中速高p_e柴油機(jī)氣缸蓋的國(guó)產(chǎn)化.pdf

中速高pe柴油機(jī)氣缸蓋的國(guó)產(chǎn)化許俊1，蔡1，陳廣云2，黎繼軍1（1.七一一研究所，上海200090；2.廣東惠陽(yáng)發(fā)電廠(chǎng)，廣東惠州516000）關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；氣缸蓋；可靠性；國(guó)產(chǎn)化摘要：針對(duì)中速柴油機(jī)不斷向大功率、高pe方向發(fā)展給氣缸蓋等部件帶來(lái)的可靠性問(wèn)題，提出了一種新穎的柴油機(jī)氣缸蓋國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)思路和生產(chǎn)工藝。經(jīng)裝機(jī)運(yùn)行證明該設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)工藝是成功的。中圖分類(lèi)號(hào)：TK423.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10014357(2004)05003503DomesticizationofCylinderHeadonHighpeMedium-speedDieselEngineXUJun1,CAIMin1,CHENGGuang-yun2,LIJi-jun1(1.ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai200090；2.GuangdongHuiyangPowerPlant,GuangdongHuizhou516000)Keywords:Dieselengine；Cylinderhead；Reliability；DomesticizationAbstract:Medium-speeddieselenginehasatendencyforhigh-powerandhigh-pedeveloping,whichbringsthereliabilityproblemsonthepartsascylinderheadandsoon.Therefore,anoveldesignphilosophyandproductiontechnologyonthedomesticizationofcylinderheadisbroughtforward.Theinstalledoperationtestifiedthatthisdesignandtechnologyissuccessful.結(jié)構(gòu)與減磨柴油機(jī)DieselEngine2004年第5期收稿日期：2004-04-20351前言隨著中速柴油機(jī)不斷向大功率、高pe方向發(fā)展，氣缸蓋部件所受的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷越來(lái)越高，可靠性問(wèn)題得到更加重視。這樣對(duì)氣缸蓋的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝要求也日益提高。本文針對(duì)320型柴油機(jī)氣缸蓋的國(guó)產(chǎn)化研制，介紹一種新穎的中速高pe柴油機(jī)氣缸蓋國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)思想與生產(chǎn)工藝。2設(shè)計(jì)要求320型柴油機(jī)為船用主機(jī)，國(guó)產(chǎn)化要求如下：安裝尺寸與進(jìn)口氣缸蓋一致平均有效壓力2.4MPa最高燃燒壓力15.5MPa3設(shè)計(jì)思想分析由于320型柴油機(jī)的功率大、強(qiáng)度高，為了提高氣缸蓋的可靠性，采用如下結(jié)構(gòu)：接觸高溫燃?xì)猓嶝?fù)荷）的底層相對(duì)較薄，氣門(mén)孔之間的鼻梁區(qū)用鉆孔冷卻，這樣冷卻水可以對(duì)其充分冷卻；機(jī)械負(fù)荷主要由堅(jiān)固的中間層承受，它與頂層及四壁形成一堅(jiān)實(shí)的箱式結(jié)構(gòu)，排氣門(mén)座水冷卻。氣缸蓋由四根液壓拉伸的螺栓固定在機(jī)體上。其俯視和橫剖面如圖1、2所示。圖1320氣缸蓋俯視圖圖2320氣缸蓋縱剖圖3.1材料的選用氣缸蓋是柴油機(jī)的關(guān)鍵件，其工作可靠性對(duì)柴油機(jī)性能有著至關(guān)重要的影響。柴油機(jī)工作時(shí)，氣旻36缸蓋除了承受氣缸蓋螺栓預(yù)緊力和氣缸燃燒壓力產(chǎn)生的脈動(dòng)應(yīng)力等機(jī)械負(fù)荷外，還受到高溫和由于溫度分布不均所產(chǎn)生的很高的熱應(yīng)力的作用，也就是要承受很高的熱負(fù)荷。另外，氣缸蓋的底板在水冷面上可能產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，致使氣缸蓋因同時(shí)受到腐蝕和疲勞損傷而出現(xiàn)裂紋。