R16V280ZJ型柴油机气缸盖的设计.pdf

R16V280ZJ型柴油机气缸盖的设计仲怀清(戚墅堰机车车辆厂,江苏常州213011)摘要:简要介绍了R16V280ZJ型柴油机气缸盖结构设计、气道吹风试验、气缸盖静强度试验、机械变形及温度场试验。关键词:R16V280ZJ型柴油机；气缸盖；设计；试验；强度中图分类号:TK42312文献标识码:B文章编号:100321820(2005)0820018203收稿日期:2005203230作者简介:仲怀清(1969),男,江苏宝应人,工程师。1概述为满足铁路运输货运重载和客运高速的需要,我厂与奥地利AVL公司合作开发了功率更大、强化程度更高以及性能指标更优的R16V280ZJ型柴油机。该柴油机的气缸直径为280mm,标定功率为4705kW(单缸功率294kW),最高爆发压力达1515MPa。作为柴油机主要零部件之一的气缸盖承受的机械应力和热应力大为增加,因此,对进、排气道的流通特性提出了新的要求。为此,我们重新设计了新型R16V280ZJ型柴油机气缸盖,同时进行了气缸盖的静强度、温度场以及机械变形的研究,以确保新气缸盖的可靠运用。2气缸盖设计气缸盖用来密封气缸的上部,与活塞顶及气缸套共同组成柴油机燃烧室,承受气缸盖螺栓的预紧载荷、气缸内气体的高爆发压力和较高的热负荷的综合作用,工作条件十分恶劣。在气缸盖中需布置进排气道、润滑配气机构零件的机油孔道以及合理的冷却水道以保证气缸盖的充分冷却。另外,为了保证柴油机按时地换气和喷油,气缸盖需提供很多零件的安装位置,如喷油器、进排气门弹簧、气门导管和传动件等,因此气缸盖的结构形状十分复杂。对于单缸功率294kW、爆发压力1515MPa以上的高性能R型柴油机气缸盖,其设计研究的根本任务是在柴油机总体尺寸限制的条件下,具有良好的气道流通特性和足够的气缸盖强度。211材料的选择根据气缸盖的特点,气缸盖的材料要具有较高的抗拉强度、耐腐蚀和耐磨性,同时具有良好的铸造流动性和良好的切削加工性能,另外气缸盖材质还需要良好的热疲劳系数。设计中选用了综合性能较好的蠕虫状石墨铸铁(RuT350)作为气缸盖的材料,该材料的机械性能为:抗拉强度b350MPa,屈服强度012250MPa,伸长率s1%,硬度为HB170250。蠕虫状石墨铸铁因其石墨形态的特性,兼具了灰口铸铁和球墨铸铁的特点,其抗拉强度、屈服强度达到球墨铸铁的性能,而铸造流动性、导热系数、耐热冲击性和加工性能则具备了灰口铸铁的优点,这样既保证了气缸盖的强度要求,加工质量又容易得到保证。212结构设计根据柴油机的总体设计要求,气缸盖采用4个螺栓紧固,对于缸径达280mm的气缸盖而言,确保气缸的密封是一个首要的难题。为此,在结构设计中重点考虑了以下方面:最大限度地提高气缸盖的整体刚度；让4个螺栓的紧固力合理分布传递等。气缸盖设计采用了双层箱形结构,中央设有用于喷油器安装的空心圆柱从底板一直撑到顶板,并与中隔板连成一体,以增强中间部位的刚度。在气缸盖的内部设置了中隔板,将气缸盖冷却水腔分成上水腔和下水腔,以加强气缸盖的刚度。R型机气缸盖设计采用盆型中隔板结构,使得气缸内的爆发压力第8期(总第378期)内燃机车2005年8月©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:/www.cnki.net能够合理地传递到四周侧壁上,减小火力面的机械负荷和底板变形。中隔板设计时,锥度要选择合理,尽量接近底板,有利于刚度和底板的冷却,但下冷却水腔也不宜过小,以避免铸造和清砂的困难。从气缸盖顶面到底面,在其外部边缘部位布置有4个直径为<52mm的贯通孔,并在贯通孔与顶面和底面相接处设计成倒锥形,以增加整个箱体的刚度,便于4个螺栓力的合理传递,同时也作为气缸盖螺栓液压拉伸器的支承台。选取了合适的气缸盖高度近代大功率柴油机的气缸盖高度取值趋向选取较大的尺寸,一般高度尺寸H(0191)D,保证了气缸盖较好的刚度,同时为设计优良的进、排气道创造了良好的条件。气缸盖底板直接和燃气接触,底面受到较高的热应力。从强化度高的柴油机气缸盖的经验可知,其热应力常达到机械应力的十几倍,故在底板设计时,既要考虑保证一定的底板厚度以确保刚度,又不能太厚,不利于冷却,造成底板热应力过高而发生裂损,尤其是排气门与排气门座孔过桥间的鼻梁区以及喷油器孔口周围部分。本次设计吸取了16V280ZJA型柴油机气缸盖的经验并与国内外同类柴油机进行了比较,选择了合适的底板厚度,同时设计了良好的冷却水腔,以组织合理的冷却水流,尤其是针对气门之间的鼻梁区的冷却。在下水腔设计中,容积不宜过大,以有利于提高水流速度,尤其是不能在水腔中形成死水区,同时高的水流速度对带走蒸汽泡,防止小颗粒金属沉淀及防止局部水流迟滞区温度升高有较大的好处。为模拟柴油机实际工作状态,在建模时建立了单个机体气缸单元,气缸套、气缸盖的组合模型,进行了有限元分析计算,并利用AVL公司的专业软件进行了温度场的模拟计算,通过分析计算优化设计了气缸盖结构。213气道设计气道的设计是气缸盖设计的中心任务。气缸盖进、排气道的流通性能直接影响气缸内的燃烧过程。减少柴油机进气系统的阻力,增加吸入空气量,组织适宜的涡流,将有利于缸内的油束雾化、油气混合及分布,改善燃烧过程；而减少排气道阻力可以提高废气流通能力,有利于扫气,减少废气能量损失,降低排气门的热负荷。在柴油机实际工作循环中,由于气道形状复杂,气流在气道中的流动,是一个非稳态流,单纯用设计的方法来获得满意的气道有一定的困难。目前,对气道的研究一般都简化为稳定流,采用稳流吹风试验方法进行。国内外通常采用的稳流吹风试验方法有定气道前压头法、定气道前后压差法、定孔板流量计压差法等。