混斷裂。

2.3 金相檢測(cè)

高中語文教學(xué)要曉之以理，動(dòng)之以情，有效利用古詩文佳作，傳承優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的人文情懷。如王勃的“海內(nèi)存知己，天涯若比鄰”；李白的“我寄愁心與明月，隨風(fēng)直到夜郎西”；王昌齡的“寒雨連江夜入?yún)?，平明送客楚山孤。洛陽親友如相問，一片冰心在玉壺”；蘇軾的“秋雨晴時(shí)淚不晴”；秦觀的“柔情似水，佳期如夢(mèng)，忍顧鵲橋歸路。兩情若是久長(zhǎng)時(shí)，又豈在朝朝暮暮”；白居易的“在天愿作比翼鳥，在地愿為連理枝”；柳永的“衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴”；孟郊的“慈母手中線，游子身上衣。臨行密密縫，意恐遲遲歸，誰言寸草心，報(bào)得三春暉”；王維的“每逢佳節(jié)倍思親”等等，傳唱至今，歷久彌新。

掰開故障后觀察，可見裂紋起始于水道形狀突變的R處，呈放射狀擴(kuò)展，斷面呈白亮色。樣品及斷口宏觀形貌如圖5所示。

2.4 材料成分檢測(cè)

針對(duì)失效缸蓋的位置，進(jìn)行本體取樣測(cè)試材料成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示?；跈z測(cè)結(jié)果，材料成分基本滿足設(shè)計(jì)要求，但Mg含量處于設(shè)計(jì)要求臨界值，在生產(chǎn)過程中需加強(qiáng)過程管控，避免在大批量產(chǎn)生中出現(xiàn)超差。

裂紋源處金相組織為：α(Al)枝晶 + 顆粒狀共晶硅，魚骨狀鐵相夾雜級(jí)別：1級(jí)(魚骨狀鐵相夾雜不明顯)，針狀鐵相夾雜級(jí)別：1級(jí)(針狀鐵相夾雜不明顯)，無明顯過熱過燒組織特征，如圖10所示。根據(jù)電鏡觀察，遠(yuǎn)離斷口處(約10mm)金相組織形態(tài)與裂紋源處基本一致。

2.5 殘余應(yīng)力檢測(cè)

為進(jìn)一步評(píng)估殘余應(yīng)力對(duì)缸蓋開裂的貢獻(xiàn)度，對(duì)失效缸蓋同批次零件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)。殘余應(yīng)力運(yùn)用X射線應(yīng)力分析儀，采用側(cè)傾法測(cè)量、d-sin2Ψ進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。測(cè)試結(jié)果如表3，同批次缸蓋殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)30.1 MPa。根據(jù)與量產(chǎn)成熟產(chǎn)品在相同測(cè)試方法下對(duì)比，該批次缸蓋失效區(qū)域最大殘余應(yīng)力值明顯偏高。

2.6 基于生產(chǎn)水平進(jìn)行設(shè)計(jì)校核

2.請(qǐng)學(xué)生當(dāng)識(shí)字寫字小老師。如在課堂上，讓學(xué)生分享自己學(xué)習(xí)和記憶這個(gè)生字的方法，高年級(jí)的學(xué)生已經(jīng)具備相應(yīng)的識(shí)字能力，因此對(duì)于生字的學(xué)習(xí)有自己的方法，而讓學(xué)生做小老師則是調(diào)動(dòng)學(xué)生的而積極性，讓學(xué)生參與到識(shí)字、記字的過程中來。

總結(jié)，根據(jù)故障缸蓋同批次的實(shí)測(cè)材料疲勞特性校核結(jié)果，判斷本次缸蓋微裂紋根本原因?yàn)楦咨w鑄造質(zhì)量不合格導(dǎo)致材料疲勞特性下降，從而使缸蓋的設(shè)計(jì)疲勞裕度降低，最終缸蓋在熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷綜合作用下，在水套表面R圓角處萌生疲勞裂紋源，產(chǎn)生疲勞裂紋失效。

3 優(yōu)化方案

3.1 工藝優(yōu)化

針對(duì)失效批次出現(xiàn)的鋁合金成分中Mg含量處于下限臨界值，通過強(qiáng)化鋁合金材質(zhì)的入廠檢測(cè)，對(duì)熔煉爐中鋁合金成分進(jìn)行定期抽檢、保溫爐中成分進(jìn)行巡檢，把Mg含量?jī)?nèi)控提升至0.65%～0.75水平，有效達(dá)成設(shè)計(jì)要求。

2.漸進(jìn)(1964—1978年)：率先完成“四類分子”摘帽的經(jīng)驗(yàn)。1964年1月14日，中共中央發(fā)出了《關(guān)于依靠群眾力量，加強(qiáng)人民民主專政，把絕大多數(shù)四類分子改造成新人的指示》，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)公安部蹲點(diǎn)楓橋形成的《諸暨縣楓橋區(qū)社會(huì)主義教育運(yùn)動(dòng)中開展對(duì)敵斗爭(zhēng)的經(jīng)驗(yàn)》。同年2月，第13次全國(guó)公安會(huì)議提出在全國(guó)推廣“楓橋經(jīng)驗(yàn)”。

針對(duì)失效區(qū)域二次枝晶超出設(shè)計(jì)要求值，通過把澆注鋁件溫度從745°C降低至735°C，縮短鋁件的凝固時(shí)間，改善失效區(qū)域冷卻，提升該區(qū)域材料致密度及金相水平。通過驗(yàn)證，失效區(qū)域二次枝晶水平改善明顯，優(yōu)化工藝后二次枝晶均值改善至46.3μm，達(dá)成設(shè)計(jì)要求水平。

