駱翠芳，李勛，曾凡，孫晶晶

濰柴動力股份有限公司發(fā)動機研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

為改善柴油機的低工況性能和瞬態(tài)特性，特定柴油機上會采用相繼增壓技術(shù)[1]。相繼增壓技術(shù)通常采用4組渦輪增壓器，通過進氣控制閥及排氣控制閥控制不同工況下投入運行的渦輪增壓器組數(shù)[2]，使投入使用的每臺增壓器均在高效區(qū)工作，最大限度增加燃燒器進氣量，改善燃油經(jīng)濟性，確保柴油機不同負載下的平穩(wěn)過渡[3-5]?？刂崎y是相繼增壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要由閥片、閥座及電動機(或電磁閥)等組成，閥片與閥座間通過咬合實現(xiàn)閉合時密封，電動機(或電磁閥)控制其開合，控制閥性能及可靠性決定相繼增壓系統(tǒng)能否順利切換，閥片與閥座之間間隙設(shè)計的合理性決定控制閥功能的實現(xiàn)[6-7]。

目前控制閥閥體與閥片之間的間隙設(shè)計主要參考國外設(shè)計經(jīng)驗值，通過試驗結(jié)果反復修改設(shè)計間隙[8]。隨著計算機輔助工程 (computer aided engineering，CAE) 分析技術(shù)的發(fā)展及成熟，它在控制閥研發(fā)過程中起著重要作用，通過CAE技術(shù)可在設(shè)計階段找到潛在問題并可有針對性地進行設(shè)計優(yōu)化，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期[9-10]。本文中通過仿真分析控制閥間隙設(shè)計的合理性，并通過試驗對仿真結(jié)果進行驗證，為后續(xù)控制閥正向設(shè)計開發(fā)提供參考。

1 故障現(xiàn)象

某柴油機性能試驗階段出現(xiàn)臺架連接管路用膠管被烤壞故障，經(jīng)排查確定故障原因為進氣控制閥出現(xiàn)泄漏。該進氣控制閥布置在壓氣機入口與中冷器之間，控制閥不工作時高溫壓縮空氣從中冷器倒灌到壓氣機入口，導致膠管被烤壞且變形?？紤]到該柴油機進氣控制閥與排氣控制閥本體結(jié)構(gòu)相同，對進氣側(cè)溫度為270 ℃和排氣側(cè)溫度為650 ℃的2個溫度段的泄漏量進行計算，在解決進氣控制閥故障的同時，對排氣控制閥設(shè)計的合理性進行驗證并排查。進氣控制閥故障現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 進氣控制閥故障現(xiàn)象

2 有限元模型建立

2.1 控制閥網(wǎng)格模型

原機的進氣控制閥固定在增壓器壓氣機與中冷器之間，簡化后的三維有限元模型包括壓氣機進氣法蘭、進氣控制閥、中冷器進氣接管及連接螺栓，控制閥三維裝配模型如圖2所示。對有限元模型進行網(wǎng)格處理，控制閥計算模型如圖3所示，包括閥體、閥片及搖臂軸。為了提高求解精度，結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格均采用修正的四面體二階單元[11]。

圖2 原機控制閥三維裝配模型 圖3 控制閥有限元模型

2.2 材料屬性設(shè)置

控制閥閥件和閥片材料屬性如表1所示，表中材料屬性均為常溫狀態(tài)對應(yīng)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律在計算軟件中設(shè)置[12]。

表1 控制閥閥體和閥片材料屬性

2.3 邊界條件設(shè)置

控制閥閥體與閥片之間、閥片與搖臂軸之間的接觸均設(shè)置為可分離接觸對，其他接觸面均設(shè)置為綁定接觸對；排氣接管與排氣管連接螺栓處分別進行x、y、z3個方向平動約束[13-14]；通過流場計算得出的壁面溫度及對流換熱系數(shù)作為控制閥溫度場計算的邊界條件[15]。

2.4 計算工況

主要計算工況設(shè)置為：螺栓小位移、最大螺栓預緊力、螺栓固定、熱機工況、冷機工況、熱機工況、冷機工況，通常發(fā)動機經(jīng)過2個冷、熱沖擊循環(huán)即可達到穩(wěn)定狀態(tài)，故本次控制閥計算僅進行2個熱、冷機循環(huán)即可[16]。

