R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計.pdf

R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計仲懷清(戚墅堰機(jī)車車輛廠,江蘇常州213011)摘要:簡要介紹了R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣道吹風(fēng)試驗、氣缸蓋靜強(qiáng)度試驗、機(jī)械變形及溫度場試驗。關(guān)鍵詞:R16V280ZJ型柴油機(jī)；氣缸蓋；設(shè)計；試驗；強(qiáng)度中圖分類號:TK42312文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:100321820(2005)0820018203收稿日期:2005203230作者簡介:仲懷清(1969),男,江蘇寶應(yīng)人,工程師。1概述為滿足鐵路運輸貨運重載和客運高速的需要,我廠與奧地利AVL公司合作開發(fā)了功率更大、強(qiáng)化程度更高以及性能指標(biāo)更優(yōu)的R16V280ZJ型柴油機(jī)。該柴油機(jī)的氣缸直徑為280mm,標(biāo)定功率為4705kW(單缸功率294kW),最高爆發(fā)壓力達(dá)1515MPa。作為柴油機(jī)主要零部件之一的氣缸蓋承受的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力大為增加,因此,對進(jìn)、排氣道的流通特性提出了新的要求。為此,我們重新設(shè)計了新型R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋,同時進(jìn)行了氣缸蓋的靜強(qiáng)度、溫度場以及機(jī)械變形的研究,以確保新氣缸蓋的可靠運用。2氣缸蓋設(shè)計氣缸蓋用來密封氣缸的上部,與活塞頂及氣缸套共同組成柴油機(jī)燃燒室,承受氣缸蓋螺栓的預(yù)緊載荷、氣缸內(nèi)氣體的高爆發(fā)壓力和較高的熱負(fù)荷的綜合作用,工作條件十分惡劣。在氣缸蓋中需布置進(jìn)排氣道、潤滑配氣機(jī)構(gòu)零件的機(jī)油孔道以及合理的冷卻水道以保證氣缸蓋的充分冷卻。另外,為了保證柴油機(jī)按時地?fù)Q氣和噴油,氣缸蓋需提供很多零件的安裝位置,如噴油器、進(jìn)排氣門彈簧、氣門導(dǎo)管和傳動件等,因此氣缸蓋的結(jié)構(gòu)形狀十分復(fù)雜。對于單缸功率294kW、爆發(fā)壓力1515MPa以上的高性能R型柴油機(jī)氣缸蓋,其設(shè)計研究的根本任務(wù)是在柴油機(jī)總體尺寸限制的條件下,具有良好的氣道流通特性和足夠的氣缸蓋強(qiáng)度。211材料的選擇根據(jù)氣缸蓋的特點,氣缸蓋的材料要具有較高的抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕和耐磨性,同時具有良好的鑄造流動性和良好的切削加工性能,另外氣缸蓋材質(zhì)還需要良好的熱疲勞系數(shù)。設(shè)計中選用了綜合性能較好的蠕蟲狀石墨鑄鐵(RuT350)作為氣缸蓋的材料,該材料的機(jī)械性能為:抗拉強(qiáng)度b350MPa,屈服強(qiáng)度012250MPa,伸長率s1%,硬度為HB170250。蠕蟲狀石墨鑄鐵因其石墨形態(tài)的特性,兼具了灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的特點,其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度達(dá)到球墨鑄鐵的性能,而鑄造流動性、導(dǎo)熱系數(shù)、耐熱沖擊性和加工性能則具備了灰口鑄鐵的優(yōu)點,這樣既保證了氣缸蓋的強(qiáng)度要求,加工質(zhì)量又容易得到保證。212結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)柴油機(jī)的總體設(shè)計要求,氣缸蓋采用4個螺栓緊固,對于缸徑達(dá)280mm的氣缸蓋而言,確保氣缸的密封是一個首要的難題。為此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中重點考慮了以下方面:最大限度地提高氣缸蓋的整體剛度；讓4個螺栓的緊固力合理分布傳遞等。氣缸蓋設(shè)計采用了雙層箱形結(jié)構(gòu),中央設(shè)有用于噴油器安裝的空心圓柱從底板一直撐到頂板,并與中隔板連成一體,以增強(qiáng)中間部位的剛度。在氣缸蓋的內(nèi)部設(shè)置了中隔板,將氣缸蓋冷卻水腔分成上水腔和下水腔,以加強(qiáng)氣缸蓋的剛度。