李杰,于洪濤
濰柴重機(jī)股份有限公司,山東 濰坊 261108
柱塞泵式噴射系統(tǒng)是現(xiàn)代船用柴油機(jī)最基本的一種噴射系統(tǒng),一般由高壓噴油泵、噴油器及高壓油管組成。噴油器是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的核心部件之一,能夠?qū)娪捅门懦龅母邏喝加鸵砸欢ǖ膰娪蛪毫?、噴霧細(xì)度、噴油規(guī)律、射程和噴霧錐角噴入燃燒室,使柴油在燃燒室內(nèi)與空氣均勻混合燃燒,是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)中的精密偶件[1]。
噴油器為柴油機(jī)的核心零部件,噴油器回油管的安裝和密封要求較高,其泄漏失效大多為噴油器針閥與閥座密封失效導(dǎo)致?;赜凸苄孤r,滴漏在氣缸體上的柴油,遇熱后在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)蒸發(fā),如果出現(xiàn)電火花,可能會引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重后果。
本文中根據(jù)噴油器及回油管密封的原理,利用仿真方法查找柴油機(jī)回油管密封失效的原因,并提出改進(jìn)措施。
噴油器可分為開式和閉式2類,閉式噴油器分為多孔式噴油器和軸針式噴油器。軸針式噴油器內(nèi)部有一圓柱形針閥,它與針閥體內(nèi)的孔配合,只有一個噴孔,噴孔直徑為1~3 mm,主要適用于噴油壓力要求較低的燃燒室。多孔式噴油器的針閥末端為錐形,與針閥錐面配合,不伸出針閥體,噴孔直徑為0.2~0.8 mm,噴射壓力較高,霧化效果較好,適用于對噴油壓力要求較高的燃燒室。
目前,船用柴油機(jī)噴油器多采用閉式結(jié)構(gòu)。根據(jù)回油管與噴油器的連接方式,回油方式可以分為2類:1)多孔式噴油器,回油管直接與噴油器連接,噴油器結(jié)構(gòu)如圖1所示;2)回油管連接在缸蓋上,通過噴油器以及缸蓋內(nèi)的油道回油,結(jié)構(gòu)如圖2所示;2種密封方式均為回油管和噴油器的接觸密封。
回油管與噴油器之前的密封方式為球頭-錐面密封,密封性好、拆卸方便。圖3為密封結(jié)構(gòu)的示意圖。球頭和喇叭口錐面在擰緊之前為線接觸,當(dāng)施加擰緊力矩后,球頭和錐面發(fā)生塑性變形,在球頭和錐面之間形成密封面[2]。
圖1 多孔式噴油器 圖2 回油管與缸蓋連接 圖3 球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)示意圖
柴油機(jī)噴油器回油管滲油發(fā)生在噴油器與回油管連接位置,燃油通過連接套后在回油短管處滲油,回油管滲油位置如圖4所示。
圖4 噴油器回油管滲油位置
分析滲油位置可知,回油管與噴油器接觸的密封錐面密封失效。主要原因?yàn)閲娪推骰赜凸軕冶圯^長,與噴油器連接套上下無壓塊約束,造成發(fā)動機(jī)振動過程中回油管擺動[3]。
噴油器的泄漏分析一般有理論研究、有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證[4-7]。本文中采用動力學(xué)仿真分析軟件Abacus和網(wǎng)格劃分工具Hypermesh對噴油器回油結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析。
柴油機(jī)的相關(guān)參數(shù)為:柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min,額定功率為601 kW。
圖5 噴油器回油結(jié)構(gòu)模型 圖6 網(wǎng)格裝配模型
噴油器回油結(jié)構(gòu)三維模型如圖5所示,網(wǎng)格裝配模型如圖6所示。使用Hypermesh網(wǎng)格劃分工具,網(wǎng)格類型采用C3D10m四面體網(wǎng)格對噴油器體、噴油器連接套、回油短管等部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,完成后導(dǎo)出inp文件格式作為Abaqus仿真計算軟件的輸入文件。
