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共軌管內(nèi)增壓工藝及疲勞性能影響

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共軌管內(nèi)增壓工藝及疲勞性能影響

摘要:高壓共軌是未來柴油機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì),針對(duì)共軌系統(tǒng)中重要的總成之一共軌管,開展內(nèi)增壓工藝研究。通過爆破試驗(yàn)確定共軌管的平均爆破壓力為880MPa,結(jié)合有限元分析設(shè)計(jì)了不同內(nèi)增壓強(qiáng)化壓力,利用疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)定強(qiáng)化壓力的合理性,最終確定內(nèi)增壓強(qiáng)化壓力為748MPa。經(jīng)內(nèi)增壓處理后,共軌管的疲勞壽命顯著改善,在20~200MPa壓力下,疲勞壽命達(dá)1000萬次,滿足國六法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞:高壓共軌共軌管內(nèi)增壓疲勞性能

1前言

高壓共軌技術(shù)是未來柴油機(jī)發(fā)展的主流趨勢(shì)[1]。與傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)相比,高壓共軌系統(tǒng)具有更高的噴射壓力和更為柔性、精確的噴射方式[2]。隨著排放法規(guī)要求的日益嚴(yán)格,高壓共軌系統(tǒng)燃油噴射壓力將不斷提高。共軌管作為高壓共軌系統(tǒng)中的儲(chǔ)能元件[3],對(duì)噴油壓力、速率及噴油量等參數(shù)有重要影響。共軌管的作用為抑制由于高壓泵供油和噴油器噴油產(chǎn)生的壓力波動(dòng),確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。在車輛使用過程中,受啟停、怠速、重載加速等因素的影響,共軌管需承受交變載荷,根據(jù)最新的排放法規(guī)要求,共軌系統(tǒng)需承受最高200MPa以上的工作壓力。噴射壓力的提高,對(duì)共軌管承壓能力、強(qiáng)度提出了更高的要求。通常,增加容器壁厚在一定程度上可以提高容器的承載能力。但對(duì)于高壓、超高壓容器,隨著工作壓力的提高,無限增加壁厚,會(huì)使得容器壁上的應(yīng)力分布更加不均勻。而且,當(dāng)容器內(nèi)的工作壓力大于一定程度時(shí),增加壁厚并不能避免內(nèi)壁的屈服。另外,壁厚增加會(huì)增多材料的消耗,提高成本,增加質(zhì)量。因此,提高高壓及超高壓容器彈性承載能力的有效方法就是使容器內(nèi)壁產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力[4],也就是內(nèi)增壓強(qiáng)化。本文以某共軌管為研究對(duì)象,研究了共軌管的內(nèi)增壓工藝,并利用疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1共軌管爆破試驗(yàn)

將共軌管內(nèi)腔充滿介質(zhì),所有油孔封住加壓,直到軌管的某處損壞,此時(shí)的壓力即為爆破壓力。試驗(yàn)用共軌管共3根,圖1所示為共軌管實(shí)物,材料為38MnVS6。爆破后,3根共軌管的損壞位置均為進(jìn)油口處,圖2所示為共軌管損壞后的形貌。3根共軌管的爆破壓力分別為879.7MPa、889.7MPa、901.3MPa,因此共軌管的爆破壓力應(yīng)為879.7MPa。

2.2共軌管內(nèi)增壓試驗(yàn)

38MnVS6材料的屈服強(qiáng)度為660~670MPa,內(nèi)增壓工藝需要使共軌管內(nèi)壁屈服。圖3為共軌管經(jīng)660MPa強(qiáng)化后的模擬分析結(jié)果,經(jīng)有限元分析,強(qiáng)化壓力達(dá)660MPa時(shí),強(qiáng)化效果良好。對(duì)強(qiáng)化后的共軌管剖開進(jìn)行研究,共軌管內(nèi)表面及內(nèi)孔交接處未發(fā)現(xiàn)裂紋及其它破壞,共軌管的強(qiáng)化過程沒有對(duì)共軌管造成破壞。本文設(shè)計(jì)了4個(gè)強(qiáng)化壓力660MPa、704MPa、748MPa、792MPa,分別為爆破壓力的75%、80%、85%、90%。共軌管強(qiáng)化工藝流程為充液—加載—保壓—泄壓,保壓時(shí)間為3s。

2.3共軌管疲勞試驗(yàn)

