船舶柴油机气缸套裂纹的研究

1、第24卷第2期2000年4月武汉交通科技大学学报Jou rnal of W uhan T ran spo rtati on U n iversityV o l.24N o.2A p ril2000船舶柴油机气缸套裂纹的研究张敬国崔可润龚齐清陈雁荡肖金生朱国伟(武汉交通科技大学动力与环境工程学院武汉430063摘要:为解决某大型船舶柴油机气缸套裂纹故障问题,利用着色探伤、电子显微镜扫描、能谱分析、化学成分分析等方法对其裂纹进行了研究分析;并利用实船测试、有限元分析等方法对该型缸套的温度分布状况、应力状况,进行了研究分析.确定了缸套开裂的基本原因.关键词:柴油机气缸套;裂纹;微观形貌;温度分布;应

2、力状况中图法分类号:U6641121111气缸套裂纹宏、微观状况及材料质量分析所研究的气缸套内径为600mm,总长为2280mm.对缸套裂纹进行了肉眼观察、着色探伤、裂纹断口电子扫描和能谱分析等试验研究,并对开裂缸套的材料进行了化学成分、显微组织和机械性能等方面的分析.111裂纹的宏观形态与分析裂纹为12条(多数为1条从缸套顶向下延伸的纵向主裂纹和其周围的网状细裂纹.主裂纹在缸套顶部张开1115mm,长度115600 mm不等.主裂纹首先在缸套内壁产生,然后向外扩展,有的缸套已裂穿,有的尚未裂穿.主裂纹在缸套内壁弯弯曲曲延伸,到达缸套外壁处则变为较平直的延伸,在内壁和外壁延伸的长度大致相同.裂

3、纹发生在缸套上部燃烧室壁部分,网状裂纹在从缸套顶部向下100mm左右、主裂纹的两侧,主裂纹和网状裂纹在喷油器油束对应的范围内.除主裂纹向上扩展到缸套顶部外,在缸套顶部、上部孔口锥面和主裂纹周围以外的其余部分均未发现可见的网状裂纹及其它损伤.112裂纹断口形态缸套主裂纹断口(图1可看到弧形贝纹线,贝纹线是疲劳断裂的典型形貌,其中心即为主裂纹源(图中箭头所指.因此,缸套裂纹的性质可确定为疲劳裂纹,所解剖的两只缸套的三条主裂纹疲劳裂纹源的位置离缸套顶部平台3045mm 处 .图1主裂纹断口形貌从宏观上看,网状裂纹主要集中在主裂纹附近,尤其在主裂纹附近网状裂纹很深.在缸套内壁产生网状裂纹是典型的热疲劳

4、所致,并成为主裂纹疲劳扩展的起源,当网状裂纹自身合并成较长的裂纹时,即成为主疲劳裂纹源.主疲劳裂纹由内壁向外扩展,同时也沿轴向延伸.由于缸套内壁网状裂纹的诱导,使主疲劳裂纹在轴向扩展速度加快,因此贝纹线在轴线方向的间距不断加大.从裂纹断口侧面看到的主裂纹扩展路线弯弯曲曲的形态,表明了网状裂纹对主疲劳裂纹扩展的诱导作用.主裂纹断口上的微观形态均为脆性断裂形貌,存在着疲劳纹,是疲劳破坏造成的典型微观形貌.另外,通过X射线能谱分析发现主裂纹断面收稿日期:20000107张敬国:男,54岁,副教授上S 和Si 含量偏高,特别是S 含量高出缸套材料平均含量的34倍,这是高温腐蚀物在断面上的沉积或渗入材料

5、基体引起的.图2和图3所示为扫描电镜所拍的裂纹微观典型形貌照片图 .图2 缸套内壁的表面网状裂纹图3网状裂纹的扩展通过扫描电镜进行微观观察,可以看到:1缸套内壁的表面裂纹,基本上呈现大小不一的等轴多边形,构成网状,平均直径1115mm ,这种网状是热疲劳产生的典型形态.2网状裂纹沿共晶团周界上的磷、硫共晶体界面扩展,或穿过磷共晶体,或沿石墨片边界扩展.3从网状裂纹剖面上看到,裂纹起于缸套内壁表面,断面的表面光滑平齐,裂纹两面不吻合,张开呈现三角形,向内延伸很快变细,延伸深度约015mm .4在网状裂纹断面上发现疲劳纹的痕迹,以及在交变应力作用下,反复摩擦所留下的擦伤划痕群.113缸套材料质量分

