王景，劉志剛

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000)

1 氣門盤部變形失效特征分析

氣門是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的重要元件，工作環(huán)境十分惡劣，除了受到汽缸內(nèi)高溫高壓燃?xì)獾淖饔猛猓€受到有害氣體的腐蝕，因此常常發(fā)生失效[1]。氣門失效形式多樣化，而氣門盤部翹曲變形是其中比較重要的失效形式之一。導(dǎo)致氣門盤部變形失效的原因很多，可以歸納為以下幾點(diǎn)：1) 氣門材料，氣門在工作時(shí)受到的載荷超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)引起變形；2) 熱載荷過(guò)大，氣門的硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕等性能會(huì)隨著汽缸內(nèi)溫度的升高而下降，從而使氣門產(chǎn)生變形失效[2]；3) 熱處理不當(dāng)，不僅不能提高材料的強(qiáng)度、耐磨性等，還會(huì)削弱材料的性質(zhì)，從而導(dǎo)致氣門變形失效[3]。

一般都認(rèn)為熱負(fù)荷、機(jī)械載荷過(guò)高是導(dǎo)致氣門變形的主要原因，而忽略氣門盤部結(jié)構(gòu)對(duì)其變形的影響，但是通過(guò)大量調(diào)查研究可知，氣門盤部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其使用壽命也有一定的影響，因此，有必要分析氣門盤部結(jié)構(gòu)對(duì)其變形的影響。

2 氣門盤部結(jié)構(gòu)特征分析

本文以工況條件惡劣的排氣門為研究對(duì)象，圖1為氣門盤部結(jié)構(gòu)圖。由圖1可知，氣門是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，B′AB結(jié)構(gòu)是氣門盤部凹槽結(jié)構(gòu)，DE為過(guò)渡圓弧，由于氣門盤部容易產(chǎn)生變形失效，過(guò)渡圓弧容易產(chǎn)生斷裂失效，所以本文研究這兩個(gè)結(jié)構(gòu)處的變形。

圖1 氣門盤部結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)查閱文獻(xiàn)和結(jié)合實(shí)踐可知，氣門的盤部外徑d一般取25～50mm，氣門盤部厚度h=(0.1～0.12)d，弧高H≤1.5h，凹槽對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)L≤1/3d[4-5]。基于此，建立了表1所示氣門盤部結(jié)構(gòu)識(shí)別圖。

表1 氣門盤部結(jié)構(gòu)識(shí)別圖 mm

3 氣門盤部熱-應(yīng)力耦合分析

3.1 建模和網(wǎng)格劃分

采用ANSYS二次開(kāi)發(fā)功能APDL對(duì)氣門進(jìn)行建模，采用精度為6的自由劃分方式對(duì)氣門進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6]。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3.2 施加載荷與邊界條件

1) 確定氣門材料參數(shù)

本文所選氣門為某型號(hào)排氣門，材料為21-4N鋼，該材料相關(guān)參數(shù)為：彈性模量210 GPa，密度7 833 kg/m3，泊松比0.3，比熱448 J/(kg·K)，熱傳導(dǎo)系數(shù)25.96[7]。

2) 確定邊界條件

文中選擇1/4個(gè)氣門進(jìn)行分析，因此需在對(duì)稱面對(duì)其施加對(duì)稱約束；氣門落座時(shí)，由于受到氣門座圈的落座沖擊，因此需要在氣門盤部錐面對(duì)其施加y方向約束；氣門鎖夾槽曲面會(huì)受到氣門彈簧座對(duì)其x、z方向的約束[8]。

氣門工作時(shí)，表面各部分溫度不相同，結(jié)合實(shí)踐，對(duì)其施加如圖3所示非線性溫度載荷。

圖3 氣門表面非線性溫度載荷

3) 確定工況條件

結(jié)合氣門工作時(shí)具體情況，氣門鎖夾槽曲面受到預(yù)緊力作用，取為P1=430/4N；氣門落座時(shí)受到落座沖擊力，取為P2=4 779.007 8/4N；氣門關(guān)閉時(shí)，受到汽缸內(nèi)部壓力，取為P3=11 MPa。

