某型鉆井柴油機(jī)氣缸蓋有限元計(jì)算

宮慧君，龐志偉，王 娟，程國(guó)鋒

（1.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安710018；2.勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司，山東東營(yíng)257000；3.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶監(jiān)督公司，西安710018）①

某型鉆井柴油機(jī)氣缸蓋有限元計(jì)算

宮慧君1，龐志偉2，王 娟2，程國(guó)鋒3

（1.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安710018；2.勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司，山東東營(yíng)257000；3.川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶監(jiān)督公司，西安710018）①

鉆井柴油機(jī)的可靠性對(duì)鉆井作業(yè)的安全、效益有重要影響。為了分析氣缸蓋的應(yīng)力和變形，利用Pro／E Wildfire 3.0及W orkBench 11.0軟件建立有限元模型，在122 k N的螺栓預(yù)緊力條件下，施加13 M Pa的爆發(fā)壓力。分析結(jié)果證明：某型鉆井柴油機(jī)氣缸蓋的最大主應(yīng)力值小于材料的強(qiáng)度極限，最大變形位移量為120μm，滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井使用要求。

柴油機(jī)；氣缸蓋；有限元分析

鉆井作業(yè)的工況比較惡劣，有的甚至在沙漠中作業(yè)，對(duì)柴油機(jī)的可靠性提出了更高的要求。文獻(xiàn)［1］針對(duì)柴油機(jī)曲軸的強(qiáng)度，采用多體接觸模型進(jìn)行三維有限元分析，為曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。但是，未能反映曲軸受力對(duì)氣缸蓋的影響。文獻(xiàn)［2］對(duì)柴油機(jī)氣缸蓋和氣缸墊組合進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)金屬氣缸墊提供理論依據(jù)。但是，同樣未對(duì)氣缸蓋受力進(jìn)行分析研究。文獻(xiàn)［3］對(duì)氣缸蓋進(jìn)行了熱-流-固耦合分析。氣缸蓋是柴油機(jī)承受載荷最大的零件之一，受機(jī)械載荷及熱載荷的雙重作用，剖析氣缸蓋受力情況對(duì)柴油機(jī)可靠性至關(guān)重要。本文利用Pro／E Wildfire 3.0及W orkBench 11.0軟件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)某型鉆井柴油機(jī)氣缸蓋受力狀況的質(zhì)疑問題，模擬受力狀況，建立有限元模型，在預(yù)緊狀態(tài)下對(duì)氣缸蓋施加13 M Pa的爆發(fā)壓力，進(jìn)行氣缸蓋的受力、應(yīng)變分析。

1 建立模型

1.1 幾何模型及簡(jiǎn)化［4］

本次計(jì)算取1個(gè)氣缸蓋模型作為研究對(duì)象，考慮到約束邊界條件的設(shè)置問題，匹配了機(jī)體、氣缸套、氣缸墊、缸蓋螺栓等相關(guān)模型，裝配建立為組合模型。考慮計(jì)算時(shí)間、計(jì)算精度及結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，機(jī)體取1個(gè)整缸和2個(gè)半缸的剖分結(jié)構(gòu)。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量、提高計(jì)算精度，對(duì)各零件模型都進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化內(nèi)容為：

1） 對(duì)氣缸蓋上沉孔、邊長(zhǎng)小于2 m m倒角等特征進(jìn)行了刪除簡(jiǎn)化。

2） 對(duì)整個(gè)機(jī)體剛度影響不大的小特征進(jìn)行了刪除簡(jiǎn)化。例如機(jī)體上沉孔、油孔、安裝小凸臺(tái)和部分圓角、倒角等。

3） 缸套與機(jī)體頂面相接觸的區(qū)域，采用缸套與機(jī)體共用一面的方法來(lái)減小計(jì)算規(guī)模、減小非線性收斂難度。

4） 建立螺栓的簡(jiǎn)化模型。

簡(jiǎn)化后氣缸蓋的幾何模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化后氣缸蓋的幾何模型

1.2 材料屬性

組合模型各零件材料及材料的物理特性參數(shù)如表1。氣缸蓋材料皆為合金鑄鐵，其抗拉強(qiáng)度≥300 M Pa，其抗壓強(qiáng)度一般為抗拉強(qiáng)度的3～5倍。

表1 各零件材料的物理特性參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

本計(jì)算用有限元法對(duì)不同網(wǎng)格剖分進(jìn)行反復(fù)試算，最終確定如圖2～3所示的氣缸蓋模型網(wǎng)格，其中氣缸蓋、氣門座圈、氣缸墊、螺栓單元格長(zhǎng)度控制為5 m m，機(jī)體、氣缸套單元格長(zhǎng)度略長(zhǎng)，為15 m m，并對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域等細(xì)節(jié)區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。

圖2 氣缸蓋模型網(wǎng)格

圖3 氣缸蓋組合模型網(wǎng)格

1.4 邊界條件

在機(jī)體的前、后斷面施加垂直于截?cái)嗝娣较虻膶?duì)稱約束，并給機(jī)體底面1個(gè)固定約束，如圖4所示。

圖4 邊界約束

對(duì)于由機(jī)體、缸套、氣缸墊、氣缸蓋和緊固螺栓組成的研究組合結(jié)構(gòu)，在氣缸墊與氣缸蓋、緊固螺栓與氣缸蓋、氣門座圈與氣缸蓋、螺栓螺紋與機(jī)體連接處建立了接觸關(guān)系。其中氣缸墊與氣缸蓋、氣門座圈與氣缸蓋間建立標(biāo)準(zhǔn)接觸關(guān)系，計(jì)算程序?qū)⒏鶕?jù)接觸狀態(tài)對(duì)接觸面上建立的接觸單元自動(dòng)完成作用力的傳遞，完成接觸模擬；緊固螺栓與氣缸蓋、缸套與氣缸墊、螺栓螺紋與機(jī)體連接處建立綁定接觸關(guān)系。

