设计综述某柴油机机械泵高压油管数值模态分析.doc

汽车工程系
湖北汽车工业学院

HUBEI UNIVERSITY OF AUTOMOTIVE TECHNOLOGY

毕 业 设 计 论 文 综 述

综述题目
某柴油机机械泵高压油管数值模态分析

班号
KT843-3
专业
车辆工程
学号
2008K430301
学生姓名
房中华
指导教师
张继伟

10

湖北汽车工业学院毕业设计论文综述
喷油泵高压油管是柴油机嫩油系统高压油路的重要组成部分。高压油管通过压力波的形式将柴油以一定的压力和速度输送到喷油器，所以对嫩油喷射特性有着不可忽视的影响。由于高压油管有一定的弹性变形，所以其长度和内径直接影响柴油的喷射过程，从而影响了柴油机的工作为达到然油系统的工作性能，对高压油管提出如下要求。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
a.高压油管内径应尽可能小，以减小高压容积；
b.刚度大、强度高，坑变形和承受能力强；
c.长度尽可能短，以提高防振性能；
d.多缸发动机各缸油管要求长度一致，以达到各缸喷油延迟时间也一致，油管转折处弯曲半径不得小于油管外径的6倍；聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
e.油管的长度和内径对喷油均匀性及喷油始点均有直接影响，所以要求按流2进行分组，同一台发动机上必须配用同一组的油管。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
一、国内外现状
为了保持柴油机作为交通领域主要动力的地位，满足其高速、轻型、大功率的发展要求，并面对世界各国日益严格的排放法规，必须进一步改善其燃烧特性，提高供油压力近年来，柴油机厂大多采用了高泵端压力的喷油泵，加剧了机体振动，供油系高压油管在使用中要承受更高的泵端喷射压力，事故率上升明显，给柴油机厂和用户带来了极大的损失。本文结合现阶段柴油机装配大马力喷油泵而造成的高压油管故障率上升的实际，以某型号六缸柴油机为研究对象，对其故障件进行统计，并结合疲劳理论进行分析，确定了易受损的危险部位将局部应力、应变实验测量法应用到高压油管危险部位的测量中，对危险部位的因受周期性外力而产生的应变的大小、应变变化的频率和振幅进行测量，为分析疲劳破坏提供了必要的数据支持，并为改进提供了理想的检验标准通过疲劳理论和流体力学理论对其工作状况和破坏机理进行分析，在国标的基础上，结合柴油机厂的生产实际，制定了厂内部的高压油管设计规范，为油管的设计提供了依据结合有限元分析方法，建立柴油机高压油管-管夹模型，对其工作规律和工作模态进行了研究，得出了油管的动态特征信息，为设计及优化提供了有效地参考数据结合模态分析理论，提出了改进管形、管夹的设计方案，并利用有限元分析方法，指导高压油管的改进，改进结果经实验验证和产品信息反馈，降低了高压油管的应变，提高了高压油管的整体抗疲劳性能，进而提高了高压油管的整体可靠性，对于解决实际问题缩短各机型油管试验分析具有很好的指导意义[1]。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
二、综合分析
2.1、柴油机高压油管用材料
德国和日本等国相继开发了适用于各强度等级的高压油管材料，并研发出提升燃油管耐压性能的各种工艺。
高压油管属于典型的承受内高压的单层厚壁管材，内孔油压在燃油管截面上形成的应力沿管壁厚度分布并不均匀，管壁内表面上的周向（切向）应力、径向应力均处于峰值水平。因此，起源于燃油管内孔表面的纵向开裂是高压油管可能的主要失效形式。一直以来，主要有两条技术路线来提升高压油管的承压能力：一是开发高强度等级的材料；二是开发减小或消除高压油管内表面缺陷的工艺方法。一方面，高压油管冷镦、冷弯成形工艺性能和油管接头的锥面或球面刚性密封形式限制了高压油管材料强度的提高；另一方面，冷拔成形的高压油管容易在内孔形成纵向裂纹、划痕、发纹等缺陷。因为细长孔的限制，这些缺陷难以在燃油管成形后除去，因而大幅度降低了高压油管的承压能力。因此，如何改善高压油管材料的内壁表面质量或者减少其影响，成为各高压油管材料生产商和高压油管零件生产商最重要的技术秘密。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
