人迮理i 人學碩十學侮論文 摘要 為了保持柴油機作為交通領(lǐng)域主要動力的地位，滿足其高速、輕型、大功率的發(fā)展 要求，并面對世界各國f 1 益嚴格的排放法規(guī)，必須進一步改善其燃燒特性，提高供油壓 力。近年來，柴油機廠大多采用了高泵端壓力的噴油泵，加劇了機體振動，供油系高壓 油管在使用中要承受更高的泵端噴射壓力，事故率上升明顯，給柴油機廠和用戶帶來了 極大的損失。 本文結(jié)合現(xiàn)階段柴油機裝配大馬力噴油泵而造成的高壓油管故障率上升的實際，以 某型號六缸柴油機為研究對象，對其故障件進行統(tǒng)計，并結(jié)合疲勞理論進行分析，確定 了易受損的危險部位。將局部應(yīng)力一應(yīng)變實驗測量法應(yīng)用到高壓油管危險部位的測量當 中，對危險部位的因受周期性外力而產(chǎn)生的應(yīng)變的大小、應(yīng)變變化的頻率和振幅進行測 量，為分析疲勞破壞提供了必要的數(shù)據(jù)支持，并為改進提供了理想的檢驗標準。通過疲 勞理論和流體力學理論對其工作狀況和破壞機理進行分析在國標的基礎(chǔ)上，結(jié)合柴油 機廠的生產(chǎn)實際，制定了廠內(nèi)部的高壓油管設(shè)計規(guī)范，為油管的設(shè)計提供了依據(jù)。結(jié)合 有限元分析方法，建立柴油機高壓油管一管央模型，對其工作規(guī)律和工作模態(tài)進行了研 究，得出了油管的動態(tài)特征信息，為設(shè)計及優(yōu)化提供了有效地參考數(shù)據(jù)。結(jié)合模態(tài)分析 理論，提出了改進管形、管央的設(shè)計方案，并利用有限元分析方法，指導高壓油管的改 進。 改進結(jié)果經(jīng)實驗驗證和產(chǎn)品信息反饋，降低了高壓油管的應(yīng)變，提高了高壓油管的 整體抗疲勞性能，進而提高了高壓油管的整體可靠性，對于解決實際問題縮短各機型油 管試驗分析具有很好的指導意義。 關(guān)鍵詞：高壓油管；有限元分析；應(yīng)變；疲勞 人連理i 人學碩十學位論文 f a i l u r ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n tm e a s u r eo l lt h eh i g h p r e s s u r ef u e l i n j e c t i o np i p e a b s t r a c t i nt h ef a c eo ft h ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n te m i s s i o nr e g u l a t i o n si nm a n yc o u n t r i e s ，b e s i d e s a c c e l e r a t i n gs p e e d ，l i g h t e n i n gw e i g h ta n di n c r e a s i n gp o w e r ，i m p r o v i n gc o m b u s t i o na n d b o o s t i n go i lp r e s s u r es h o u l da l s ob et a k e ni n t oa c c o u n tt ok e e pd i e s e le n g i n e si m p o r t a n t s t a t u si nt r a f f i cf i e l d i nt h er e c e n ty e a r sm a n yd i e s e lf a c t o r i e sa s s e m b l eh i g h - p r e s s u r ep u m p s ， a g g r a v a t i n gv i b r a t i o na n da d v a n c i n gl o a ds t r e s s ，s op o s s i b i l i t yo f t r o u b l ei n c r e a s i n gf a s t ，b r i n g g r e a tl o s st on o to n l yt h ef a c t o r i e sb u ta l s ot h ec o n s u m e r s w et a k et h es i x c y l i n d e rd i e s e le n g i n e sa ss u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，b a s eo nt h ef a c tt h a t d i e s e le n g i n e s p o s s i b i l i t yo ft r o u b l ei n c r e a s e sf a s t w ef i n dt h eh a z a r d o u ss p o t sb y c o u n t i n g f a i l u r e sa n da n a l y z i n gf a t i g u e t h e o r y w ea p p l yt h el o c a ls t r e s s s t l 嘶n e x p e r i m e n tt om e a s u r et h eh a z a r d o u ss p o t so ft h eh i g h p r e s s u r ef u e li n j e c t i o np i p e s s t r a i n ，p e r i o d sa n ds w i n g t h ef a u l t sa r es t u d i e db yt h ef a t i g u et h e o r ya n dh y d r o d y n a m i c s b a s e do nt h es t u d ya n dt h ec h i n e s es t a n d a r d ，an e