为了试验的操作方便,吹风试验采用了定气道前压头法。R16V280ZJ型柴油机气缸盖气道的设计利用AVL吹风试验台进行多次吹风试验,对试验数据进行分析计算并参考了AVL公司拥有的大量气缸盖吹风试验数据库,设计出气道,然后利用该气道芯盒铸造出气缸盖,再进行吹风试验以便进行修正,同时校核气道的铸造精度。R型柴油机气缸盖吹风试验结果如表1所列。表1R16V280ZJ型柴油机气缸盖气道吹风试验结果气道平均流通系数()m平均流通能力()m·进气道01395010789排气道01375010713从吹风试验结果可以看出,采用较大的气门座内孔直径以及较高的气缸盖尺寸可以获得满意的进气道品质以及良好的平均流通能力,这样可以满足柴油机吸气的需要及总体性能要求。同样,按照AVL公司对全世界600多种气缸盖的吹风试验的经验,R型柴油机气缸盖进气道的平均流通能力处于该公司推荐的典型范围值之内。与原A型柴油机的进气道相比,R型机进气道的平均流通能力在同样气门升程的情况下约增加了11%。同进气道一样,R型机气缸盖的排气道采用较大的气门座内孔直径,得到了良好的平均流通能力,同时,其确定的面积比(气缸盖出口法兰面面积/喉口面积)和双弯气道形状均在AVL公司推荐的典型范围值之内。与原A型柴油机的排气道相比,R型机排气道的平均流通能力在同样气门升程的情况下提高了约18%。3气缸盖的强度气缸盖强度研究的目的在于充分了解新设计的R16V280ZJ型柴油机气缸盖的安全裕度和可靠性。我厂和同济大学一起进行了新气缸盖的静强度、机械变形和温度场测试。气缸盖的静应力测试试验在我厂的单缸柴油机上进行,通过燃烧室内灌注高压机油模拟气缸盖91第8期(总第378期)仲怀清:R16V280ZJ型柴油机气缸盖的设计©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:/www.cnki.net组装后承受气缸爆发压力时的状态,测量了气缸盖螺栓预紧、气缸压力为1315MPa和1515MPa计3种工况。试验时,在气缸盖上布置了40个应力测点,大部分测点分布在底板燃气侧,采用直角应变花贴成。同时多个测点与16V280ZJA型柴油机气缸盖位置相同,以便进行比较和校核。气缸盖底板应力按平面应力计算,即:1=E(1+1)/(1-2)2=E(2+2)/(1-2)通过气缸盖静应力试验,结合三维有限元计算全面了解了R型气缸盖的应力状态,全部测点的机械应力均在许用范围内。从气缸盖Goodman图中可得到,应力幅最大测点的疲劳安全系数为5195,远高于最小安全系数的设定值,其它点实测数据更具有足够的安全裕度。机械变形是气缸盖工作变形的主要部分,通常通过测试机械变形来评估气缸盖各部分的刚度情况。R型气缸盖机械变形的主要研究对象是底板的变形,我们也测量了顶板在气缸压力下的变形。试验也进行了3个工况,即气缸盖螺栓预紧、气缸压力为1315MPa和1515MPa的加载工况。试验中反复多次测量底板和顶板的变形位移值,取其平均值,并且为监控每个工况的重复精度,同时测量了气缸盖螺栓的伸长量。经过测量,气缸盖底板的变形情况如图1所示。图1气缸盖底板变形R型气缸盖的机械变形具有“桶形”变形的特点,螺栓预紧时底板向下凸起,而在1515MPa的气缸压力作用下,则反向上凹变形。与有限元计算结果相比,实际变形较小,且气缸盖的变形曲线比较平坦,整体刚度优于理论计算的预期水平。较小的底板变形,保证了气门与阀座圈的密封。气缸盖在承受机械负荷的同时又要承受热负荷的周期循环作用。当底板火力面的温度超过临界值时,材料在高温蠕变下的热疲劳就极具破坏力。为准确了解R型气缸盖工作状态下火力面的真实温度,在R16V280ZJ型柴油机上进行了气缸盖温度场的测量。试验采用了硬度塞和热电偶两种测量方法。硬度塞不会破坏温度的原始状态,适合“场”的测量,而热电偶则便于多工况连续测量,但由于需折算到火力面,有一定的测量误差。采用两种方法,可以取长补短,提高测量准确度。本次试验实测了额定功率和排气温度较高的部分负荷工况。试验中除了监测记录柴油机各工作参数外,还在被测气缸盖上安装了两个冷却水温度传感器,检测气缸盖的进水和出水温度。R型气缸盖底板的最高温度位于两排气门过桥处,除个别测点外多数温度低于300。气缸盖底板温度分布较均匀,排气门孔四周区域温差小,有利于气门与座之间的密封。4结论R16V280ZJ型柴油机气缸盖的设计能满足柴油机总体性能的要求,尤其是进、排气道的设计为柴油机良好的总体性能创造了必要的条件。从试制情况看,气缸盖铸造加工方便,工艺性能良好。2001年12月,R16V280ZJ型柴油机进行了UIC100h工厂内部性能试验考核,2004年5月和2004年11月,在铁道部产品质量检测中心和大连机车研究所监督下又分别完成UIC100h性能试验和UIC360h耐久性试验。整个试验期间柴油机性能良好、参数稳定、运转平稳。气缸盖在运行中以及运行后的解体检查测量中,状态良好,探伤检查无任何缺陷,为柴油机的进一步强化打下了良好的基础。从气缸盖的静应力测试、机械变形测量、温度场试验以及装车的运用考核情况看,R16V280ZJ型柴油机气缸盖性能良好、工作可靠,安全裕度大,是一个成功的设计。