2.1.1、高压油管材料的高强度化趋势
高压油管管材普遍采用适宜冷拔成形的低碳、低合金管线钢生产，通过冷拔强化和后续适当的热处理来保证管材获得适当的强度和塑性。按照其所处的工艺状态，分为冷拔态（BK）、冷拔去应力退火态（BKS）、冷拔正火态（NBK）、冷拔退火态（GBK）。目前，欧洲各国普遍引用的ISO8535—1《柴油发动机-高压燃油喷射管用钢管 第一部分：冷拔无缝单壁钢管要求》标准中规定了3个强度等级的高压油管材料。这3种材料制成的高压油管仅适用于1600×105Pa以下的工作压力[2]。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
2.1.2、改善高压油管内孔表面质量的特殊工艺
影响高压油管使用寿命的另一个重要因素是油管内表面缺陷的数量和深度。由于高压油管在冷拔加工过程中，内表面不可避免产生微裂纹，当柴油机工作时，微裂纹继续扩展导致早期失效。在最新发布的ISO8535—1《柴油发动机-高压燃油喷射管用钢管第一部分：冷拔无缝单壁钢管要求》标准中对燃油喷射管内表面缺陷按数量和深度进行了分级，并在2006年发布的标准基础之上增加了O级，进一步提高了对燃油管表面质量的要求，不过目前O级表面质量要求基本没有生产厂家能够达到。通过各种机械或化学处理方法能够有效地减少缺陷。例如，德国P+P精密钢管厂就是在Q级管材的基础之上进行额外的化学处理达到P级水平，但是化学处理方法制造成本很高，从经济性角度考虑不是最好的选择。因此，内壁强化工艺是目前普遍采用的高压油管内表面处理方法。该方法是通过优化管材表面应力的分布，产生内压外拉的应力状态，可有效减缓裂纹扩展速度，不仅能够提高燃油管的耐压能力，同时可以减少疲劳试验中的数据分散性。德国Mannesmann Prazisrohr有限公司在开发CRG-800材料的过程中，对两种优化表面状态的工艺进行了试验对比。一种是管材经冷拔后采用化学处理方法，使表面质量达到P级，另一种是管材冷拔后达到Q级表面质量[3]。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
2.1.3、内壁强化工艺简介
内壁强化工艺是在高压油管的制造过程中，通过在燃油管内壁施加超高的压力，使高压油管内壁屈服，产生塑性变形，然后卸除压力。由于高压油管外层材料的弹性收缩，使已经塑性变形的内层材料受到外层的弹性压缩而产生压缩应力，高压油管内壁虽然发生塑性变形，但高压油管工作时仍然是处于弹性范围内，从而提高高压油管的弹性工作范围[3]。内壁强化一般是在燃油管冷弯成形工序之后进行。目前，国内使用的内壁强化设备和工装都是从国外引进，主要控制参数是强化压力和时间。国外对于强化压力的设定一般是材料爆破压力的75%—80%。如德国P+P精密钢管厂强化压力的经验公式是：强化压力=0.85×安全系数×爆破压力（安全系数取0.9）=0.765×爆破压力。对于强化时间，关键是控制从打压开始至达到规定压力值所用的时间，达到规定压力后其保压时间的长短对性能的影响不是很大。德国MannesmannPrazisrohr有限公司和Salzgitter Mannesmann研究所合作开发了一种模拟软件，通过输入燃油管的尺寸和材料信息得到最优化的强化压力，该软件可应用于各种高压油管的工艺控制[4]。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
2.2、高压油管断裂失效分析
采用宏观形貌分析、化学成分分析、金相显微组织分析、力学性能测试、SEM微观形貌分析等手段，对321不锈钢高压油管的断裂原因进行了分析。结果表明，该高压油管断裂属于轴向交变应力作用下的疲劳断裂，粗管段焊接后热处理工艺不良是造成高压油管发生疲劳断裂的主要原因[5]。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
2.2.1、实验方法
对发生断裂的高压油管线切割取样，用宏观观察检测断口表面，用直读光谱仪检测了高压油管的化学元素组成，用金相显微镜研究了高压油管焊缝的微观组织，用WDW电子万能力学试验机研究了断裂的高压油管的力学性能，用SEM研究了断裂的高压油管断面的微观形貌。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