ws t a n d a r di se s t a b l i s h e dt om e e tt h e p r o d u c ta n dd e s i g no ft h ed i e s e le n g i n ef a c t o r y t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e dt o c r e a t et h ep i p e c l i pm o d e l ，a n dt h ew o r k i n gr e g u l a t i o na n d m o d a l i t yi ss t u d i e d a tl a s t ，a n e wm e t h o dt h a ts h a p eo fp i p e sa n dp o s i t i o no fc l i p so ft h eh i g h - p r e s s u r ef u e li n j e c t i o n p i p e si su s e dt or e d u c et h es t r a i na n di m p r o v et h ea n t i f a t i g u ec h a r a c t e r i s t i c t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i si su s e dt og u i d et h ed e s i g n t h cr e s u l ti sp r o v e dt ob ea v a i l a b l eb yt h ee x p e r i m e n t n o wt h ei m p r o v e m e n ti s a p p l yt op r o d u c t s ，a n dt h ei n f o r m a t i o na f t e rs a l ei n d i c a t et h a tt h er e l i a b i l i t yi si m p r o v e d ， a n dm ei m p r o v e m e n ti ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：h i g h - p r e s s u r ef u e li n j e c t i o np i p e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s t r a i n ；f a t i g u e 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本碩士學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理 工大學或者其他單位的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 作者簽名：避螫 日期： z 蝴$ p 彭2 芎 高壓油管故障分析及改進措施 大連理工大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者及指導教師完全了解“大連理工大學碩士、博士學位論文版權(quán)使用 規(guī)定”，同意大連理工大學保留并向固家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學位論文的復印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連理工大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論 文。 作者簽名盈罡受。瑾 導師簽名 于嚕岳 沙6 年月。了日 人連理j ：人學碩十研究生學何論文 1 緒論 1 1 高壓油管斷裂課題的提出 柴油機是目前世界上應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛的一種熱力機械，它具有熱效率高、轉(zhuǎn)速和 功率范圍寬等特點。 隨著內(nèi)燃機朝高速、輕型、大功率方向發(fā)展，供油系統(tǒng)壓力提高，供油系統(tǒng)承壓零 部件的工作可靠性，越來越引起人們的關(guān)注。 柴油機噴油泵高壓油管是柴油機燃油系統(tǒng)高壓油路的重要組成部分。高壓油管通過 壓力波的形式將燃油以一定的壓力和速度輸送到噴油器，對燃油噴射特性有著不可忽視 的影響l l 】。高壓油管的長度、內(nèi)徑對柴油機的燃油噴射及f 常工作有很大的影響，如果 油管選擇不當或隨意更換，則會引起噴油規(guī)律畸變與柴油機工作不匹配，造成嚴重后果。 柴油機高壓油管的受力情況十分特殊。高壓油管是一個瞬態(tài)高壓的非密閉系統(tǒng)【2 】， 其振動屬于受迫振動，頻率是出發(fā)動機轉(zhuǎn)動的頻率決定的，受到的外加激勵有發(fā)動機轉(zhuǎn) 動所引起的油泵和氣缸蓋的振動和內(nèi)部高壓油對油管的沖擊。柴油機在工作時，高壓油 管的工作環(huán)境相當惡劣，它在工作過程中承受著周期性變化的燃油壓力，長期處于彎曲、 扭轉(zhuǎn)、振動、拉壓和內(nèi)部油壓沖擊的循上不應(yīng)力狀念下，因此，高壓油管容易產(chǎn)生彎曲和 扭轉(zhuǎn)變形，導致疲勞和產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂。 首先，油管內(nèi)部高壓燃油對油管的沖擊是十分復雜的，其中有高壓油泵噴出的高壓 燃油對油管內(nèi)壁的沖擊和在噴油結(jié)束后高壓油管剩余壓力的影響。高壓油管剩余壓力與 高壓油管中的高壓容積有關(guān)，通過油管的壓力波又與油管孔徑和長度有關(guān)，進入油管中 的燃油速度愈快，燃油流動的慣性和可壓縮性柱塞泵出的油量與進入高壓油管的油量之 間愈不平衡，這樣就會導致燃油瞬時堆積，使局部壓力升高。