R型機(jī)氣缸蓋設(shè)計采用盆型中隔板結(jié)構(gòu),使得氣缸內(nèi)的爆發(fā)壓力第8期(總第378期)內(nèi)燃機(jī)車2005年8月1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.能夠合理地傳遞到四周側(cè)壁上,減小火力面的機(jī)械負(fù)荷和底板變形。中隔板設(shè)計時,錐度要選擇合理,盡量接近底板,有利于剛度和底板的冷卻,但下冷卻水腔也不宜過小,以避免鑄造和清砂的困難。從氣缸蓋頂面到底面,在其外部邊緣部位布置有4個直徑為52mm的貫通孔,并在貫通孔與頂面和底面相接處設(shè)計成倒錐形,以增加整個箱體的剛度,便于4個螺栓力的合理傳遞,同時也作為氣缸蓋螺栓液壓拉伸器的支承臺。選取了合適的氣缸蓋高度近代大功率柴油機(jī)的氣缸蓋高度取值趨向選取較大的尺寸,一般高度尺寸H(0191)D,保證了氣缸蓋較好的剛度,同時為設(shè)計優(yōu)良的進(jìn)、排氣道創(chuàng)造了良好的條件。氣缸蓋底板直接和燃?xì)饨佑|,底面受到較高的熱應(yīng)力。從強(qiáng)化度高的柴油機(jī)氣缸蓋的經(jīng)驗可知,其熱應(yīng)力常達(dá)到機(jī)械應(yīng)力的十幾倍,故在底板設(shè)計時,既要考慮保證一定的底板厚度以確保剛度,又不能太厚,不利于冷卻,造成底板熱應(yīng)力過高而發(fā)生裂損,尤其是排氣門與排氣門座孔過橋間的鼻梁區(qū)以及噴油器孔口周圍部分。本次設(shè)計吸取了16V280ZJA型柴油機(jī)氣缸蓋的經(jīng)驗并與國內(nèi)外同類柴油機(jī)進(jìn)行了比較,選擇了合適的底板厚度,同時設(shè)計了良好的冷卻水腔,以組織合理的冷卻水流,尤其是針對氣門之間的鼻梁區(qū)的冷卻。在下水腔設(shè)計中,容積不宜過大,以有利于提高水流速度,尤其是不能在水腔中形成死水區(qū),同時高的水流速度對帶走蒸汽泡,防止小顆粒金屬沉淀及防止局部水流遲滯區(qū)溫度升高有較大的好處。為模擬柴油機(jī)實際工作狀態(tài),在建模時建立了單個機(jī)體氣缸單元,氣缸套、氣缸蓋的組合模型,進(jìn)行了有限元分析計算,并利用AVL公司的專業(yè)軟件進(jìn)行了溫度場的模擬計算,通過分析計算優(yōu)化設(shè)計了氣缸蓋結(jié)構(gòu)。213氣道設(shè)計氣道的設(shè)計是氣缸蓋設(shè)計的中心任務(wù)。氣缸蓋進(jìn)、排氣道的流通性能直接影響氣缸內(nèi)的燃燒過程。減少柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力,增加吸入空氣量,組織適宜的渦流,將有利于缸內(nèi)的油束霧化、油氣混合及分布,改善燃燒過程；而減少排氣道阻力可以提高廢氣流通能力,有利于掃氣,減少廢氣能量損失,降低排氣門的熱負(fù)荷。在柴油機(jī)實際工作循環(huán)中,由于氣道形狀復(fù)雜,氣流在氣道中的流動,是一個非穩(wěn)態(tài)流,單純用設(shè)計的方法來獲得滿意的氣道有一定的困難。目前,對氣道的研究一般都簡化為穩(wěn)定流,采用穩(wěn)流吹風(fēng)試驗方法進(jìn)行。國內(nèi)外通常采用的穩(wěn)流吹風(fēng)試驗方法有定氣道前壓頭法、定氣道前后壓差法、定孔板流量計壓差法等。為了試驗的操作方便,吹風(fēng)試驗采用了定氣道前壓頭法。R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋氣道的設(shè)計利用AVL吹風(fēng)試驗臺進(jìn)行多次吹風(fēng)試驗,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算并參考了AVL公司擁有的大量氣缸蓋吹風(fēng)試驗數(shù)據(jù)庫,設(shè)計出氣道,然后利用該氣道芯盒鑄造出氣缸蓋,再進(jìn)行吹風(fēng)試驗以便進(jìn)行修正,同時校核氣道的鑄造精度。R型柴油機(jī)氣缸蓋吹風(fēng)試驗結(jié)果如表1所列。表1R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋氣道吹風(fēng)試驗結(jié)果氣道平均流通系數(shù)()m平均流通能力()m進(jìn)氣道01395010789排氣道01375010713從吹風(fēng)試驗結(jié)果可以看出,采用較大的氣門座內(nèi)孔直徑以及較高的氣缸蓋尺寸可以獲得滿意的進(jìn)氣道品質(zhì)以及良好的平均流通能力,這樣可以滿足柴油機(jī)吸氣的需要及總體性能要求。同樣,按照AVL公司對全世界600多種氣缸蓋的吹風(fēng)試驗的經(jīng)驗,R型柴油機(jī)氣缸蓋進(jìn)氣道的平均流通能力處于該公司推薦的典型范圍值之內(nèi)。