6、析开裂缸套材料的化学成分分析表明,其含碳量较低,碳硅当量亦低.对其材料的显微组织分析表明,其石墨分布形状欠佳,共晶团尺寸过大.对其材料的力学性能检测试验表明,其抗拉强度偏低.另外,从断面(图1上可见到许多形状不规则、呈兰黑色的缩松区.缩松区的存在,使实际承载面积大为减少,局部应力增加.上述这些因素,均会使疲劳强度降低,导致疲劳裂纹早期产生,加速疲劳破坏.2缸套温度状况分析缸套开裂的最终原因是应力状况,而应力状况又与温度状况有关.因此需要了解缸套的温度状况.实船测量了19种工况下缸套的温度分布4,以此为基础,用有限元法算得缸套的整个温度场.对有些无法实船测量缸套温度的工况,通过有限元法计算得到缸

7、套相应的温度场.211缸套温度分布的实船测试及其分析采用自制的热电偶温度传感器,在船舶实际航行时测量气缸套的温度.温度测点共布置31个.在对应于开裂缸套裂纹处内外壁集中布置15个测点.部分测试工况列于表1,其对应实测温度分布如图4、图5所示 .图4实测气缸套温度分布,轴向表1柴油机气缸套温度测量试验工况工况转速 r m in -1功率 k W工况说明1905147船舶现行最大负荷工况2803309370224345211037904927试验缸超载有限元法算得工况7的温度分布见图6.可知:缸套沿周向、轴向温度分布都不均匀,651武汉交通科技大学学报2000年第24卷存在温度差,在相应缸套开裂部

8、位温度最高,热应力最大 .图5实测气缸套温度分布, 圆周方向图6工况7的温度分布212虚拟工况的缸套温度状况分析柴油机有些工况和工作条件是与缸套开裂有关的,但无法实际运行测量缸套温度,因此设计了若干与此有关的虚拟工况与工作条件,用有限元法计算得相应的缸套温度场,并由此计算预报相应的缸套热应力.虚拟的稳定工况设计有:冷却水温度偏低(进口40,出口61;冷却水温度合适(进口72,出口80;冷却水量减少;柴油机全负荷V IT (可变喷射定时装置正常;柴油机全负荷V IT 失灵;气缸套和冷却水套的不同结构等.部分虚拟工况时的缸套温度场见图7,对应等温线值见表2.虚拟工况的缸套温度分析可知:冷却水套的结

9、构改进,冷却水流动状况的改善,气缸套上部锥口结构的改进,均可有效改善气缸套温度状况;冷却水进出口温度降低,气缸套内外壁温度也降低,但温差变大, 反之亦相反;冷却水流量减小,则气缸套内外壁温度会增高,温差也增大;V IT 失灵,则气缸套内壁上部温度升高;内外壁温差增大.图7气缸套温度分布等值线图表2柴油机虚拟工况的气缸套等温线值图7中标号转速r m in -1功率k W说明等温线值最高1234567最低a b 904926缸套上部锥口与试验缸套略有不同的其它缸缸套3451630816271172341719718160181231986195015冷却水套冷却水流动状况改进31611283102

10、491921617183161501411713841151103缸套应力状态分析311脉动机械应力这是由于在柴油机运转时,气缸内循环作功的气体压力作用在缸套上产生的机械应力.因气体压力是循环周期变化的,此应力为高频脉动性质,是拉应力.脉动机械应力的作用,会使材料发生疲劳损坏,还会加剧稳定热应力作用下发生的蠕变,加大柴油机停车后形成的拉应力.将缸套视为厚壁圆筒,内壁的最大机械应力为:c =p m axr 22r 21-r 22(1+r 21r 22751第2期张敬国等:船舶柴油机气缸套裂纹的研究式中:p m ax为最高燃烧压力;r1,r2为缸套外壁、内壁半径.取p m ax为12145M Pa