這種局部壓力瞬時升高， 會以壓力波的形式在油管的泵端及噴油嘴問以音速東回傳播，針閥關(guān)閉后，油管中的壓 力仍往返波動，甚至造成二次噴射口】。同時由于高壓油管在高溫下工作，這會縮短它的 使用壽命，也會加速管夾的橡膠摯片老化速度，削弱減振效果。 其次，高壓油管隨柴油機一起振動，受到上缸蓋和噴油泵的作用，由于噴油泵與缸 蓋相對振動較大，其作用與高壓油的作用疊加，成為致使剛體疲勞的重要因素。 從上個世紀7 0 年代丌始，科研人員就在柴油機燃油噴射系統(tǒng)包括高壓油管故障診 斷方面開展了大量的工作，在設(shè)計、材料、工藝等方面做出了嚴格的規(guī)定和制定了相應(yīng) 的規(guī)范，并在一段時削內(nèi)抑制了高壓油管故障的發(fā)生。但是近年來，為了提高柴油機的 經(jīng)濟性，改善排放性能，滿足同益嚴格的排放法規(guī)的要求，大多柴油機采用了高泵端壓 力的燃油噴射泵，增大了噴射油壓對高壓油管的沖擊，同時馬力加大加劇了高壓油管隨 高壓油管故障分析及改進措施 整機的振動，使高壓油管在使用中事故率上升明顯。柴油機生產(chǎn)企業(yè)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量， 必須降低因高壓油管漏油、斷裂而出現(xiàn)的事故，但是如果盲目的以采用高標準材料制造 高壓油管的方法，則可能成倍提高成本，所以如何使用原有材料油管并提高其使用可靠 性成為了一項新的課題，對柴油機生產(chǎn)企業(yè)有著現(xiàn)實的經(jīng)濟意義。 1 2 國內(nèi)外生產(chǎn)研發(fā)狀況 柴油機高壓油管的生產(chǎn)和加工是一項精密的工作。高壓油管組件在f 常使用條件下 的使用壽命應(yīng)與配套柴油機致。高壓油管使用單壁冷拔無縫鋼管制作。應(yīng)使用推薦的 內(nèi)外徑標準值，保證滿足流量要求。鋼管外表面可鍍金屬，鍍鋅或進行化學表面處理， 由于燃油屬于有機溶劑，內(nèi)表面不應(yīng)有漆層。鋼管內(nèi)外表面保證無起皮，銹斑，溝紋， 折迭，分層，麻點和針眼等有害缺陷，同時應(yīng)去除各種缺陷。中華人民共和國機械行 業(yè)標準對柴油機高壓油管組件的結(jié)構(gòu)型式、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等技術(shù)條 件做出了嚴格的規(guī)定1 4 j 。 l 、高壓油管組件按連接端部結(jié)構(gòu)型式分為i 型和i i 型，如圖1 1 所示： 卜p lj 圖1 1 高樂油管組端部連接幽 f i g 1 ，1t h ec o n n e c t i o no f t h ee n dd a r t so f t h ep i p e s 2 、高壓油管端部結(jié)構(gòu)型式見圖1 2 ： 黼鏟軸拶 圈1 2 兩種高壓油管端部結(jié)構(gòu)型式幽 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo f t h ee n do f t h ep i p e s 人連理1 ：火學碩+ 研究生學位論文 3 、護套、壓緊熱圈、管接螺母結(jié)構(gòu)型式見圖1 3 和圖1 4 - 妙 疆h 。| 隅早 i 玉， ， 圭 鬻 屆 硼 昔l _ ，。 赫 盛 _ 一 _ 影 酬1 3 護套幣f f 壓緊墊圈 f i g 1 3t h es h e a t h sa n dp r e s s i n gg a s k e t s 黼拶 例14 管接螺母 f i g 1 4t h ec o n n e c t i n gn u t s 4 、高壓油管的型式在制造中必須滿足國家的標準，包括內(nèi)外徑符合規(guī)定，高壓油 管、護套、壓緊墊圈的尺寸與公差按照圖中的要求。材料的選用高壓油管要符合無縫鋼 管的j b t8 1 2 0 1 的規(guī)定。高壓油管的零件材料及硬度按表的規(guī)定，如表1 1 ： 表1 1 高壓油管零什材料及埂度 t a b 1 it h em a t e r i a ia n dr i g i d i t yo f t h eh i g h p r e s s u r ef u e li n j e c t i o np i p e s 材料 零件名稱推薦硬度 名稱推薦鋼號標準編號 高壓油管優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 2 0 aj b 廠r8 1 2 0 1 護套優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼2 0g b t 6 9 9 壓緊墊圈優(yōu)質(zhì)碳索結(jié)構(gòu)鋼 3 54 5g b t 6 9 92 6 3 lh r c 管接螺母優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 3 54 5g b t 6 9 92 6 3 1h r c 高壓油管故障分析及改進措施 國際上通用的標準為i s o8 5 3 5 1 ：1 9 9 6 壓燃式發(fā)動機高壓油管用鋼管，等同 于我國的j b t8 1 2 0 標準，其中包括兩個部分：單壁冷拉無縫鋼管技術(shù)條件和復合式鋼 管技術(shù)條件。 5 、高壓油管鐓頭后引起的內(nèi)徑縮小應(yīng)進行修f ，高壓油管鐓頭后密封錐面不得有 劃痕、碰傷和裂紋等缺陷，鐓頭與管子的過渡區(qū)域不準有裂紋。高壓油管、護套、壓緊 墊圈、管接螺母的表面進行氧化或鍍鋅鈍化處理，鍍鋅層應(yīng)均勻、牢固，色澤光亮。無 氣泡、脫皮和露底等缺陷。 6 、高壓油管組件應(yīng)進行耐壓試驗。試驗壓力應(yīng)不低于工作壓力的1 5 倍或在l o o m p a 的壓力下保持時涮不少于3 0 s 不得有漏油、破裂或產(chǎn)生永久性變形。 7 、高壓油管內(nèi)腔清潔無任何雜質(zhì)或影響精整加工和使用性能的涂層，用壓力不 低于1 m p a 的清洗液沖洗干凈，其表面清潔度限值為5 m g m 。 