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

1、作為柴油機配氣機構(gòu)的執(zhí)行元件，進氣門起到進氣與密封的作用，因此進氣門的性能直接影響著發(fā)動機的性能。進氣門除了受到高溫燃氣的沖刷腐蝕，還受到高強度的沖擊，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。
　　本文對某型柴油機進氣門頸部斷裂失效行為進行分析和設(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度。氣門在高強度、高溫、強腐蝕的工作環(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)力集中程度嚴重，促進疲勞源的產(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)力分布的影響進行了探究。利用 Solidworks對進氣門的過渡錐角β和過渡

4、圓弧半徑R在允許范圍內(nèi)進行調(diào)整，再把新的模型導(dǎo)入到Abaqus進行分析，以最大應(yīng)力最小，應(yīng)力分布均勻為目標進行優(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)力為指標進行評價。以氣門軸向最大應(yīng)力為指標時，對過渡圓弧半徑 R和過渡錐角β進行改變并分析其應(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，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。