2.2.2、实验分析
1、高压油管材料成分分析
化学成分分析结果。可知油管材料为321不锈钢。成分分析结果中硫元素和磷元素含量偏高是由于油管中介质抗燃油中含有的阻燃剂所致。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
2、高压油管力学性能测试
由于粗管段材料太短不能做拉伸试验，对高压油管细管段材料进行拉伸性能测试。可以看出，高压油管细管段材料的抗拉强度和伸长率都满足ASTM标准[4]规定的321不锈钢力学性能的标准要求。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
3、高压油管微观断口形貌分析
高压油管微观断口形貌可以看出，微观断口表面分为三个明显不同的区域，在疲劳断裂区可以明显看到疲劳辉纹，从疲劳辉纹的间距可以判断出该高压油管断裂为高周疲劳断裂[6]，从扩展区的扫描电镜照片上可以看到一定的韧性撕裂棱，最后的瞬断区可以看到韧窝，说明该冲击断口微观形貌为典型的准解理断口，断裂晶粒内部可见河流花样， 而断裂晶粒边缘存在部分韧性撕裂痕迹。实际断口的微观形貌可看出，实际断口表面覆盖大量腐蚀产物，腐蚀产物呈现球形，虽然由于腐蚀产物的覆盖难以判断断口微观形貌特征，但在高倍条件下仍然可以观察到断口的脆性特征。对弹簧断口腐蚀产物进行EDS 成分分析，结果表明，断口表面腐蚀产物主要由碳、氧、硫和铁等元素组成，碳元素和硫元素可能主要来源于润滑油，主要腐蚀产物为氧化铁(铁锈)。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
2.3、基于ANSYS的高压油管静力分析
随着柴油机功率的不断强化和提升以及对柴油机排放提出更高的要求，各柴油机生产厂家都将持续对柴油机进行改进和强化，以不断提高柴油机的性能。柴油机高压喷射技术是解决柴油燃烧提高燃油经济性很重要的一环。在柴油机高压喷射技术中，高压油管在工作状态下由于承受120～180MPa的高压，因此需对柴油机高压油管进行有限元的应力、应变分析，找到避免高压油管在工作状态下出现破裂的原因，然后设计对高压油管进行改善化，以提高高压油管的的可靠性和使用寿命。本文主要在ANSYS软件中对柴油机高压油管进行了建模分析，并比较了两种不同型号的高压油管在同一高压下的应力、应变的情况，为我们在高压油管的选择提出了一些建议。柴油机喷射技术的发展及现状柴油机喷射技术在其发展过程中经历了3次飞跃：第一次飞跃是20世纪20年代开发的机械泵式燃油喷射技术；第二次飞跃是20世纪50年代发展起来的增压技术；第三次飞跃则是20世纪70年代以来一直蓬勃发展的电控技术。这三次飞跃，使柴油机燃油喷射技术经历了从自然吸气式与非直喷结合的发动机和用于卡车的直喷发动机到100％直喷与电控结合的轿车柴油发动机的转变，已经使现代柴油机进入高新技术产品领域。同时共轨喷射系统以其高度的控制灵活性，已成为降低柴油机排放的主要新技术之一。目前柴油机电控喷射技术主要趋势是集中在电控高压喷油系统上，下面对目前几种主要的高压喷油系统的进行了对比汇总。可以看出：电控高压共轨式喷油系统的性能最佳，SSI—2 系统与HEUI系统的技术指标次之，而SSI—1系统居第4位。尽管目前电控泵一喷嘴式高压喷油系统和电控单体泵式高压喷油系统就其应用数量和应用场合而言，可能要占一定的优势，但从长远发展来看电控高压共轨式喷油系统将成为柴油机喷射技术的主流[7]。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
2.3.1、柴油机高压油管的建模
1、高压油管建模参数设置
本文选取的两个型号的高压油管分别为：（1）d0＝6±0．01mm，d＝2±0．025mm；（2）d0＝8mm±0．01，d＝3±0．025mm，油管长L＝600mm。由于高压油管内表面承受120～180MPa，甚至更高的压力，目前最高能达到200MPa。因此本文将油压设置为180 MPa，油管材料选择：弹性模量E＝206GPa，泊松比v＝0．3。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
2、高压油管的建模分析