8 、高壓油管墩頭后引起的內(nèi)徑縮小應(yīng)進行修整，在離墩頭端面2 0 m 長度范圍內(nèi)的內(nèi) _ 0 1 00 1 0 孔d 尺寸偏差：d = 1 5 3 m m 時，偏差為一02 0 m m ：d 3 r i l l 時，偏差為一0 3 0 m m 。高壓油管墩頭 后密封錐面不得有劃痕，碰傷和裂縫等缺陷，墩頭與管子的過渡區(qū)域不準有裂縫。高壓油 管墩頭夾緊部分的表面允許存在不影響強度的輕微央痕。高壓油管、互套、管接螺母的表 面應(yīng)進行氧化或鍍鋅鈍化處理，鍍鋅層應(yīng)均勻牢固，色澤光亮，無氣泡、脫皮和露底等缺 陷，僅允許有輕微的吊具接觸點痕。內(nèi)表面不允許有銹蝕現(xiàn)象。 高壓油管的生產(chǎn)制造過程包括： 入料一拉管一回火矯陋電鍍切斷去毛頭伸入螺母端末 加工高壓洗凈內(nèi)面彎管加工合模一檢查裝箱。 在加工中同一套高壓油管需要經(jīng)過同- 自n 3 2 3 2 序完成，這樣可以保證同一套油管在長 度，內(nèi)徑等方面的一致性。 國內(nèi)的高壓油管生產(chǎn)、加工廠家數(shù)量眾多，但是由于生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)、工藝等多方 面的限制，產(chǎn)品的產(chǎn)量和可靠性尚未達到令人滿意的地步。 現(xiàn)階段根據(jù)高壓油管使用無縫鋼的力學性能劃分為1 號鋼、2 號鋼和3 號鋼，現(xiàn)階 段2 號鋼主要應(yīng)用于四缸歐i i 柴油機，而3 號鋼管按其抗拉剛度和強度可以滿足歐1 i 及 歐i i i 標準3 號鋼主要應(yīng)用于6 缸柴油機。目前國內(nèi)只能生產(chǎn)2 號鋼油管，而3 號鋼油管 均為進口材料在國內(nèi)加工或者直接進口，同本臼井公司則在上海建立了自己的生產(chǎn)廠 家。鋼管應(yīng)符合表所列力學性能等級( 代號卜3 ) ，標準如表1 2 所示： 4 人連理i ：人學碩士研究生學位論文 表i 2 高壓油管材料的力學性能 t a b ，1 2t h em e c h a n i c a lc a p a b i l i t yo f t h eh i g h - p r e s s u r ef u e li n j e c t i o np i p e s 最小抗拉強度最小屈服麻力 最小延伸率最高硬度 代號 r m n r r 蚰2 r e h n m m 2 a 5 i v l3 1 02 0 5 3 01 1 5 23 6 02 2 02 31 5 0 34 9 03 5 52 21 9 4 注：鋼管力學性能系指按i s o6 8 9 2 試驗時的值。 當今世界上主要的高壓油管生產(chǎn)國為只本和德國，市場占有率超過9 0 ，其中只本 的臼井國際產(chǎn)業(yè)股份有限公司成立于1 9 4 1 年，在美國、法國、德國、泰國、馬來西亞、 印尼、臺灣和中國等各國建立了自己的分公司，在2 0 0 2 年月產(chǎn)油管1 0 萬根，世界市場 占有率4 4 ，2 0 0 5 年世界市場占有率達5 0 ，預計到2 0 0 7 年年產(chǎn)7 0 0 0 萬根。已成為 了從造管到彎管全過程的專業(yè)企業(yè)，形成了從丌發(fā)、設(shè)計到試驗的一條龍的技術(shù)服務(wù)。 圖1 5 高壓油管生產(chǎn)過群 f i g 1 5t h ep r o d u c t i o nc o u r s eo f t h eh i g h p r e s s u r ef u e li n j e c t i o np i p e s 國際管材市場基本被兩國壟斷。同時兩國制定了相應(yīng)的技術(shù)標準和加工工藝標準， 從名稱上或有不同，但劃分的標準，以及所應(yīng)用的工況卻基本相似。我們所說的3 號鋼 固內(nèi)給定的工業(yè)材料編號為2 0 a ，只本的工業(yè)材料編號為s t s 3 5 ，德國的材料編號為 s t 5 2 4 ，其中3 號油管中同本分為a 、b 、c 、d 四個級別，如圖1 6 所示： 蝌一s t 特殊高壓處理 持殊強化熱處理 剴1 6 材料等級 f i g 1 6t h eg r a d e so f t h em a t e r i a l 高壓油管故障分折及改進措施 與圖1 6 相對應(yīng)的德國分為s 、p 、q 、r 四個級別，雖然名稱上有所不同。但針對 的使用狀況基本一致，也都是對材料的內(nèi)表面的質(zhì)量做出了相似的嚴格的要求。 如德國的高壓油管材料標準如下： 基本內(nèi)腔表面質(zhì)量，s 級鋼管內(nèi)腔應(yīng)經(jīng)精整加工，以保證其尺寸正確和表面光潔。用 5 0 倍放大鏡檢查時，每根管子橫截面上不得有5 個以上深度超過0 0 8 0 1 3 r a m ( 最大) 的缺陷( 如開裂、裂紋等) 。如要求嚴格控制缺陷深度，可在鋼管標記中注明系按照所 示放大倍數(shù)評定的p 、q 或r 級，如表1 3 所示： 表1 3 材料等級 t a b 1 3t h eg r a d e so f t h em a t e r i a l 代號允許缺陷放人倍數(shù) s 最多允許有5 個深度超過0 0 8 - - 01 3 m m ( 最人) 的缺陷 x 5 0 p 最多允許有5 個深度超過0 0 5 - - 0 0 8 m m ( 最人) 的缺陷 x 1 0 0 q昂多允許有5 個深度超過0 0 2 o 0 5 m m ( 撮火) 的缺| 5 f ； x 1 0 0 r 所有缺陷的深度均小丁o 0 2 m m x 2 0 0 在同一型號的不同級別的高壓油管由于加工工藝的不同價格差異明顯，如提高級別 可能會引起成本的成倍增加。 目前國內(nèi)的材料生產(chǎn)商無法提供這樣的產(chǎn)品，甚至無法對材料的性能分級別進行有 效地檢驗。通常只能運用國外給定的實驗方法來檢測，即將實驗管彎成如圖1 7 所示形 狀，然后施加循環(huán)壓力，以測試它的疲勞壽命。