所以，氣缸蓋材料的選用極其重要。其材料應(yīng)具有較高的抗疲勞強(qiáng)度和在高溫情況下的抗拉強(qiáng)度及蠕變強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)具有良好的耐腐蝕性能。為了滿(mǎn)足這些要求，可以選用的材料有：球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和鑄鋼等（見(jiàn)表1）。鑄鋼雖然強(qiáng)度高，韌性、塑性及導(dǎo)熱性也都較好，但其澆鑄性能差，在澆鑄結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣缸蓋時(shí)，成品率極低，生產(chǎn)成本增大；蠕墨鑄鐵澆鑄性能非常好。但強(qiáng)度較低，無(wú)法滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，所以選機(jī)械強(qiáng)度高、鑄造和切削性能好的球墨鑄鐵QT500-7。表1鑄鋼和球墨鑄鐵機(jī)械性能對(duì)比3.2氣缸蓋結(jié)構(gòu)320柴油機(jī)氣缸蓋為下圓上方形狀，四氣門(mén)，兩進(jìn)兩排。進(jìn)排氣口同側(cè)，進(jìn)排氣道均為半并聯(lián)布置（見(jiàn)圖3），它結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)氣道的長(zhǎng)處，既方便于氣缸蓋的整體布置，又改善了進(jìn)氣（造成一定的擾動(dòng)，使油氣更好地混合，利于燃燒）和排氣（避免二次沖刷）狀況。氣缸蓋下部采用圓錐形結(jié)構(gòu)，可使氣缸蓋底板所受的力，一方面沿中間加厚層傳至相對(duì)厚度較大的中隔板，另一方面通過(guò)圓錐形結(jié)構(gòu)把力分散、減小，均勻傳至氣缸蓋上部方形四壁，從而使相對(duì)較薄的氣缸蓋底板所受的力迅速均勻地傳至其它部位，提高氣缸蓋的可靠性。圖3320氣缸蓋氣道橫剖圖氣缸蓋底部有一環(huán)形密封槽，配合軟鋼鍍銅墊片，能更好地實(shí)現(xiàn)氣缸蓋與氣缸套之間燃?xì)夂屠鋮s水的隔絕密封（見(jiàn)圖2和圖4）。氣缸蓋的方形四壁上開(kāi)設(shè)了5個(gè)直徑達(dá)64的螺塞孔，氣缸蓋上平面開(kāi)設(shè)4個(gè)42的螺塞孔，既有利于清砂，又有利于澆鑄時(shí)更好地固定泥芯，提高鑄件的成品率，降低生產(chǎn)成本。圖4320氣缸蓋仰視圖3.3氣缸蓋的冷卻降低氣缸蓋熱負(fù)荷必須組織良好的冷卻水道，使其底板溫度盡可能均勻，冷卻次序應(yīng)先高溫區(qū)后低溫區(qū)。從氣缸套和水套之間的水腔來(lái)的冷卻水通過(guò)氣缸蓋底部8個(gè)25的進(jìn)水孔進(jìn)入氣缸蓋內(nèi)腔，其冷卻特點(diǎn)為：a.先高溫區(qū)再低溫區(qū)。即冷卻水先集中冷卻噴油器周?chē)暗撞扛邷貐^(qū)，降低噴油器底面周?chē)臏囟龋倮鋮s上部低溫區(qū)，使氣缸蓋的溫度盡可能均勻；b.鼻梁處強(qiáng)制冷卻。鼻梁處是最易因熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋的區(qū)域，所以組織好該區(qū)的冷卻尤為重要。根據(jù)圖2和圖5所示，冷卻水進(jìn)入內(nèi)腔后只能通過(guò)4個(gè)9的孔到達(dá)噴油器中間部位。由于4個(gè)通孔的面積遠(yuǎn)小于冷卻水進(jìn)水口的總面積，使通過(guò)4個(gè)通孔的冷卻水流速加快，加快熱傳導(dǎo)過(guò)程，防止沸騰傳熱，降低鼻梁處熱應(yīng)力；圖5320氣缸蓋下層水腔橫剖圖許俊，蔡，陳廣云，黎繼軍：中速高pe柴油機(jī)氣缸蓋的國(guó)產(chǎn)化材料抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，延伸率，N/mm2N/mm2ZG27RuT35QT500-750050035027032018737許俊，蔡，陳廣云，黎繼軍：中速高pe柴油機(jī)氣缸蓋的國(guó)產(chǎn)化c.為防止死水區(qū)形成局部熱應(yīng)力過(guò)高，導(dǎo)致氣缸蓋損壞。如圖3所示，在容易形成死水區(qū)的A、B兩處，各鉆一個(gè)6的小孔；d.采用較薄的底平面，有利于冷卻，降低熱應(yīng)力。4毛坯鑄造工藝320型柴油機(jī)氣缸蓋采用球墨鑄鐵材料，因工藝較為復(fù)雜，為保證質(zhì)量，提高鑄件的合格率，采用了如下措施：(1)樹(shù)脂砂造型制芯工藝。(2)澆冒口的布置。澆冒口布置充分考慮薄底厚頂?shù)奶攸c(diǎn)及樹(shù)脂砂排氣困難的補(bǔ)救，具體是：a.采用業(yè)面分型，分型面盡可能靠近氣缸蓋上部，內(nèi)澆口開(kāi)在分型面處，分散進(jìn)鐵水；b.