1.5 載荷施加

某型鉆井柴油機(jī)氣缸蓋的受力分為爆發(fā)壓力和螺栓的預(yù)緊力2種。在預(yù)緊工況下，施加122 k N的螺栓預(yù)緊力。在爆發(fā)工況下，將13 M Pa的爆發(fā)壓力按均布面力施加到氣缸蓋有限元模型的火力面上。另外，將按照面積比把作用在氣門上的燃?xì)鈮毫Q算到氣門座圈的承力斜面上，也按均布面力加載，進(jìn)、排氣門座圈的承力斜面均按106.8M Pa計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 位移

氣缸蓋的爆發(fā)工況最為惡劣，其中的火力面承受很大的氣體壓力，在高溫下氣體壓力使得火力面的變形位移尤為突出。因此，火力面法向變形是重要的驗(yàn)算數(shù)值。該氣缸蓋火力面剛度計(jì)算結(jié)果如圖5。氣缸蓋火力面法向變形數(shù)據(jù)如表2。由圖5和表2知，該氣缸蓋火力面法向變形均是由中心區(qū)域a向邊沿區(qū)域e逐漸減小，和實(shí)際工況變形趨勢(shì)一致。最大變形位移量為120μm。

圖5 氣缸蓋火力面法向變形

表2 氣缸蓋火力面法向變形μm

2.2 應(yīng)力

氣缸蓋材料為鑄鐵，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)主要是校核其拉應(yīng)力的分布，即最大主應(yīng)力的分布。載荷條件是最惡劣工況，即13 M Pa的爆發(fā)壓力。經(jīng)過軟件分析，該機(jī)組氣缸蓋最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6～7。最大主應(yīng)力數(shù)值如表3。通過分析在爆發(fā)工況下高應(yīng)力區(qū)最大主應(yīng)力值的變化情況，可以看出，在4個(gè)重要區(qū)域內(nèi)，氣道與主要承力部位螺栓之間應(yīng)力值較高；該缸蓋的最大主應(yīng)力最大值小于材料的強(qiáng)度極限，可以滿足使用要求。

圖6 缸蓋頂面最大主應(yīng)力

圖7 缸蓋底面最大主應(yīng)力

表3 氣缸蓋區(qū)域主應(yīng)力M Pa

3 結(jié)論

1） 鉆井柴油機(jī)的可靠性對(duì)鉆井作業(yè)的安全、效率、效益等有重要影響。氣缸蓋是重要零件之一，受到工作載荷和熱應(yīng)力的雙重作用，工況更惡劣。有必要進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)提供理論參考。

2） 利用Pro／EWildfire 3.0及W orkBench 11.0軟件建立氣缸蓋的有限元模型，在13 M Pa壓力的爆發(fā)工況下分析氣缸蓋的應(yīng)力、位移。該氣缸蓋不存在裂紋、漏水、燒蝕等問題。即使在最惡劣的工況下，仍然具有充足的強(qiáng)度余量。所以，該柴油機(jī)的氣缸蓋可以滿足鉆井要求。

3） 下一步工作將對(duì)該氣缸蓋繼續(xù)進(jìn)行分析，探討其溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)對(duì)該氣缸蓋的影響。

［1］ 張勇，張有，陳國(guó)華，等.車用柴油機(jī)汽缸蓋的三維有限元結(jié)構(gòu)分析［J］.車用柴油機(jī)，1998（5）：18-21.

［2］ 史彥敏，李衛(wèi)民.汽車柴油機(jī)氣缸蓋與氣缸墊組合結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2009（2）：23-29.

［3］ 徐聰聰．柴油機(jī)氣缸蓋熱-流-固多場(chǎng)耦合仿真研究［D］.太原：中北大學(xué)，2011.

［4］ 陳云龍.F-1600 H型高壓泥漿泵L型液缸有限元分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（1）：42-46.

Finite Element Calculations of Cylinder Head on Some Drilling Diesel Engine

G O N G H ui-jun1，P A N G Zhi-wei2，W A N G Juan2，C H E N G G uo-feng3
（1．C C D C Changqing General Drilling Com pany，Xi’an710018，China；2．Shengli Oilfield Shengli Power M achinery Group Com pany Ltd．，Dongying257000，China；3．C C D C Changqing Supervision Com pany，Xi’an710018，China）

T he reliability of drilling diesel engine has a significant im pact on the security and efficiency of drilling operation.In order to analyze the stress and deformation of the cylinder head，finite element m odel was established by using Pro／E Wildfire3 and W orkBench 11.0 software，and a 13 M Pa explosion pressure on the cylinder head were im posed under the 122 k N bolt pre-tightening force.A nalysis results show that：the maxim u m principal stress of cylinder head on so me type of drilling diesel engine is lower than the strength limit of material，the maxim u m displacement is 120μm.The above results meet with the drilling requirements.

diesel engine；cylinder head；finite element analysis

T E924

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.022

1001-3482（2014）08-0095-03

2014-02-10

宮慧君（1981-），女，山東東營(yíng)人，2003年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)，主要從事石油鉆井機(jī)械裝備的技術(shù)研究，E-mail：526165251＠qq.co m。