但是實驗機的價格昂貴，短時間內(nèi)完善 檢驗體系存在一定的困難。 幽1 7 實驗驗證方法 f i g1 7t h em e t h o do ft h ee x p e r i m e n t a t i o nv a l i d a t i o n 人連理l + 人學碩十研究生學何論文 1 3 現(xiàn)階段研究面臨的問題 高壓油管使用的高性能材料在一定的時間內(nèi)是國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)無法生產(chǎn)出來并大量 供應(yīng)的，即使達到要求成本也是高昂的。 在知識技術(shù)方面，由于高壓油管的作用形式十分復雜，單純使用流體軟件或者結(jié)構(gòu)分 析軟件無法對其瞬態(tài)高壓非密閉系統(tǒng)進行有效地模擬，同本和德國的高壓油管生產(chǎn)商也沒 有和國際的大型軟件公司進行深入合作，再加上高壓油管的工作狀況特殊，所以當前還沒 有一種通用軟件可以對高壓油管的工作狀況進行理想的模擬。這給高壓油管的研究工作帶 來極大的不便，如在定義材料時我們可以給定材料的基本參數(shù)，卻無法反映出不同的表面 光潔度對材料工作本身的影響。 簡單的說，現(xiàn)階段高壓油管的相關(guān)知識和技術(shù)被同德幾家企業(yè)所壟斷，而國內(nèi)柴油 機廠對高壓油管的了解依然停留在7 0 年代的水平，而且隨著柴油機和高壓油管的發(fā)展， 很多知識和經(jīng)驗已經(jīng)過時或被證明不利于高壓油管的可靠性。 高壓油管的研究需要用到材料、工藝、流體和有限元等多方面的知識，對研究人員 的綜合素質(zhì)要求較高。 同時，國內(nèi)的柴油機裝配中存在較大的誤差，同一型號的柴油機油泵端和噴油嘴之間 的距離一致性差。高壓油管生產(chǎn)中也存在較大的誤差，這樣在安裝過程中就會加大油管的 靜態(tài)預應(yīng)力，加速油管的破壞。 最后，由于槳油機高壓油管事故率升高并給汽車廠、柴油機廠和用戶帶來了巨大損失， 緊迫的形勢要求我們在短時間內(nèi)找到解決辦法。 1 4 研究的意義和論文內(nèi)容 南方某柴油機廠也出現(xiàn)了類似的高壓油管斷裂現(xiàn)象，在技術(shù)攻關(guān)沒有取得成效的情 況下，將使用油管改為同本臼井公司的3 號鋼c 級油管，雖然大大減小了事故率，但每 套油管增加成本1 8 0 元，成本提高接近一倍，對于一個年產(chǎn)l o 力 臺以上的柴油機生產(chǎn) 企業(yè)，就意味著每年增加于萬元以上的成本。 現(xiàn)階段，如何降低高壓燃油壓力波動和振動對高壓油管的破壞，即對其振動規(guī)律進 行研究，通過對高壓油管的改進，使低級別的高壓油管能夠滿足更高的使用要求，對柴 油機廠有著巨大的經(jīng)濟效益。 全文內(nèi)容共分六章，各章主要內(nèi)容如下： 第一章介紹課題出現(xiàn)的背景、國內(nèi)外發(fā)展概況和國內(nèi)面i 臨的主要問題以及現(xiàn)階段我 們的任務(wù)。 高壓油管故障分析及改進措施 第二章主要對高壓油管的故障進行統(tǒng)計分析，包括故障模式、故障部位和故障里程 等，并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果確定高壓油管的易發(fā)生斷裂的部位。 第三章是針對高壓油管發(fā)生的疲勞斷裂現(xiàn)象對疲勞理論進行分析，并針對高壓油管 的實際工作狀況。選擇了局部應(yīng)力一應(yīng)變法對其疲勞影響因素進行測量，為高壓油管的 改進和檢驗提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 第四章應(yīng)用局部應(yīng)力一應(yīng)變法對高壓油管的工作規(guī)律進行總結(jié)分析，對其危險部位 周期性變化的應(yīng)變的大小和振幅進行測量，將實驗結(jié)果與故障統(tǒng)計結(jié)果相印證，指導改 進工作。 第五章對高壓油管內(nèi)部高壓燃油的作用進行流體分析，以確定其受力狀況，指導改 進設(shè)計規(guī)范。 第六章運用有限元理論指導高壓油管的改進，并對改進油管進行實驗驗證，效果良 好，基本滿足了改進的要求。 第七章總結(jié)本論文所完成的工作和取得的成果，并對高壓油管下一步的研究和發(fā)展 提出自己的看法。 人連理【：人學碩十研究生學位論文 2 高壓油管故障分析 2 1 高壓油管整體故障統(tǒng)計分析 高壓油管的故障形式是多樣的，詳細了解高壓油管故障對柴油機正常工作造成的影響， 分析故障形式和原因，有助于對高壓油管的研究，對改進具有重要的意義。 高壓油管出現(xiàn)問題以后，嚴重影響柴油機的f 常工作：首先最常見的是漏油，這會減 小油壓，影響發(fā)動機的幣常工作；如果是發(fā)生斷裂，就會有燃油噴出，在處理不當?shù)那闆r 下，還可能發(fā)生火災(zāi)；最后受損的高壓油管的維修費用是可觀的，按照維修規(guī)范要求高壓 油管要成套更換，這不管是對生產(chǎn)廠家還是用戶這都是一筆不小的丌支；同時高壓油管故 障會影響整機的可靠性，對柴油機生產(chǎn)廠家造成負面影響而影響銷售。 由于高壓油管有一定的彈性變形，所以其長度和內(nèi)徑直接影響柴油的噴射過程，從而 影響了柴油機的工作】。為達到柴油系統(tǒng)的工作性能，對高壓油管提出了如下要求： 1 ) 高壓油管內(nèi)徑應(yīng)盡可能小，以減小高壓容積； 2 ) 剛度大，強度高，抗變形和承受能力強； 3 ) 長度盡可能短，以提高防振性能： 4 ) 多缸發(fā)動機各缸油管要求長度一致，以達到各缸噴油延遲時間的一致性。 油管的長度和內(nèi)徑對噴油均勻性及噴油始點均有直接影響，所以要求按流量進行分組， 同一臺發(fā)動機上必須配用同一組的油管。 對高壓油管進行實物的檢查和分析，是對其進行研究的必要基礎(chǔ)。在大量的故障件 統(tǒng)計和歸類中發(fā)現(xiàn)：高壓油管的破壞主要由制造因素、裝配因素、設(shè)計因素和使用工況 造成。