針對(duì)失效件同批次零件殘余應(yīng)力檢測(cè)偏大，分析認(rèn)為產(chǎn)生交付產(chǎn)品殘余應(yīng)力大的原因?yàn)闊崽幚泶闼畢?shù)不合格。通過將失效溫度調(diào)整為170°C±5°C，淬水溫度調(diào)整為75°C～78°C，有效改善了熱處理工藝產(chǎn)生的參與應(yīng)力水平。經(jīng)過復(fù)測(cè)，在新熱處理參數(shù)條件下，殘余應(yīng)力最大值下降37%。

東北大學(xué)王超[5]在2009年也進(jìn)行了“新型余熱回收型鋁電解槽的研究”，研究對(duì)電流密度在1 A/cm2左右的電解槽側(cè)壁安裝換熱器的工作條件進(jìn)行測(cè)試，并且找到了熔鹽的流量、換熱熔鹽入口溫度及進(jìn)出口溫差、換熱功率等參數(shù)之間的變化規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步開展工業(yè)級(jí)余熱回收型電解槽研究及設(shè)計(jì)打下了良好基礎(chǔ)。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

為進(jìn)一步提升缸蓋的穩(wěn)健性，確保缸蓋量產(chǎn)使用中萬無一失，針對(duì)失效位置，進(jìn)行缸蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提升設(shè)計(jì)安全裕度，提高對(duì)質(zhì)量、鑄造過程的包容性?；谏a(chǎn)水平的設(shè)計(jì)校核，材料性能降低時(shí)，缸蓋設(shè)計(jì)安全系數(shù)明顯降低；故為提升安全系數(shù)，需再結(jié)構(gòu)上進(jìn)行加強(qiáng)，以提升設(shè)計(jì)安全裕度。具體方法為減小缸蓋水套厚度，提升缸蓋鋁合金壁厚，同時(shí)把水套分型線調(diào)整至遠(yuǎn)離失效風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，把鑄造分型線的影響降低至最小，優(yōu)化后水套如下圖12。

女媧是中華民族共同的人文始祖，是一位充滿傳奇神秘色彩的始母形象。神話中的女媧先人類而生，功業(yè)一是造人，二是補(bǔ)天。

3.3 優(yōu)化方案校核

對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)整后的水套進(jìn)行CFD分析，分析結(jié)果顯示，水套調(diào)整后，水套流速、流向基本未受影響。

針對(duì)工藝改進(jìn)及設(shè)計(jì)優(yōu)化后缸蓋重新進(jìn)行設(shè)計(jì)安全裕度校核，失效位置金屬溫度129°C～138°C，溫度遠(yuǎn)低于材料可接受使用溫度，如圖13；失效位置應(yīng)力值降低明顯，疲勞安全系數(shù)升至1.395，提升25%，改善明顯、滿足一般設(shè)計(jì)放行標(biāo)準(zhǔn)，且高于其他成熟量產(chǎn)機(jī)型設(shè)計(jì)安全裕度。

4 方案驗(yàn)證

該優(yōu)化后缸蓋順利通過4臺(tái)模擬用戶臺(tái)架耐久試驗(yàn)及3臺(tái)高周疲勞耐久試驗(yàn)，且該發(fā)動(dòng)機(jī)搭載多款整車完成完整的整車簽發(fā)試驗(yàn)，未出現(xiàn)失效。目前該型發(fā)動(dòng)機(jī)搭載皮卡及輕客車型已順利量產(chǎn)，年銷量超6萬臺(tái)，市場(chǎng)反應(yīng)良好。根據(jù)市場(chǎng)跟蹤收集的售后數(shù)據(jù)，上市多年未出現(xiàn)缸蓋失效問題。根據(jù)臺(tái)架耐久、整車耐久試驗(yàn)及市場(chǎng)售后表現(xiàn)判斷，通過對(duì)工藝優(yōu)化及設(shè)計(jì)調(diào)整，有效的提升了設(shè)計(jì)對(duì)制造過程、質(zhì)量的包容性，改善了產(chǎn)品的穩(wěn)健性，有效解決了該缸蓋開裂問題。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)中出現(xiàn)的缸蓋開裂問題，充分利用金相、斷口分析等技術(shù)手段，快速識(shí)別出失效原因，并從設(shè)計(jì)和工藝兩方便提出了優(yōu)化措施。優(yōu)化后的缸蓋安全系數(shù)更高、工藝性更好、包容性更強(qiáng)，經(jīng)耐久試驗(yàn)后未再次出現(xiàn)開裂問題，且量產(chǎn)反應(yīng)良好，對(duì)其他柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

[1]陳家瑞．汽車構(gòu)造(第五版)[M]，人民交通出版社，2006．

[2]李子旺．發(fā)動(dòng)機(jī)集成排氣歧管氣缸蓋設(shè)計(jì)及流固耦合傳熱分析[D].沈陽理工大學(xué)，2020．

[3]任雪美，劉雨晨等．某柴油機(jī)缸蓋 CAE 分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2021(3)：1-5．

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[5]李成偉,張鵬程,孔祥?。嚢l(fā)動(dòng)機(jī)冬季機(jī)油乳化的原理以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響[J]．山東工業(yè)技術(shù)，2015(18):47．