02内燃机车2005年©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:/www.cnki.netABSTRACTSCKD8DdiesellocomotivedevelopedforPakistanRailwaysLIShun2qing(DalianLocomotiveandRollingStockCo.,Ltd.Dalian116022,China)Abstract:Theperformancecharacteristics,structureandmaintechnicalparametersofCKD8Ddiesellocomotivewerepresented.Keywords:diesellocomotive；generalarrangement；technicalparameter；development；CKD8D；exportlocomotiveQinlingGCY1000diesel2hydraulicrailcarLIWen2yong1,ZHAOLi2(1.DalianLocomotiveResearchInstitute,Dalian116021,China；2.BaojiEngineeringMachineryWorks,Baoji721003,China)Abstract:TheQinlingGCY1000diesel2hydraulicrailcarisahighpowerrailcarandismainlyusedtoconstruction,shuntingoperationandtransfer.Thegeneralarrangementoftherailcar,anditsmainparameters,perfor2mancecurvesandstructuralfeatures,werepresented.Keywords:railcar；generalarrangement；technicalparameter；performance；structure；GCY1000TestandresearchonnewgenerationelectropneumaticbrakeforlocomotiveNIWen2bo2,WANGXue2mei2,LIFu2,JINXue2yan1,CHENYong1(1.Locomotive&RollingStockInstitute,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China；2.Mech2nicalEngineeringInstitute,SouthwestJiaotongUniver2sity,Chengdu610031,China)Abstract:Theformandstructuralfeaturesofanewgenerationmicroprocesser2basedbrakecontrolsystemforlo2comotiveweredescribed.Onthebasisofdesignschemeofanewgenerationbrakeforlocomotive,astationarytestoftrainconsisthasbeencarriedoutinlaboratory.Thetestresultsshowedthattheperformancesofthissystemhasmetthede2signrequirements.Keywords:locomotivebrake；electropneumaticbrake；microprocessorcontrol；testandresearchEffectofsuspensionmethodofaxle2hungtractionmotorontheridingstabilityoflocomotiveMAWei2hua,LUOShi2hui(ResearchInstituteofRailVehicles,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Theconnectionmethodsbetweenthesus2penderandbogieframehavemucheffectontheridingstabili2tyoflocomotive.Inthispaper,onthebasisofakindofloco2motivewithGMradialbogies,throughtheanalysisofdifferentkindofsuspenderstructures,theeffectwaseducedofconnec2tionmethodonthenonlinearcriticalspeedofthelocomotive,anditispointedoutthatthereasonforthisisthedifferenceofthelateralorientationstiffnessofthewheelset.Itisalsopointedoutthat,inthecourseoflearningforeignadvancedtechnology,wemustpayattentiontointegrityofsystem,andshouldnottakeaone2sidedapproachtoproblems.Keywords:radialbogie；locomotive；dynamics；ac2celerationDesignofR16V280ZJdieselenginecylinderheadZHONGHuai2qing(QishuyanLocomotiveandRollingStockWorks,Changzhou213011,China)©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:/www.cnki.net