具體高壓油管故障模式影響因素識別及其影響程度判定：( 采用魚刺圖) 幽2 1 高樂油管故障魚刺圖 f i g 2 1t h ef a i l u r ep l o to f t h ep i p e s 高壓油管故障分析及改進措施 2 1 1 故障模式統(tǒng)計 現(xiàn)階段高壓油管故障主要分為漏油、斷裂( 橫向) 、爆管、裂紋( 縱向) ，四種故 障模式： l 、漏油主要是由于高壓油管與噴油器或噴油泵的密封錐面密封不嚴導致的，把緊力 矩起到壓緊密封帶的作用，如果兩個配合面存在缺陷，是不能通過加大把緊力矩 消除漏油故障的。高壓油管的振動加上管形誤差引起的安裝應(yīng)力，加重了密封面 密封不嚴1 6 j 。 2 、目前高壓油管斷裂故障中主要為橫向斷裂，是由于其受力過大出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。 圖2 2 高壓油管橫向斷裂 f i g 2 2t h el a n d s c a p eo r i e n t a t i o nr u p t u r e s 3 、縱向裂紋主要發(fā)生在新丌發(fā)的滿足歐i i 標準以上的柴油機上，由于噴油壓力的提 高，高壓油管的屈服強度，抗拉強度提高，在油管內(nèi)部如果存在微小縱向裂紋缺 陷，在高壓燃油和來回振蕩的壓力波的作用下，裂紋不斷變大，最終開裂。 圖23 高壓油管縱向斷裂 f i g 2 3t h ep o r t r a i tr u p t u r e s 1 0 人連理i 人學碩七研究生學位論文 4 、爆管主要原因是高壓油管本身材料不能滿足高壓油管的機械性能使用要求，屈服 應(yīng)力、抗拉強度低于使用條件，無法承受內(nèi)部高壓燃油的壓力導致油管爆裂。 故障原因： 一、柴油機高壓油管斷裂，首先檢查噴油嘴是否卡死在關(guān)閉位置，發(fā)動機在運轉(zhuǎn)中如 噴油嘴卡死，柱塞還在繼續(xù)往上噴油，高壓油管承受的壓力是有限的，長時間承受不了這 個壓力，高壓油管就會斷裂。 二、高壓油管斷裂與出油閥卸載不良也有一定的聯(lián)系。出油閥密封或卸載不好，高壓 油管殘余壓力過高或形成空穴，都將造成高壓油管疲勞損傷或裂紋，長時間運轉(zhuǎn)超過高壓 油管材質(zhì)的疲勞強度，高壓油管就會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。 三、高壓油管斷裂也與高壓油管質(zhì)量和安裝高壓油管時的裝配方式有關(guān)。 四、高壓油管斷裂也與其設(shè)計有著密切的聯(lián)系，在設(shè)計中通過采用優(yōu)化的方法也可以 保證減小其在使用中受到的應(yīng)力，達到提高其可靠性的目的。 2 1 2 故障部位統(tǒng)計 通過大連柴油機廠在各地的維修站對高壓油管的故障進行統(tǒng)計，并將故障件返廠， 在廠內(nèi)對故障件進行統(tǒng)計分析，可以對其故障的發(fā)生進行更深一步的了解。在統(tǒng)計中可 以確認油管的危險薄弱部位，并針對其進行實驗和改進。同時通過對故障件進行深入的 分析和檢測也可以找出斷裂的原因，對研究的繼續(xù)進行，有著重要的意義。 首先，對所研究的型號6 缸的柴油機進行故障件統(tǒng)計，從圖2 4 9 我們可以清楚的看 到，故障多集中在1 缸和6 缸，即六缸柴油機最外側(cè)的兩根油管，可以初步斷定，l 、6 管 是此型號柴油機高壓油管的危險部位，對這兩管的改進將直接影響改進的效果。 幽2 4 斷裂部位統(tǒng)計 f i g2 4t h er u p t u r ep a r t ss t a t i s t i c 高壓油管故障分析及改進措施 斷裂部位見如2 5 所示 圖2 5 斷裂部位 f i g 25t h er u p t u r ep a r t s 根據(jù)故障件反饋，柴油機高壓油管的斷裂主要形式為高壓油管油泵端和氣缸端彎頭 部位橫向斷裂，根據(jù)故障件統(tǒng)計，如果可以有效地解決高壓油管彎頭部位橫向斷裂的問 題，就可以減少9 0 的故障的發(fā)生，同時也是我們解決的首要目標。 2 1 3 故障里程統(tǒng)計 7 0 6 0 ，、5 0 孌4 0 世3 0 輟z o 1 0 0 012 故障臺數(shù)隨里程變化曲線 345678 里程( 萬公里) 剴2 6 斷裂里程 f i g 2 6t h ed i s t a n c eo f r u p t u r e s 如圖2 6 顯示，大多數(shù)的斷裂發(fā)生在1 5 3 5 萬公里的范圍內(nèi)，由發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)和 里程之間的關(guān)系可以得出，柴油機高壓油管的故障基本上屬于低周期斷裂，這是部分危 險部位受力應(yīng)變過大而造成的。 人造理1 人學碩+ 研究生學何論文 2 2 高壓油管典型故障件取樣分析 根據(jù)故障分析結(jié)果，對高壓油管的典型故障即高壓油管彎頭部位橫向斷裂的形式進 行取樣，對斷口形式特征分析。 1 、檢測部件：高壓油管，8 件，8 件油管狀況見圖2 7 。 豳2 7 取樣分析 f i g 2 7s a m p l i n ga n a l y s i s 2 、檢測分析項目：確定油管斷裂性質(zhì)、裂紋擴展方向、裂紋源位置。 3 、檢測分析方法： 宏觀攝片后，沿油管徑向?qū)? 件斷口區(qū)切割下來，依次經(jīng)去污清洗、丙酮超聲清洗 等制成可供斷口觀察的試樣。利用荷蘭p h i l i p s 公司制造的x l 一3 0 型掃描電鏡觀察斷口 形態(tài)，判斷油管是否屬于疲勞斷裂，并根據(jù)裂紋擴展方向進一步確定裂紋源位置。 4 、測分析結(jié)果 4 1 宏觀觀察 由圖2 7 宏觀照片可見，8 件高壓油管中2 件四缸機油管電鍍外表黑漆部分脫落， 而6 件六缸機油管電鍍外表紅漆多己脫落。8 件油管的斷裂源均位于一端的彎曲圓角處。 一些斷口表面存有銹點和接觸劃痕。 