與原A型柴油機(jī)的進(jìn)氣道相比,R型機(jī)進(jìn)氣道的平均流通能力在同樣氣門升程的情況下約增加了11%。同進(jìn)氣道一樣,R型機(jī)氣缸蓋的排氣道采用較大的氣門座內(nèi)孔直徑,得到了良好的平均流通能力,同時,其確定的面積比(氣缸蓋出口法蘭面面積/喉口面積)和雙彎氣道形狀均在AVL公司推薦的典型范圍值之內(nèi)。與原A型柴油機(jī)的排氣道相比,R型機(jī)排氣道的平均流通能力在同樣氣門升程的情況下提高了約18%。3氣缸蓋的強(qiáng)度氣缸蓋強(qiáng)度研究的目的在于充分了解新設(shè)計的R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋的安全裕度和可靠性。我廠和同濟(jì)大學(xué)一起進(jìn)行了新氣缸蓋的靜強(qiáng)度、機(jī)械變形和溫度場測試。氣缸蓋的靜應(yīng)力測試試驗在我廠的單缸柴油機(jī)上進(jìn)行,通過燃燒室內(nèi)灌注高壓機(jī)油模擬氣缸蓋91第8期(總第378期)仲懷清:R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.組裝后承受氣缸爆發(fā)壓力時的狀態(tài),測量了氣缸蓋螺栓預(yù)緊、氣缸壓力為1315MPa和1515MPa計3種工況。試驗時,在氣缸蓋上布置了40個應(yīng)力測點,大部分測點分布在底板燃?xì)鈧?cè),采用直角應(yīng)變花貼成。同時多個測點與16V280ZJA型柴油機(jī)氣缸蓋位置相同,以便進(jìn)行比較和校核。氣缸蓋底板應(yīng)力按平面應(yīng)力計算,即:1=E(1+1)/(1-2)2=E(2+2)/(1-2)通過氣缸蓋靜應(yīng)力試驗,結(jié)合三維有限元計算全面了解了R型氣缸蓋的應(yīng)力狀態(tài),全部測點的機(jī)械應(yīng)力均在許用范圍內(nèi)。從氣缸蓋Goodman圖中可得到,應(yīng)力幅最大測點的疲勞安全系數(shù)為5195,遠(yuǎn)高于最小安全系數(shù)的設(shè)定值,其它點實測數(shù)據(jù)更具有足夠的安全裕度。機(jī)械變形是氣缸蓋工作變形的主要部分,通常通過測試機(jī)械變形來評估氣缸蓋各部分的剛度情況。R型氣缸蓋機(jī)械變形的主要研究對象是底板的變形,我們也測量了頂板在氣缸壓力下的變形。試驗也進(jìn)行了3個工況,即氣缸蓋螺栓預(yù)緊、氣缸壓力為1315MPa和1515MPa的加載工況。試驗中反復(fù)多次測量底板和頂板的變形位移值,取其平均值,并且為監(jiān)控每個工況的重復(fù)精度,同時測量了氣缸蓋螺栓的伸長量。經(jīng)過測量,氣缸蓋底板的變形情況如圖1所示。圖1氣缸蓋底板變形R型氣缸蓋的機(jī)械變形具有“桶形”變形的特點,螺栓預(yù)緊時底板向下凸起,而在1515MPa的氣缸壓力作用下,則反向上凹變形。與有限元計算結(jié)果相比,實際變形較小,且氣缸蓋的變形曲線比較平坦,整體剛度優(yōu)于理論計算的預(yù)期水平。較小的底板變形,保證了氣門與閥座圈的密封。氣缸蓋在承受機(jī)械負(fù)荷的同時又要承受熱負(fù)荷的周期循環(huán)作用。當(dāng)?shù)装寤鹆γ娴臏囟瘸^臨界值時,材料在高溫蠕變下的熱疲勞就極具破壞力。為準(zhǔn)確了解R型氣缸蓋工作狀態(tài)下火力面的真實溫度,在R16V280ZJ型柴油機(jī)上進(jìn)行了氣缸蓋溫度場的測量。試驗采用了硬度塞和熱電偶兩種測量方法。硬度塞不會破壞溫度的原始狀態(tài),適合“場”的測量,而熱電偶則便于多工況連續(xù)測量,但由于需折算到火力面,有一定的測量誤差。采用兩種方法,可以取長補(bǔ)短,提高測量準(zhǔn)確度。本次試驗實測了額定功率和排氣溫度較高的部分負(fù)荷工況。試驗中除了監(jiān)測記錄柴油機(jī)各工作參數(shù)外,還在被測氣缸蓋上安裝了兩個冷卻水溫度傳感器,檢測氣缸蓋的進(jìn)水和出水溫度。R型氣缸蓋底板的最高溫度位于兩排氣門過橋處,除個別測點外多數(shù)溫度低于300。氣缸蓋底板溫度分布較均勻,排氣門孔四周區(qū)域溫差小,有利于氣門與座之間的密封。4結(jié)論R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計能滿足柴油機(jī)總體性能的要求,尤其是進(jìn)、排氣道的設(shè)計為柴油機(jī)良好的總體性能創(chuàng)造了必要的條件。從試制情況看,氣缸蓋鑄造加工方便,工藝性能良好。2001年12月,R16V280ZJ型柴油機(jī)進(jìn)行了UIC100h工廠內(nèi)部性能試驗考核,2004年5月和2004年11月,在鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心和大連機(jī)車研究所監(jiān)督下又分別完成UIC100h性能試驗和UIC360h耐久性試驗。