中速高p_e柴油机气缸盖的国产化.pdf

中速高pe柴油机气缸盖的国产化许俊1，蔡1，陈广云2，黎继军1（1.七一一研究所，上海200090；2.广东惠阳发电厂，广东惠州516000）关键词：柴油机；气缸盖；可靠性；国产化摘要：针对中速柴油机不断向大功率、高pe方向发展给气缸盖等部件带来的可靠性问题，提出了一种新颖的柴油机气缸盖国产化的设计思路和生产工艺。经装机运行证明该设计方法和生产工艺是成功的。中图分类号：TK423.2文献标识码：A文章编号：10014357(2004)05003503DomesticizationofCylinderHeadonHighpeMedium-speedDieselEngineXUJun1,CAIMin1,CHENGGuang-yun2,LIJi-jun1(1.ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai200090；2.GuangdongHuiyangPowerPlant,GuangdongHuizhou516000)Keywords:Dieselengine；Cylinderhead；Reliability；DomesticizationAbstract:Medium-speeddieselenginehasatendencyforhigh-powerandhigh-pedeveloping,whichbringsthereliabilityproblemsonthepartsascylinderheadandsoon.Therefore,anoveldesignphilosophyandproductiontechnologyonthedomesticizationofcylinderheadisbroughtforward.Theinstalledoperationtestifiedthatthisdesignandtechnologyissuccessful.结构与减磨柴油机·DieselEngine2004年第5期收稿日期：2004-04-20351前言随着中速柴油机不断向大功率、高pe方向发展，气缸盖部件所受的机械负荷、热负荷越来越高，可靠性问题得到更加重视。这样对气缸盖的材料、结构设计与生产工艺要求也日益提高。本文针对320型柴油机气缸盖的国产化研制，介绍一种新颖的中速高pe柴油机气缸盖国产化的设计思想与生产工艺。2设计要求320型柴油机为船用主机，国产化要求如下：安装尺寸与进口气缸盖一致平均有效压力2.4MPa最高燃烧压力15.5MPa3设计思想分析由于320型柴油机的功率大、强度高，为了提高气缸盖的可靠性，采用如下结构：接触高温燃气（热负荷）的底层相对较薄，气门孔之间的鼻梁区用钻孔冷却，这样冷却水可以对其充分冷却；机械负荷主要由坚固的中间层承受，它与顶层及四壁形成一坚实的箱式结构，排气门座水冷却。气缸盖由四根液压拉伸的螺栓固定在机体上。其俯视和横剖面如图1、2所示。图1320气缸盖俯视图图2320气缸盖纵剖图3.1材料的选用气缸盖是柴油机的关键件，其工作可靠性对柴油机性能有着至关重要的影响。柴油机工作时，气旻36缸盖除了承受气缸盖螺栓预紧力和气缸燃烧压力产生的脉动应力等机械负荷外，还受到高温和由于温度分布不均所产生的很高的热应力的作用，也就是要承受很高的热负荷。另外，气缸盖的底板在水冷面上可能产生电化学腐蚀，致使气缸盖因同时受到腐蚀和疲劳损伤而出现裂纹。所以，气缸盖材料的选用极其重要。其材料应具有较高的抗疲劳强度和在高温情况下的抗拉强度及蠕变强度，同时还应具有良好的耐腐蚀性能。为了满足这些要求，可以选用的材料有：球墨铸铁、蠕墨铸铁和铸钢等（见表1）。铸钢虽然强度高，韧性、塑性及导热性也都较好，但其浇铸性能差，在浇铸结构复杂的气缸盖时，成品率极低，生产成本增大；蠕墨铸铁浇铸性能非常好。但强度较低，无法满足强度要求，所以选机械强度高、铸造和切削性能好的球墨铸铁QT500-7。表1铸钢和球墨铸铁机械性能对比3.2气缸盖结构320柴油机气缸盖为下圆上方形状，四气门，两进两排。进排气口同侧，进排气道均为半并联布置（见图3），它结合了串联和并联气道的长处，既方便于气缸盖的整体布置，又改善了进气（造成一定的扰动，使油气更好地混合，利于燃烧）和排气（避免二次冲刷）状况。气缸盖下部采用圆锥形结构，可使气缸盖底板所受的力，一方面沿中间加厚层传至相对厚度较大的中隔板，另一方面通过圆锥形结构把力分散、减小，均匀传至气缸盖上部方形四壁，从而使相对较薄的气缸盖底板所受的力迅速均匀地传至其它部位，提高气缸盖的可靠性。图3320气缸盖气道横剖图气缸盖底部有一环形密封槽，配合软钢镀铜垫片，能更好地实现气缸盖与气缸套之间燃气和冷却水的隔绝密封（见图2和图4）。气缸盖的方形四壁上开设了5个直径达64的螺塞孔，气缸盖上平面开设4个42的螺塞孔，既有利于清砂，又有利于浇铸时更好地固定泥芯，提高铸件的成品率，降低生产成本。