非道路用發(fā)動機水冷排氣管結(jié)構(gòu)裂紋研究

2020-08-02 09:14:42商崇元商崇學

中國鑄造裝備與技術 2020年4期

商崇元，商崇學

（廣西玉柴機器配件制造有限公司，廣西玉林 537005）

非道路用發(fā)動機由于使用環(huán)境的限制，基本上都是采用水冷結(jié)構(gòu)的排氣管，如船用、發(fā)電用、渦輪增壓系列。為保證冷卻效果，水冷排氣管外形都很臃腫，不利于發(fā)動機的整體安裝與布局。隨著蝸輪增壓、催化技術的不斷發(fā)展，發(fā)動機熱效率不斷提升，工作排氣溫度也越來越高，發(fā)動機排氣管逐漸成為關鍵零件。非道路用發(fā)動機脈沖水冷排氣管結(jié)構(gòu)復雜，工作條件惡劣，工作時受到長時間的熱負荷產(chǎn)生的熱應力以及工作時機械振動產(chǎn)生的機械應力都比較大，長期處于循環(huán)交變溫度，受熱不均勻的工作環(huán)境中，其質(zhì)量直接影響到發(fā)動機的使用壽命和可靠性，必須得到保障。鐵型覆砂工藝生產(chǎn)鑄件比普通鑄造更容易獲得高強度、高硬度、高致密性、高耐腐蝕性的鑄件[1]，符合發(fā)動機排氣技術對排氣管的發(fā)展需求。為了提高鑄造生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低廢品率，需研究水冷排氣管新的結(jié)構(gòu)以及鑄造采用新的工藝，并對水冷排氣管制造過程中的質(zhì)量問題進行攻關，從而徹底解決以上問題。下面我們主要結(jié)合生產(chǎn)實際，對非道路用發(fā)動機水冷排氣管鑄造生產(chǎn)及使用過程中常出現(xiàn)的裂紋問題，從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化并進行研究解析。

1 裂紋原因分析

我公司使用鐵型覆砂工藝生產(chǎn)發(fā)動機水冷排氣管近20 年，產(chǎn)品種類繁多，結(jié)構(gòu)各異，工藝也不盡相同。其中，非道路用多缸徑發(fā)動機脈沖水冷排氣管最具代表，長度900～1250mm，產(chǎn)品材質(zhì)為灰鐵250，結(jié)構(gòu)復雜，壁厚要求4～6mm，生產(chǎn)前期，氣道裂紋比例基本達到100%，前期在熔化工藝、冷卻速度和覆砂厚度上作了許多研究，都沒有得到徹底解決，裂紋比例還有30%左右。

排氣管裂紋主要出現(xiàn)在開箱后，不但能清晰的聽到氣道拉裂的聲音，同時還可以看到斷裂造成的震動，冷卻后解剖發(fā)現(xiàn)端口顏色較暗，裂口出現(xiàn)氧化變色，裂紋呈一段或多段垂直氣道方向切割氣道，裂口主要位于氣道與氣道、氣道與水道壁交接處，結(jié)合灰口鑄鐵塑性較差冷裂傾向大[2]，鐵型覆砂冷卻特點，可以確認造成裂紋的主要原因是：鑄件局部應力大于合金極限強度，外部水道壁先快速冷卻收縮，而內(nèi)部氣道冷卻受到型、芯的阻礙，后冷卻受到周邊水道極大的拉應力，這種拉應力大于鑄件本身的強度而導致拉裂[3]。

2 問題梳理

裂紋區(qū)域主要分布如圖1 所示，區(qū)域1 裂紋比例80%，該位置在兩氣道與水腔之間交接位置，設計圓角偏小，容易產(chǎn)生應力集中，開箱后受內(nèi)外溫度差的影響，容易產(chǎn)生裂紋。

圖1 裂紋主要分布區(qū)域

裂紋區(qū)域2 兩氣道口中段出現(xiàn)裂紋，說明兩進氣口之間的氣道收縮受阻，受到的拉應力較大，需要設法減少各氣道口之間的冷卻收縮產(chǎn)生的拉應力，同時需要提高氣道自身強度[4]。

3 解決思路

（1）采用增加加強筋的形式加大裂紋區(qū)域1位置的過度圓角，分散應力，提高該位置的強度，如圖2 畫圈區(qū)域。

圖2 加大裂紋區(qū)域過度圓角

（2）經(jīng)計算，水腔截面比排氣管進出水口截面大很多，考慮優(yōu)化氣道的進水和冷卻，在氣道水腔側(cè)設垂直于氣道的筋條（圖3），一是可以分散來自于氣道兩端的收縮拉應力，同時可以增加鐵水充型通道，縮短充型時間，降低澆注充型及冷卻溫度梯度，減小應力[5]。

圖3 增加直于氣道的筋條

（3）在不影響水道過流程面積的情況下在氣道外側(cè)靠水道四個面分別增加防裂筋[6]（圖4），以提高氣道受拉強度，預防裂紋。

圖4 增加防裂筋

4 改善效果

經(jīng)改善后，氣道裂紋獲得明顯改善（如表1 所示），經(jīng)過多年的生產(chǎn)驗證，氣道裂紋比例不足0.2%。

表1 氣道裂紋改善情況

5 結(jié)論

通過對非道路用多缸徑發(fā)動機脈沖水冷排氣管自身的結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，對降解和分散鑄件應力集中，提高產(chǎn)品對工藝的適應性，改善非道路用多缸徑發(fā)動機脈沖水冷排氣管裂紋有很大的幫助。