頂部及厚壁處局部放置冷鐵，以防止疏松、縮孔；c.在澆口進(jìn)鐵水的另一面，放置另一冒口，不僅可以補(bǔ)縮，還可以排氣；d.澆鑄系統(tǒng)采用半封閉式，直澆口、橫澆口、內(nèi)澆口的截面積之比為3:5:2。(3)鐵水熔煉。出鐵溫度和澆鑄溫度分別控制在1500和1300。5結(jié)束語(yǔ)由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了新的思路，材料的正確選擇、熱加工工藝的合理制定以及加工中心加工精度的保障，320氣缸蓋的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)裝機(jī)使用5000h證明是成功的，它為中速大功率、高pe柴油機(jī)氣缸蓋的研制提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。(上接第24頁(yè))也達(dá)到了理想的效果。提高進(jìn)氣溫度來(lái)改善低負(fù)荷性能的前提條件之一是該機(jī)的排溫值較低，如果匹配比較大的機(jī)組，則會(huì)相應(yīng)提高額定功率下的排溫值，使柴油機(jī)的最大功率受到限制。所以，其使用是有約束條件的。另外，試驗(yàn)時(shí)柴油機(jī)的排氣背壓太小，使柴油機(jī)在船用狀態(tài)工作時(shí)太敏感，使用時(shí)要注意進(jìn)氣負(fù)壓與排氣背壓對(duì)運(yùn)行工況的影響。4小結(jié)經(jīng)過(guò)對(duì)TBD620V12柴油機(jī)低負(fù)荷性能試驗(yàn)，結(jié)合柴油機(jī)工作過(guò)程模擬計(jì)算和進(jìn)排氣道吹風(fēng)試驗(yàn)、整機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)及理論分析等表明：TBD620柴油機(jī)由于采用了HALLO雙進(jìn)氣道可控渦流系統(tǒng)、專(zhuān)用噴油器以及低負(fù)荷冷卻水系統(tǒng)等措施，經(jīng)歷了在10%負(fù)荷下持續(xù)工作的實(shí)際考核?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：a.可控進(jìn)氣渦流，對(duì)組織空氣運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)燃油和空氣完全混合并以最大的反應(yīng)速度進(jìn)行快速燃燒極為重要。對(duì)于形燃燒室的TBD620V12柴油機(jī)，采用帶可控渦流擋板的氣缸蓋能兼顧高、低工況對(duì)渦流強(qiáng)度的不同要求，獲得較好的性能；b.采用小噴孔和小壓力室的專(zhuān)用型噴油嘴與HALLO雙進(jìn)氣道可控渦流系統(tǒng)的良好匹配，在保證供油量的前提下，能縮短噴油泵的噴射周期，保證最佳的油束貫穿度，因而獲得較好的性能。同時(shí)，采用低啟噴壓力與專(zhuān)用型噴油嘴配合，在達(dá)到最佳性能的同時(shí)保證了供油系統(tǒng)工作的可靠性（使該噴油泵的平均使用壽命達(dá)到2000040000h）；c.采用帶節(jié)溫器的冷卻水系統(tǒng)來(lái)控制海水溫度，做到了低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)中冷器以高水溫循環(huán)，以提高進(jìn)氣溫度，最高達(dá)45，提高了柴油機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，獲得了預(yù)期的性能。為下步發(fā)展海水溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的配機(jī)應(yīng)用，即做到中冷器在低負(fù)荷時(shí)當(dāng)加熱器而在高負(fù)荷時(shí)當(dāng)冷卻器作用奠定了基礎(chǔ)；d.柴油機(jī)的設(shè)計(jì)往往是按額定工況來(lái)計(jì)算和試驗(yàn)的，這對(duì)于那些通過(guò)提高平均有效壓力改型的機(jī)型來(lái)講，確定部分負(fù)荷的比例和運(yùn)行限制時(shí)間尤為重要。這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)不總是在額定負(fù)荷范圍下運(yùn)行，特殊情況下，可能會(huì)有大量的時(shí)間用于低負(fù)荷。此次TBD620V12型柴油機(jī)的幾項(xiàng)特殊的配置就不以額定工況來(lái)計(jì)算，其設(shè)計(jì)計(jì)算與試驗(yàn)以部分負(fù)荷為主并兼顧額定工況。試驗(yàn)和研究提醒我們，對(duì)那些匹配比比較大的機(jī)組，例如TBD620V1