柴油機(jī)進(jìn)氣門頸部斷裂失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、作為柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件，進(jìn)氣門起到進(jìn)氣與密封的作用，因此進(jìn)氣門的性能直接影響著發(fā)動機(jī)的性能。進(jìn)氣門除了受到高溫燃?xì)獾臎_刷腐蝕，還受到高強(qiáng)度的沖擊，磨損和高頻交變拉壓，在惡劣的工況下，若材料選用不當(dāng)、組織性能有缺陷、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理都會導(dǎo)致氣門失效，頸部斷裂失效就是常見的一種失效形式。
　　本文對某型柴油機(jī)進(jìn)氣門頸部斷裂失效行為進(jìn)行分析和設(shè)計優(yōu)化研究。首先從氣門的材料和組織入手，利用JSM-6490LA型掃描電子顯微鏡、GX51

2、型奧林巴斯倒置金相顯微鏡及TH320全洛氏硬度計等儀器對失效樣件進(jìn)行宏觀形貌和微觀組織的觀察和分析、化學(xué)成分的檢測和硬度測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該失效樣件C、O、Si含量過高，這些元素在基體內(nèi)形成大塊非金屬脆性夾雜，導(dǎo)致了微觀孔洞的產(chǎn)生，孔洞的存在破壞了基體的連續(xù)性，一定程度上增加材料的脆性，疲勞裂紋也由此產(chǎn)生。同時可以明顯觀察到靠近斷口附近存在較大的連續(xù)孔坑；斷口附近的硬度分布也不均勻；這是由于熱處理工藝不當(dāng)所致，組織成分不均勻會影響硬度分布

3、的均勻性，同時會降低材料的沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度。氣門在高強(qiáng)度、高溫、強(qiáng)腐蝕的工作環(huán)境下發(fā)生了高周疲勞斷裂。
　　其次，從優(yōu)化氣門頸部結(jié)構(gòu)入手，氣門的頸部是桿部與盤部的過渡區(qū)域，也是應(yīng)力集中的區(qū)域，結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致應(yīng)力集中程度嚴(yán)重，促進(jìn)疲勞源的產(chǎn)生，是疲勞斷裂的主要原因之一。利用有限元軟件Abaqus對氣門進(jìn)行了熱-應(yīng)力耦合分析，對頸部應(yīng)力集中程度和頸部結(jié)構(gòu)對應(yīng)力分布的影響進(jìn)行了探究。利用 Solidworks對進(jìn)氣門的過渡錐角β和過渡

4、圓弧半徑R在允許范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，再把新的模型導(dǎo)入到Abaqus進(jìn)行分析，以最大應(yīng)力最小，應(yīng)力分布均勻為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，研究了β和R對最大應(yīng)力及應(yīng)力分布的影響。
　　進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，分別以氣門軸向最大應(yīng)力和氣門盤部最大應(yīng)力為指標(biāo)進(jìn)行評價。以氣門軸向最大應(yīng)力為指標(biāo)時，對過渡圓弧半徑 R和過渡錐角β進(jìn)行改變并分析其應(yīng)力結(jié)果。分析結(jié)果表明：當(dāng)β=21o， R=21mm時，氣門軸向最大等效應(yīng)力值最小，此時過渡圓弧半徑為21mm，過渡錐角為21

5、o時是最優(yōu)結(jié)構(gòu)；以氣門盤部最大應(yīng)力為指標(biāo)時，依次增大過渡圓弧半徑 R和過渡錐角β，分別得到對應(yīng)的盤部最大應(yīng)力值，并以應(yīng)力分布的均勻性為輔助指標(biāo)，經(jīng)過比對分析發(fā)現(xiàn)：β=21o， R=19mm時結(jié)構(gòu)最優(yōu)。
　　綜合軸向應(yīng)力和盤部應(yīng)力分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：選用β=21o， R=21mm時，其軸向最大應(yīng)力值比選用β=21o，R=19mm時要小得多，而β=21o，R=21mm的盤部最大應(yīng)力值與β=21o，R=19mm的盤部最大應(yīng)力值相差不大。