主要部件材料參數(shù)如表1所示。
表1 材料參數(shù)表
計算模型邊界為噴油器體下表面6個方向自由度全約束,計算載荷步為:螺栓預(yù)緊;施加15g(g為重力加速度)的動力載荷,模擬發(fā)動機(jī)垂直方向振動載荷。強(qiáng)度計算中,螺栓加載最大預(yù)緊力[8-9]。
通過施加垂直方向15g動力載荷,計算噴油器回油管密封位置面壓變化,判斷密封在發(fā)動機(jī)振動過程中是否失效。
使用Abaqus結(jié)構(gòu)仿真計算軟件[10],以預(yù)緊力為50 N和垂直方向15g的加速度分別作為計算載荷,計算結(jié)果如圖7、8所示(圖中單位為MPa)。由圖7、8可知,僅在螺栓預(yù)緊力50 N的載荷工況下,密封接觸位置的最小面壓為155 MPa;當(dāng)增加垂直方向15g的加速度時,密封接觸線下部接觸位置的面壓出現(xiàn)了壓力為0的貫穿區(qū),密封失效,導(dǎo)致漏油故障。
綜上可知,回油管密封失效的原因?yàn)椋?)回油管與噴油器回油錐孔之間為線密封,接觸密封面積較小,壓強(qiáng)很大,前期階段的彈性變形對密封有利,但由于壓強(qiáng)過大,后期容易造成材料塑性變形,使密封失效[11];2)回油管擺動時,使密封環(huán)線一部分翹起,密封失效。
a)網(wǎng)格模型 b)計算結(jié)果 圖7 僅加載螺栓預(yù)緊力面壓云圖
a)網(wǎng)格模型 b)計算結(jié)果 圖8 加載15g動力載荷后面壓云圖
根據(jù)仿真分析,原設(shè)計方案中噴油器回油管的密封方式不合理,柴油機(jī)上下振動時,密封環(huán)線失效,因此需要對回油管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。
1)改進(jìn)回油短管接頭結(jié)構(gòu),將線接觸改為球面接觸,增大接觸面積,降低密封失效風(fēng)險[12-14],原回油管密封形式如圖9所示,改進(jìn)前、后回油短管結(jié)構(gòu)如圖10所示。
a) 噴油器截面圖 b)密封局部圖 a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后 圖9 原回油管密封形式 圖10 改進(jìn)前后回油短管結(jié)構(gòu)
2)改進(jìn)噴油器與回油管的連接套結(jié)構(gòu),連接套內(nèi)徑由27.5 mm改為27.0 mm,厚度由16 mm增加為22 mm,加強(qiáng)連接套的緊固作用[15-16],如圖11所示。
3)將現(xiàn)有的壓緊錐面密封更改為過油螺栓加復(fù)合式密封墊圈的密封結(jié)構(gòu),降低回油管的慣性振動,如圖12所示。
a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后 圖11 改進(jìn)前后噴油器連接套結(jié)構(gòu) 圖12 一種噴油器回油密封結(jié)構(gòu)
對改進(jìn)后的回油管進(jìn)行500 h耐久試驗(yàn),由于回油管密封方式由線接觸改為面接觸,同時加強(qiáng)了噴油器與回油管的緊固,未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象,改進(jìn)措施有效。
針對實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的噴油器回油管漏油問題,根據(jù)噴油器回油管的密封原理,分析密封失效原因并進(jìn)行CAE仿真計算驗(yàn)證;改進(jìn)回油管結(jié)構(gòu),分別對回油管接頭結(jié)構(gòu)、噴油器與回油管的連接套結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化;對改進(jìn)后的回油管進(jìn)行500 h耐久試驗(yàn),沒有發(fā)生燃油泄漏,該改進(jìn)方案可以為柴油機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。