图4320气缸盖仰视图3.3气缸盖的冷却降低气缸盖热负荷必须组织良好的冷却水道，使其底板温度尽可能均匀，冷却次序应先高温区后低温区。从气缸套和水套之间的水腔来的冷却水通过气缸盖底部8个25的进水孔进入气缸盖内腔，其冷却特点为：a.先高温区再低温区。即冷却水先集中冷却喷油器周围及底部高温区，降低喷油器底面周围的温度，再冷却上部低温区，使气缸盖的温度尽可能均匀；b.鼻梁处强制冷却。鼻梁处是最易因热应力而产生裂纹的区域，所以组织好该区的冷却尤为重要。根据图2和图5所示，冷却水进入内腔后只能通过4个9的孔到达喷油器中间部位。由于4个通孔的面积远小于冷却水进水口的总面积，使通过4个通孔的冷却水流速加快，加快热传导过程，防止沸腾传热，降低鼻梁处热应力；图5320气缸盖下层水腔横剖图许俊，蔡，陈广云，黎继军：中速高pe柴油机气缸盖的国产化材料抗拉强度，屈服强度，延伸率，N/mm2N/mm2ZG27RuT35QT500-750050035027032018737许俊，蔡，陈广云，黎继军：中速高pe柴油机气缸盖的国产化c.为防止死水区形成局部热应力过高，导致气缸盖损坏。如图3所示，在容易形成死水区的A、B两处，各钻一个6的小孔；d.采用较薄的底平面，有利于冷却，降低热应力。4毛坯铸造工艺320型柴油机气缸盖采用球墨铸铁材料，因工艺较为复杂，为保证质量，提高铸件的合格率，采用了如下措施：(1)树脂砂造型制芯工艺。(2)浇冒口的布置。浇冒口布置充分考虑薄底厚顶的特点及树脂砂排气困难的补救，具体是：a.采用业面分型，分型面尽可能靠近气缸盖上部，内浇口开在分型面处，分散进铁水；b.顶部及厚壁处局部放置冷铁，以防止疏松、缩孔；c.在浇口进铁水的另一面，放置另一冒口，不仅可以补缩，还可以排气；d.浇铸系统采用半封闭式，直浇口、横浇口、内浇口的截面积之比为3:5:2。(3)铁水熔炼。出铁温度和浇铸温度分别控制在1500和1300。5结束语由于在结构设计上采用了新的思路，材料的正确选择、热加工工艺的合理制定以及加工中心加工精度的保障，320气缸盖的可靠性设计经装机使用5000h证明是成功的，它为中速大功率、高pe柴油机气缸盖的研制提供了宝贵的经验。(上接第24页)也达到了理想的效果。提高进气温度来改善低负荷性能的前提条件之一是该机的排温值较低，如果匹配比较大的机组，则会相应提高额定功率下的排温值，使柴油机的最大功率受到限制。所以，其使用是有约束条件的。另外，试验时柴油机的排气背压太小，使柴油机在船用状态工作时太敏感，使用时要注意进气负压与排气背压对运行工况的影响。4小结经过对TBD620V12柴油机低负荷性能试验，结合柴油机工作过程模拟计算和进排气道吹风试验、整机负荷特性试验及理论分析等表明：TBD620柴油机由于采用了HALLO双进气道可控涡流系统、专用喷油器以及低负荷冷却水系统等措施，经历了在10%负荷下持续工作的实际考核。可以得到以下结论：a.可控进气涡流，对组织空气运动，促进燃油和空气完全混合并以最大的反应速度进行快速燃烧极为重要。对于形燃烧室的TBD620V12柴油机，采用带可控涡流挡板的气缸盖能兼顾高、低工况对涡流强度的不同要求，获得较好的性能；b.采用小喷孔和小压力室的专用型喷油嘴与HALLO双进气道可控涡流系统的良好匹配，在保证供油量的前提下，能缩短喷油泵的喷射周期，保证最佳的油束贯穿度，因而获得较好的性能。同时，采用低启喷压力与专用型喷油嘴配合，在达到最佳性能的同时保证了供油系统工作的可靠性（使该喷油泵的平均使用寿命达到2000040000h）；c.采用带节温器的冷却水系统来控制海水温度，做到了低负荷运行时中冷器以高水温循环，以提高进气温度，最高达45，提高了柴油机在低负荷运行时的经济性，获得了预期的性能。为下步发展海水温度自动控制系统的配机应用，即做到中冷器在低负荷时当加热器而在高负荷时当冷却器作用奠定了基础；d.柴油机的设计往往是按额定工况来计算和试验的，这对于那些通过提高平均有效压力改型的机型来讲，确定部分负荷的比例和运行限制时间尤为重要。这是因为柴油机不总是在额定负荷范围下运行，特殊情况下，可能会有大量的时间用于低负荷。此次TBD620V12型柴油机的几项特殊的配置就不以额定工况来计算，其设计计算与试验以部分负荷为主并兼顾额定工况。试验和研究提醒我们，对那些匹配比比较大的机组，例如TBD620V12配成1100kW的船用机组就可能不太适合这种做法。参考文献1中船重工407厂.TBD620系列柴油机使用操作说明书M.2001.92蒋德明.内燃机燃烧与排放学M.西安交通大学出版社，2002.13黄立，黄锦星.TBD620系列柴油机的发展与现状J.中国内燃机学会大功率柴油机分会五届一次学术年会论文集，2002.104中船重工407厂.MWM620V12柴油机装舰技术研究技术鉴定文件汇编M.2002.11