為研究?jī)?nèi)增壓工藝對(duì)共軌管疲勞性能影響,對(duì)不同壓力強(qiáng)化處理后的共軌管進(jìn)行疲勞壽命的試驗(yàn)研究,以確定較為合理的強(qiáng)化工藝參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)備為P&P脈沖試驗(yàn)臺(tái)。該脈沖試驗(yàn)臺(tái)的壓力可以按照15Hz的頻率從5~450MPa交替變化。本研究的試驗(yàn)頻率為8Hz。每種應(yīng)力條件下至少采用3根共軌管進(jìn)行試驗(yàn)。未經(jīng)內(nèi)增壓處理的共軌管疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表1。未做內(nèi)增壓處理的共軌管磁粉探傷結(jié)果見圖4,裂紋見箭頭所示。不同強(qiáng)化壓力處理后,共軌管疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表2。隨強(qiáng)化壓力的提升,共軌管疲勞壽命逐漸提高,經(jīng)748MPa處理后,共軌管疲勞壽命最高,平均應(yīng)力循環(huán)數(shù)較未處理時(shí)提高約60倍。當(dāng)強(qiáng)化壓力進(jìn)一步升高至792MPa時(shí),軌管的疲勞壽命有所下降。因此,在本文設(shè)定的載荷條件下,選用748MPa為共軌管的內(nèi)增壓強(qiáng)化壓力。在20~200MPa應(yīng)力條件下,共軌管疲勞壽命達(dá)到1000萬次未開裂,滿足國六法規(guī)要求。

2.4共軌管組織硬度分析

共軌管內(nèi)壁未做內(nèi)增壓處理時(shí)的截面組織見圖5,組織為珠光體加鐵素體,距內(nèi)壁表面50~70mm處的硬度為274~283HV0.1。強(qiáng)化處理后共軌管內(nèi)壁進(jìn)油孔處所受壓力最大,內(nèi)壁進(jìn)油孔的截面組織見圖6,組織為珠光體和鐵素體,與未做處理時(shí)相比無明顯變化,未發(fā)現(xiàn)組織有畸變形態(tài),距內(nèi)壁進(jìn)油孔表面50~70mm處的硬度為293~311HV0.1。

2.5共軌管強(qiáng)化的原理分析

在共軌管的內(nèi)腔充滿介質(zhì),短時(shí)間給內(nèi)壁施加很高的壓力,使共軌管內(nèi)壁屈服,共軌管內(nèi)壁受壓應(yīng)力產(chǎn)生徑向擴(kuò)大的殘余變形,然后卸除壓力。此時(shí),由于共軌管外層材料的彈性收縮,使已經(jīng)發(fā)生塑性變形的共軌管內(nèi)層材料在彈性恢復(fù)后產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,從而獲得殘余壓應(yīng)力。共軌管內(nèi)增壓強(qiáng)化處理的最大優(yōu)點(diǎn)為內(nèi)壁所受的應(yīng)力降低并分布均勻,全部應(yīng)力維持在彈性范圍內(nèi),增加了彈性控制的范圍,提高了彈性承載能力。另外,內(nèi)壁存在壓縮殘余應(yīng)力,工作時(shí)將使內(nèi)壁平均應(yīng)力降低,疲勞強(qiáng)度顯著提高。圖7所示為共軌管強(qiáng)化的示意圖。圖8為共軌管強(qiáng)化中及強(qiáng)化后的受力情況示意圖。共軌管在實(shí)際工作中,主要的應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂紋而發(fā)生破壞。共軌管在加工過程中,內(nèi)表面也會(huì)不可避免地產(chǎn)生一定數(shù)量的微裂紋,柴油機(jī)在高頻率下工作時(shí),內(nèi)壁的微裂紋將會(huì)持續(xù)擴(kuò)展,影響疲勞壽命。經(jīng)內(nèi)增壓強(qiáng)化后,軌管內(nèi)層的殘余應(yīng)力主要為壓應(yīng)力,可以有效降低軌管工作時(shí)的所受的拉應(yīng)力,改善了軌管工作時(shí)的受力情況,并且會(huì)抑制軌管內(nèi)表面微裂紋的發(fā)展,從而提高共軌管的疲勞強(qiáng)度。

3結(jié)論

a.利用爆破試驗(yàn)得到共軌管的爆破壓力,共軌管強(qiáng)化壓力選擇為爆破壓力的75%~85%。b.選擇748MPa作為共軌管內(nèi)增壓處理的強(qiáng)化壓力,保壓時(shí)間3s。經(jīng)748MPa處理后,在(20~240)MPa應(yīng)力條件下共軌管的應(yīng)力平均循環(huán)次數(shù)較未經(jīng)處理時(shí)提高約60倍,在(20~200)MPa應(yīng)力條件下,共軌管的疲勞壽命達(dá)1000萬次不開裂。

參考文獻(xiàn):

[1]聶建軍.柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].內(nèi)燃機(jī),2009,(4):6-9.

[2]郝勝強(qiáng),上官林宏,王永利等.柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī),2014,(4):9-11.

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[4]俞建達(dá),陳永賢等.滿足200MPa壓力的共軌技術(shù)探討[J].中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒節(jié)能凈化分會(huì)2012年度學(xué)術(shù)年會(huì),2013,(3):1-5.

作者:李文平 吳欲龍 蘇曉東 單位:中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院