高壓油管故5 帝分析及改進措施 4 2 微觀斷口觀察 觀察了8 根高壓油管的斷口形貌，根據(jù)其疲勞輝紋取向和i 自j 距可確定出裂紋擴展 方向和裂紋源位置。結(jié)果見表2 1 。 表2 1 高壓油管斷口形貌觀察結(jié)果 t a b 2 1t h eo b s e r v i n gr e s u l t so f t h er u p t u r ep a r t s 油管編號斯口微觀形貌特征裂紋擴展方向 裂紋源位置 i #疲勞輝紋外表面。心部內(nèi)圓角 2 抖疲勞輝紋外表面_ 心部外圓角 3 #疲勞輝紋 外表面一心部 內(nèi)圓角 4 并疲勞輝紋外表面_ 心部外圓角 5 替疲勞輝紋外表面+ 心部內(nèi)圓角 6 # 疲勞輝紋外表面斗心部內(nèi)圓角 7 # 疲勢輝紋外表面_ 心部外圓角 8 #疲勞輝紋外表面- ，心部內(nèi)圓角 從斷裂件斷頭處可以清楚的看到貝紋狀條紋，這是疲勞斷裂的標志，它的出現(xiàn)是由 于各種外部和內(nèi)部的作用而引起的疲勞斷裂紋擴展停止或減慢的結(jié)果。這些條紋有規(guī)則 的排列，表明加載條件的改變是周期性的、有規(guī)律的1 7 】。疲勞源一般出現(xiàn)在彎頭的內(nèi)、 外兩個圓角處，且裂紋的擴展方向均為從外表向心部擴展，同時疲勞源在彎頭內(nèi)圓角的 數(shù)量多于疲勞源在外圓角的數(shù)量。 高壓油管斷頭處微觀照片如圖2 t 8 2 1 2 所示： 圖2 8 管t 斷口 f i g 2 8t h er u p t u r ep a r to f t h ep i p e 大連理i “大學碩十研究生學位論文 幽2 9 管2 斷口 f i g 2 9t h er u p t u r ep a r to f t h ep i p e2 圖2 1 0 管3 年管4 斷口 f i g 2 1 0 t h er u p t u r ep a r t so f t h ep i p e3a n dp i p e4 圖2 1 l 管5 和管6 斷口 f i g ，2i 1t h er u p t u r ep a r t so f t h ep i p e5a n dp i p e6 1 5 高壓油管故障分析及改進措施 | 璺| 2 1 2 管7 和管8 斷口 f i g 2 1 2t h er u p t u r ep a r t so f t h ep i p e7a n dp i p e8 每個斷口部位的四張分析圖中，左上為斷面圖，左下為疲勞源微觀圖，右下為擴展 區(qū)微觀圖，右上為瞬斷區(qū)微觀圖。 2 3 故障分析總結(jié) 高壓油管的故障是由設(shè)計、制造、裝配和使用中的多方面因素造成的，但是主要的 失效形式是由于疲勞而產(chǎn)生的裂紋而最終導致的破壞，而且破壞部位相對集中。根據(jù)故 障件數(shù)據(jù)統(tǒng)計，絕大多數(shù)故障發(fā)生在第1 、6 缸高壓油管，即6 缸柴油機高壓油管的最 外兩側(cè)的油管，主要形式為靠近油泵端或汽缸端第一個彎頭處橫向裂紋端裂，其中靠近 噴油泵端的占7 0 以上。根據(jù)疲勞理論，剛體疲勞與工作環(huán)境、工作狀態(tài)、振動頻率、 振幅和力的大小有直接的關(guān)系。 柴油機高壓油管在工作中其振動屬于受迫振動，頻率是由發(fā)動機轉(zhuǎn)動的頻率決定 的，受到的外加激勵有發(fā)動機轉(zhuǎn)動所引起的油泵和氣缸蓋的振動和內(nèi)部高壓油對油管的 沖擊。在研究中，我們認識到：高壓油的激振頻率和內(nèi)部的高壓油的作用以及其工作的 惡劣環(huán)境是由其工作狀況決定的，也是我們無法改變的。 要解決高壓油管的疲勞問題，必須先對疲勞理論進行深入的分析，同時要找到測量 高壓油管受力的相應(yīng)的方法，為我們進一步的研究打下基礎(chǔ)。 1 6 人連理j 人學碩十研究生學位論文 3 疲勞斷裂理論和局部應(yīng)力一應(yīng)變法 3 1 斷裂的分類 斷裂是機械構(gòu)件的主要破壞形式，主要有以f 分類 幽3 1 斷裂的分類 f i g 3 1c l a s s i f yt h er u p t u r e s 其中疲勞斷裂與靜載荷下的斷裂不同，無論在靜載荷下顯示脆性或韌性的材料，在 疲勞斷裂時都不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，因此，具有很大的危險性， 常常造成嚴重的事故。據(jù)統(tǒng)計，在損壞的機器零件中，除磨損外，大部分是由金屬疲勞 造成的瞪j 。 3 2 疲勞理論 自從人類開始使用各種機械構(gòu)件以柬，疲勞問題就隨之而來。但是直到十九世紀中 期，人們才開始認識到這個問題的危害性，并逐步加以控制。余屬疲勞這一概念可能是 j v p o n c e l e t 在1 8 3 9 年巴黎大學講課時首次采用的。在闡述材料的物理一化學性質(zhì)時， 這位e c o l e 理工學院前校長指出，由于鋼構(gòu)件經(jīng)受了周期地拉伸與壓縮載荷后將使其強 度耗損 9 1 。十幾年后，某些系統(tǒng)地疲勞研究開始了，十九世紀血十年代到六十年代，德 國工程師w o h i e r 從研究應(yīng)力出發(fā)，通過大量試驗，提出了s n 曲線表達應(yīng)力一壽命和 在一定應(yīng)力幅以下試件不會破壞的疲勞極限理論。 十九世紀末，其他一些研究人員論證和發(fā)展了w 6 h i e r 的研究成果。與此同時， g o o d m a n 又在人們研究了平均應(yīng)力影響的基礎(chǔ)上，提出了一種關(guān)于修正平均應(yīng)力的簡化 勞勞勞 勞 蝕 一一一一一戤一般f，v_i 裂裂蝴 餓 裂 一一冀| 一 一 ，|iiiliill，、llilllii、 裂 高壓油管故障分析及改進措施 理論。以后，人們對變幅載荷作用下的壽命估算進行了廣泛的研究。二十世紀二十年代， g o u g h 及其同事在探討疲勞機理方面作出了重大貢獻。值得一提的是，1 9 4 5 年m i n e r 用公式表達了p a l m g r e n 于1 9 2 4 年提出的線性累積損傷理論，這種疲勞損傷理論在工程 估算中得到了廣泛的應(yīng)用。