由于油管沿长度方向的尺寸远大于油管的直径，在进行计算时可忽略油管的断面效应，认为在其长度方向无应变产生，即可将高压油管的应力、应变问题简化为平面应变问题，取油管横截面进行建模[8]。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
3、在ANSYS软件中建模
根据以上选定的两种高压油管尺寸在ansys中分别建模并划分网格。
2.3.2、模型求解并分析结果
在完成建模后对模型进行加载，并限制模型的自由度，然后进行运算求解得到两种尺寸的油管的各自应力、应变情况[9]。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
2.3.3、柴油机高压油管的模态分析
柴油机喷油泵高压油管是柴油机燃油系统高压油路的重要组成部分，其主要失效形式是由于谐振产生疲劳裂纹而最终导致的破坏。对某柴油机高压油管进行了三维布置设计；并对高压油管进行了模态分析，比较了高压油管无管夹固定与管夹固定两种情况下前5 阶模态频率以及振形。分析结果表明，增加固定管夹可以明显提高高压油管的固有频率，能有效延长高压油管的寿命，并得到发动机台架试验的佐证。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
随着内燃机朝着高速、轻型、大功率方向发展，供油系统压力随之提高，供油系统承压零部件的工作可靠性，也越来越引起人们的关注。柴油机喷油泵高压油管是柴油机燃油系统高压油路的重要组成部分。高压油管通过压力波的形式将燃油以一定的压力和速度输送到喷油器，对燃油喷射特性有着不可忽视的影响[10]。高压油管在发动机运转时，在自身振动或高压燃油的高频脉冲作用下，当管路的自振频率接近发动机的工作频率时，极易发生谐振从而导致疲劳断裂，使高压油管开裂漏油。因此，在进行高压油管设计时应尽量避免出现谐振现象。内燃机高压油管的三维设计往往是在发动机整个机体设计、装配完成之后进行的，其空间布置时主要与喷油泵、喷油嘴的安装位置有关，不能与进气管、缸盖、缸体等零件碰撞和干涉，并保持一定的间隙要求。由于高压油管工作环境及空间结构的特殊性， 研究其三维布置设计方法以及模态性能，对提高高压油管的设计质量并缩短开发周期具有重要的意义[11]。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
根据故障件统计，绝大多数故障发生在第1、6缸高压油管，即六缸柴油机高压油管的最外侧的油管，主要形式为靠近油泵或汽缸端第一个弯头处横向裂纹断裂，其中靠近喷油泵端的占70%以上。主要原因在于高压油管的自振频率与发动机工作频率不匹配，在外界的激振力作用下，会产生共振现象，从已有的经验来看，管路产生较大的振动和噪声的原因中主要是管路出现了谐振。研究的发动机最大转速为2860r·min-1。喷油泵的泵腔油压是脉冲载荷，故喷油泵的激振力也是脉冲性质的。其振动频率为：驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
fk=ni
60t*k*Hz*k=1，2，……，n
式中：k—谐波次数；n—发动机曲轴转速r·min-1；i—汽缸数；t—冲程系数，二冲程发动机t为1，四冲程发动机t为2。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
高压油管嘴端的振动基频主要由整机振动、喷油脉冲及缸盖上的振动引起。该发动机为直列四冲程六缸发动机，曲轴最高转速2860r·min-1，通过计算得到该发动机喷油泵一阶最大振动频率f1为143 Hz，发动机的工作频率（主激振频率）范围在40~143Hz之间。根据发动机厂对自振频率的设计目标，六缸发动机高压油管一阶自振频率应大于等于喷油泵一阶最大振动频率的2倍（即286Hz）。依据高压油管的结构建立有限元模型，计算各缸高压油管的固有频率[12]。考虑到紧固螺母、护套等对模态的影响较小，因此模型只包括高压油管本身，在油管的两端进行全约束。利用CATIA V5对油管分别进行了无管夹固定、有管夹固定2种模态分析，各缸高压油管前5阶频率见表1，高压油管模态振形均为弯曲。图3为管6在无管夹固定情况下，前2阶模态振形。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
表1 各缸高压油管前5阶频率