整個試驗期間柴油機(jī)性能良好、參數(shù)穩(wěn)定、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。氣缸蓋在運行中以及運行后的解體檢查測量中,狀態(tài)良好,探傷檢查無任何缺陷,為柴油機(jī)的進(jìn)一步強(qiáng)化打下了良好的基礎(chǔ)。從氣缸蓋的靜應(yīng)力測試、機(jī)械變形測量、溫度場試驗以及裝車的運用考核情況看,R16V280ZJ型柴油機(jī)氣缸蓋性能良好、工作可靠,安全裕度大,是一個成功的設(shè)計。02內(nèi)燃機(jī)車2005年1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.ABSTRACTSCKD8DdiesellocomotivedevelopedforPakistanRailwaysLIShun2qing(DalianLocomotiveandRollingStockCo.,Ltd.Dalian116022,China)Abstract:Theperformancecharacteristics,structureandmaintechnicalparametersofCKD8Ddiesellocomotivewerepresented.Keywords:diesellocomotive；generalarrangement；technicalparameter；development；CKD8D；exportlocomotiveQinlingGCY1000diesel2hydraulicrailcarLIWen2yong1,ZHAOLi2(1.DalianLocomotiveResearchInstitute,Dalian116021,China；2.BaojiEngineeringMachineryWorks,Baoji721003,China)Abstract:TheQinlingGCY1000diesel2hydraulicrailcarisahighpowerrailcarandismainlyusedtoconstruction,shuntingoperationandtransfer.Thegeneralarrangementoftherailcar,anditsmainparameters,perfor2mancecurvesandstructuralfeatures,werepresented.Keywords:railcar；generalarrangement；technicalparameter；performance；structure；GCY1000TestandresearchonnewgenerationelectropneumaticbrakeforlocomotiveNIWen2bo2,WANGXue2mei2,LIFu2,JINXue2yan1,CHENYong1(1.Locomotive&RollingStockInstitute,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China；2.Mech2nicalEngineeringInstitute,SouthwestJiaotongUniver2sity,Chengdu610031,China)Abstract:Theformandstructuralfeaturesofanewgenerationmicroprocesser2basedbrakecontrolsystemforlo2comotiveweredescribed.Onthebasisofdesignschemeofanewgenerationbrakeforlocomotive,astationarytestoftrainconsisthasbeencarriedoutinlaboratory.Thetestresultsshowedthattheperformancesofthissystemhasmetthede2signrequirements.Keywords:locomotivebrake；electropneumaticbrake；microprocessorcontrol；testandresearchEffectofsuspensionmethodofaxle2hungtractionmotorontheridingstabilityoflocomotiveMAWei2hua,LUOShi2hui(ResearchInstituteofRailVehicles,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Theconnectionmethodsbetweenthesus2penderandbogieframehavemucheffectontheridingstabili2tyof