3.3 氣門盤部熱-應(yīng)力耦合分析

首先對(duì)氣門進(jìn)行熱分析，然后刪除實(shí)體模型上的熱載荷，將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，再對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[9]。

4 氣門變形計(jì)算結(jié)果與分析

如圖4為氣門盤部變形結(jié)構(gòu)圖，圖中虛線為變形前結(jié)構(gòu)，實(shí)線為變形后結(jié)構(gòu)。由圖可知：氣門工作時(shí)，由于受到外界載荷的作用，氣門結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)處變形不一樣，因此需對(duì)其變形規(guī)律進(jìn)行研究[10]。

圖4 氣門盤部變形圖

4.1 氣門盤部凹槽位置變形研究

圖5-圖8為氣門盤部凹槽位置變形隨凹槽結(jié)構(gòu)特征變化規(guī)律。由圖可知，平底結(jié)構(gòu)時(shí)，沿著徑向尺寸，變形越來(lái)越大，這也是氣門盤部容易產(chǎn)生變形失效的原因；而有凹槽結(jié)構(gòu)時(shí)，氣門盤部中心變形隨著氣門盤部凹槽尺寸的增大而增大，而凹槽邊緣的變形比平底結(jié)構(gòu)相同位置的變形要小。凹槽尺寸適中時(shí)(R=10.5～12、H=1～2、L=10～14)氣門盤部凹槽位置整體變形不大，而且變形比較平緩；凹槽尺寸比較大時(shí)(R>12、H>2、L>14)，氣門盤部凹槽變形隨著徑向尺寸的增大而減小，在凹槽邊緣位置變形達(dá)到最小。

圖5 氣門盤部隨R變形曲線

圖6 氣門盤部隨H變形曲線

圖7 氣門盤部隨H變形曲線

圖8 氣門盤部隨R和L變形曲線

4.2 氣門過(guò)渡圓弧位置變形研究

圖9-圖12為氣門過(guò)渡圓弧位置變形隨著凹槽結(jié)構(gòu)特征變化規(guī)律。由圖可知，隨著凹槽尺寸的增大，氣門過(guò)渡圓弧位置變形也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這是由于凹槽尺寸越大，氣門盤部結(jié)構(gòu)越薄，所以會(huì)導(dǎo)致過(guò)渡圓弧位置變形增大。

圖9 氣門過(guò)渡圓弧隨R變形曲線

圖10 氣門過(guò)渡圓弧隨H變形曲線

圖11 氣門過(guò)渡圓弧隨H變形曲線

圖12 氣門過(guò)渡圓弧隨R和L變形曲線

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)氣門盤部凹槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立氣門盤部結(jié)構(gòu)識(shí)別圖，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合分析，研究了氣門盤部凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)其凹槽結(jié)構(gòu)和過(guò)渡圓弧位置變形的影響。研究表明：

1) 氣門盤部凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)氣門盤部變形影響較大，氣門盤部中心的變形隨著R、H、L的增大而增大；有凹槽結(jié)構(gòu)時(shí)，凹槽邊緣的變形比平底結(jié)構(gòu)時(shí)相同位置的變形要小。凹槽結(jié)構(gòu)適中(R=10.5～12、H=1～2、L=10～14)時(shí)，隨著徑向尺寸的增大，凹槽位置變形均比較平緩，凹槽結(jié)構(gòu)較大(R>12、H>2、L>14)時(shí)，凹槽位置變形隨著徑向尺寸的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

2) 過(guò)渡圓弧位置的變形隨著凹槽尺寸的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

綜上所述，氣門盤部設(shè)置凹槽結(jié)構(gòu)，不僅能減輕氣門的重量，還能適當(dāng)?shù)馗淖儦忾T盤部變形情況。該分析結(jié)果為氣門進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。