3 計算結(jié)果分析

3.1 溫度場計算結(jié)果

在CAE分析軟件中對控制閥分別進行270、650 ℃溫度場計算，得到整個控制閥的溫度梯度分布，計算結(jié)果如圖4所示。

a) 270 ℃ b) 650 ℃圖4 控制閥溫度場計算結(jié)果

由圖4可知，搖臂軸及閥片的溫度較高。該結(jié)果為后續(xù)熱變形計算提供輸入。

3.2 熱變形計算結(jié)果

根據(jù)控制閥工作環(huán)境，通過計算270、650 ℃ 2個溫度段閥片與閥體相對變形量，對控制閥間隙進行評估[17-18]。溫度為270、650 ℃時控制閥熱變形計算結(jié)果如圖5所示。

a) 270 ℃ b) 650 ℃圖5 控制閥熱變形云圖

由圖5可知：溫度為270 ℃時，控制閥閥片相對與閥體最大變形為0.18 mm，閥片與閥體之間間隙相對常溫間隙變?。粶囟葹?50 ℃時，控制閥閥片相對于閥體最大變形為0.35 mm，閥片與閥體二者間仍存在間隙，相對270 ℃時閥片與閥體間間隙變小。將溫度為650 ℃時的控制閥相對變形放大20倍，由圖5b)可知，隨著溫度升高，控制閥閥片與閥體的相對變形增大，且垂直軸線徑向面變形量最大。

3.3 泄漏量CFD計算結(jié)果

在CAE分析軟件中導出270、650 ℃下熱變形計算模型網(wǎng)格后，提取流體域[19]，如圖6所示。采用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)法計算控制閥氣體泄漏量。設(shè)置計算所需相應(yīng)入口壓力及出口壓力：270 ℃時，控制閥進氣壓力為0.389 MPa，出口壓力為0；650 ℃時，控制閥進氣壓力為0.318 MPa，出口壓力為2.7 MPa。經(jīng)計算，270 ℃工況時控制閥泄漏量為846 kg/h，650 ℃工況時控制閥泄漏量為468 kg/h?？刂崎y氣體泄漏CFD計算結(jié)果如圖7所示，圖中數(shù)據(jù)為泄漏速度與當?shù)匾羲俦戎?，無量綱。由圖7可知，閥體與閥片之間泄漏區(qū)域主要集中在周向部分，隨著溫度升高，閥片相對閥體變形量變大，閥片與閥體之間間隙變小，從而泄漏量減少，所以冷態(tài)及熱態(tài)下閥片與閥體之間的設(shè)計間隙是解決泄漏的關(guān)鍵。

圖6 提取流體域示意圖

a) 270 ℃ b) 650 ℃圖7 控制閥泄漏CFD結(jié)果

綜上，主要泄漏縫隙有2處，一處為閥座與閥片周向間隙，如圖8所示；另外通過CFD計算結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)另外一處泄漏縫隙為旋轉(zhuǎn)軸與閥座連接處的間隙，如圖9所示。

a)泄漏區(qū)域 b)泄漏縫隙示意圖圖8 閥片與閥座周向間隙 圖9 閥片與搖臂軸連接間隙

根據(jù)有限元分析結(jié)果對控制閥泄漏位置進行優(yōu)化：1)以仿真計算結(jié)果中閥體與閥座相對變形做參考，重新優(yōu)化閥座與閥片周向間隙設(shè)計的公差帶，確保冷態(tài)時無泄漏熱態(tài)時無卡滯；2)通過增大旋轉(zhuǎn)軸直徑解決閥片旋轉(zhuǎn)軸與閥座連接處間隙過大問題。根據(jù)優(yōu)化方案試制樣件，樣件裝機后進行試驗驗證。試驗后對樣件拆解檢查，未出現(xiàn)因控制閥泄漏導致的連接膠管烤焦故障，優(yōu)化措施有效，可用于控制閥正向開發(fā)。

4 結(jié)論

以進氣控制閥為研究對象，采用有限元分析軟件進行溫度場、熱變形及泄漏量計算，用以復現(xiàn)故障狀態(tài)。

1)隨著溫度升高，閥體與閥片之間間隙變小，表明控制閥閥座與閥片之間間隙量需合理設(shè)計，太大易出現(xiàn)泄漏，太小則出現(xiàn)卡滯，造成無法順暢開啟；

2)隨著壓力增加，高溫空氣泄漏量增大，主要泄漏處為閥片與閥體間周向間隙及旋轉(zhuǎn)軸與閥片結(jié)構(gòu)處的間隙，通過合理設(shè)計2處間隙可減少泄漏風險。

3)對優(yōu)化閥片及閥體間隙后的控制閥樣件進行裝機試驗，試驗過程中未發(fā)現(xiàn)連接膠管烤焦故障，驗證了優(yōu)化措施有效，表明有限元、CAE、CFD相結(jié)合的仿真分析方法準確有效，可用于指導控制閥正向開發(fā)設(shè)計。