a 一阶振动

b 二阶振动
管6前2阶模态振形由表1可知，在高压油管无管夹固定时，各缸高压油管的一阶频率相对比较低都在120~160Hz之间，低于286Hz（喷油泵一阶最大振动频率的2倍）。因此在无管夹固定时，当机体振动或者转速变化时，各缸油管在工作时可能会交替发生共振。当高压油管使用相应的管夹进行固定时，由表1可以清楚的发现，各缸高压油管的一阶频率都在320Hz以上，相对比较高，高压油管工作时不容易发生共振。第5缸油管在增加管夹约束后其一阶固有频率从126.09Hz提高到1056.8Hz[13]。因此，增加管夹可以明显提高高压油管的固有频率，寿命也明显会变长；同样也会提升燃油的利用率，让燃油的喷射更完全，让发动机的工作更加理想，对节约燃油也有一定的功效。研究对象原设计中，第5、6缸下端无安装支架，在发动机1000h台架锯齿可靠性试验中，第5缸高压油管在468h发生第一次断裂（在油泵出油口处），在更换油管后的进一步试验中仍然出现多次断裂。随后对高压油管的总成做了更改设计，在第5、6缸高压油管下端增加1个固定支架，在进行发动机500h锯齿台架可靠性试验和500h台架磨损可靠性试验中，高压油管运转正常无故障[14]。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
三、结论
确定易受损的危险部位将局部应力、应变实验测量法应用到高压油管危险部位的测量中，对危险部位的因受周期性外力而产生的应变的大小、应变变化的频率和振幅进行测量，为分析疲劳破坏提供了必要的数据支持，并为改进提供了理想的检验标准通过疲劳理论和流体力学理论对其工作状况和破坏机理，保证高压油管的质量。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
并通过在ANSYS中建立高压油管的简化模型，对高压油管在承受高的油压工作状态下的应力、应变进行了分析，并简单对比分析了油管实际参数对应力、应变的影响。针对一特定发动机的工作特点，再结合管路设计的要求，在CATIA V5中对高压油管进行三维布置和结构设计，并对高压油管总成进行了无管夹和管夹固定2种情况下的模态分析。可知，在无管夹固定情况下，高压油管的一阶频率较低，容易产生共振；在管夹固定模态下，高压油管得到较大的提高，远大于发动机最大频率，共振的可能性则普遍下降。因此，在管夹固定下的高压油管性能会更加稳定，该结论也得到该发动机台架试验的佐证。三维CAD/CAE的集成应用已改变传统的内燃机设计流程，并成为新产品开发、创新的必由之路。本文中的发动机高压油管总成三维设计与模态分析均在同一软件平台（CATIA V5）下完成，可以在设计阶段即可发现设计缺陷与不足，不仅方便设计变更，同时可以获得更佳的性能。注意的准则。利用ANSYS/LS-DYNA软件计算了一对渐开线直齿齿轮在啮合过程中应力的变化规律，对渐开线直齿圆柱齿轮动态仿真结果作了详细分析，探讨了齿轮传动中冲击载荷的影响，结果表明，在接触的初始时刻， 由于冲击造成的应力值较大，在齿轮设计过程中需要考虑冲击载荷。在分析过程中涉及接触参数的选择，如果能够借助于实验结果得到修正，其分析结果则更加准确。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
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