至此，名義應(yīng)力法己構(gòu)成一個較完整的工程疲勞分析方法。 交變載荷的作用造成的疲勞破壞有以下特征【l o i ： a 交變載荷峰值遠低于材料的強度極限情況下，就可以發(fā)生破壞，表現(xiàn)為低 應(yīng)力類脆性斷裂的特征。 b 破壞具有局部性。無論是脆性材料還是塑性材料，疲勞破壞在宏觀上均無 明顯的塑性變形區(qū)域。 c 破壞之前，要經(jīng)歷一個疲勞損傷的積累過程。研究表明，該過程由裂紋起 始( 或成核) 、裂紋( 穩(wěn)態(tài)) 擴展和裂紋失穩(wěn)擴展三個階段組成。 d 疲勞壽命具有極大的分散性。對載荷及環(huán)境，材料及結(jié)構(gòu)，加工工藝等方 面多種因素相當敏感。因此在處理疲勞問題時要采用概率的方法。 e 疲勞斷口在宏觀和微觀上都具有顯著的特征。斷口上的信息，對記錄疲勞 過程、研究疲勞機理以及判斷事故原因，都具有重要意義。 基于上述特點，“疲勞”這一術(shù)語，可以概括為：材料或結(jié)構(gòu)的某一點或某些點， 在承受波動的應(yīng)力和應(yīng)變的情況下，發(fā)生漸進的、局部的、帶永久性的變化過程。在足 夠次數(shù)的波動之后，材料或結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生裂紋或最終斷裂。 根據(jù)疲勞理論，剛體疲勞與工作壞境、工作狀態(tài)、振動頻率、振幅和均值的大小有 直接的關(guān)系。 首先，振幅的大小和使用壽命之間關(guān)系符合s n 曲線，仃代表振幅，n 代表使用 壽命，即振幅越大，其使用壽命越小，如圖3 2 所示1 1 0 1 ： q 呸 要毋 b 西 乃 吒 _ 次數(shù) 幽3 2s n 曲線 f i g3 2s nc h r v e 人造理f 人學碩十研究生學位論文 同時，應(yīng)力均值( 應(yīng)力平均大小) o m 對疲勞極限盯州) 的影響用實驗數(shù)據(jù)回歸定量 確定，平均應(yīng)力對疲勞極限和疲勞壽命的影響如圖3 3 ( a ) 所示。從圖中可見，在相同應(yīng) 力幅下升高，盯刪，降低。對吒t 對盯哪，的影響現(xiàn)公認的經(jīng)驗公式有】： o o o d m a n 公式 吒2 礦1 ( 1 一吒) g e b e r 公式 仃。2 盯一t 【l 一( 吒，。- h ) 2 】 s o d e r b e t g 公式 吒2 盯一i ( 1 一吒t 盯) 上述三個公式繪成關(guān)系如圖33 所示： 幽3 ，3 平均應(yīng)力對疲勞極限的影響 f i g 3 3t h ei n f e c t i o no f t h ea v e r a g et h es t r e s s ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 當平均應(yīng)力為負值，即平均應(yīng)力為壓力時，疲勞極限進一步增大，以某合金金屬為 例，做疲勞強度實驗得出疲勞規(guī)律。從圖3 4 中可以看出，壓應(yīng)力提高了合金的疲勞極 限，符合理論分析規(guī)律。 圖3 4 實驗驗 止平均戍力的作川 f i g3 4t h ev a l i d a t i o no f t h ea v e r a g es t r e s sb ye x p e r i m e n t s 高壓油管故障分析及改進措施 進一步的實驗表明，表層的殘余壓應(yīng)力使表層硬化的過程能提高材料的疲勞性能， 相反，表層殘余拉應(yīng)力使表層軟化則會降低疲勞性能。殘余應(yīng)力對疲勞抗力的影響可以 理解為對實際工作應(yīng)力的一種代數(shù)和的關(guān)系。 實驗結(jié)果表明，殘余應(yīng)力與疲勞極限之間的關(guān)系，可以用式3 4 描述 “j ： 仃互一m ( _ + o r ，j + do ( 3 4 ) 其中仃為疲勞極限，m 為系數(shù)，仃。為平均應(yīng)力，q 為殘余應(yīng)力( + 盯，為拉應(yīng)力， q 為壓應(yīng)力) ，o o 為無殘余應(yīng)力且吒= 0 情況下的疲勞極限。式中把殘余應(yīng)力的作用 視為平均應(yīng)力的等效作用，殘余壓應(yīng)力相當于負平均壓力，殘余拉應(yīng)力則相當于詐平均 壓力。 當然，真實的載荷歷程通常是不規(guī)則的，如圖3 5 所示，圖中縱坐標單位為膳，代 表一個微應(yīng)變，代表油管受力產(chǎn)生的變形，與其受力成正比。 圖3 5 高壓油管應(yīng)變圖 f i g 3 5t h es t r a i no ft h eh i g h - p r e s s u r ef u e li n j e c t i o np i p e 在實際工況下，結(jié)構(gòu)材料往往受到復雜變幅疲勞載荷的作用，疲勞載荷是極不規(guī)則 的，在這種復雜的情況下，要估計結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，只有s n 曲線是遠遠不夠的，還 要借助于“疲勞累積損傷”理論。 線性累積損傷理論認為：在使用中，一個給定的應(yīng)力水平所消耗的疲勞壽命是該應(yīng) 力水平作用的循環(huán)次數(shù)與該應(yīng)力水平作用到破壞所允許的次數(shù)的比，并把該比值成為 “循環(huán)比”或“損傷比”；如果幾個不同的應(yīng)力水平施加到一個結(jié)構(gòu)細節(jié)上，各應(yīng)力對 應(yīng)循環(huán)比之和就是消耗掉的疲勞壽命部分；當循環(huán)比之和等于單位1 時，那么所有潛在 人連理1 。人學碩十研究生學位論文 的使用壽命就消耗盡了。按照線性累積損傷理論，應(yīng)用它時就有這么多的潛在疲勞壽命 可供使用1 1 2 j 。 根據(jù)上述，當疲勞載荷包含了許多應(yīng)力幅水平時，總損