11、,r1,r2分别为36c m,30 c m,有c=69.0M Pa缸套材料实测的抗拉强度b=207M Pa;疲劳强度r=0.4b=82.8M Pa,一般不会发生拉伸断裂或疲劳损坏.312稳定热应力柴油机冷态时,缸套各部位温度低且一致.而当柴油机发动并带上负荷后,缸套不同部位的温度有不同程度的升高,由此产生不同程度的热膨胀,并相互制约而产生热应力,即稳定热应力.缸套内壁在高温燃气作用下温度高,迫使缸套沿周向膨胀;缸套外壁有冷却水冷却,温度低,周向膨胀小得多;缸套内、外壁面相互约束,不能自由膨胀,从而产生热应力;内壁面为较大的周向压应力,外壁面则为拉应力.内壁面在高温持久作用和大的周向压应力作用下

12、,材料发生蠕变,使周向压应力有一定程度减小.但当柴油机停止运转后,因前阶段的蠕变作用而使缸套产生较大的拉应力.这样,柴油机每开车、停车一次,就会在内壁产生一次压拉应力循环,这是一种低频的应力循环,也会使材料发生疲劳损坏.根据温度分布数据,对实船测试工况和虚拟工况下缸套的热应力用有限元及有限差分分析表明:柴油机过载时缸套热应力较大(工况7比工况1在不同测点要高出2736M Pa;缸套局部过热区热应力远大于其它部分(工况7时,可高出12M Pa;冷却水套及缸套的改进措施可以有效地改善热应力状况.313波动热应力柴油机运转时,气缸内气体的温度呈现循环规则的变动,缸套内壁面也发生一定的温度波动,这是只

13、涉及进入燃烧室壁面不深的温度波动,在缸套内壁表面产生高频的波动热应力.波动热应力本身不是很高,但与稳定热应力叠加在一起,也可能使材料发生高频热疲劳,加速和加强蠕变,导致缸套内表面的薄层内产生网状裂纹,导致材料的疲劳破坏.波动热应力的计算是基于热膨胀应变值与机械应变值之和为零这一假设得出,其表达式为:=Et1-式中:E弹性模量,M Pa;线膨胀系数,1 ;t循环内各瞬时的温度波动值,;泊松比.在6种实船测试的稳定工况中,计算所得的缸套内表面的波动热应力的幅值在3060M Pa 之间.超载的7工况的波动热应力幅值比船舶现行最大负荷的1工况时高出40,这说明超载时气缸套承受的高频热负荷是非常严重的.

14、4结论综合上述各项分析研究,可以得到如下结论:1缸套裂纹是由热疲劳所致,主裂纹周围的网状裂纹属高频热疲劳裂纹,主裂纹属低频热疲劳裂纹,网状裂纹对主疲劳裂纹的扩展起着诱导作用,成为主裂纹疲劳扩展的起源.2所研究的缸套开裂的诸多原因中,最主要的是缸套在排气道侧的燃油喷束所对区域局部严重过热,产生较大的热应力,故主裂纹大都发生在这一部位.3缸套材料成分不合理、显微组织不良和铸造等方面的缺陷,会使缸套材料抗拉强度偏低,疲劳强度也相应降低,导致疲劳裂纹早期产生,加速疲劳破坏.4防止缸套裂纹须从材料质量、相关零部件结构及使用管理等方面采取措施.参考文献1陆瑞松.内燃机传热与热负荷.北京:国防工业出版社,1

15、985.141,591132美金属学会主编.金属手册,第9卷.邓日红,朱之琴,吴世泽等译.北京:机械工业出版社,1987.1416, 44833黄孝瑛.透射电子学.北京:科学技术出版社,1979,35 974张敬国,陆小明,崔可润等.船舶柴油机气缸套温度测试研究.武汉交通科技大学学报,1998(3:266271 5曾宪友,周晓琴,肖金生.气缸套传热和热应力的有限元分析.见:中国内燃机学会编.中国内燃机学会第二届青年学术年会论文集.上海:上海交通科技大学出版社,1997.2682736杨锦章.6ESD Z75 160B型柴油机缸套损裂原因及改进措施.内燃机工程,1985(3:8081851武汉交

16、通科技大学学报2000年第24卷A Studig of Cylinder L iner C rack of M arine D iesel EngineZhang J i ngguo Cu i Kerun Gong Qiq i ng Chen Yandang X i ao J i n sheng Zhu Guowe i(Colleg e of P o w er &E nv ironm en ta l E ng ineering ,W TU ,W uhan 430063AbstractTo so lve cylinder liner crack p rob lem of a certai

17、n large m arine diesel engine ,the crack w as studied and analysed being ai m ed at the cylinder liner w h ich created the crack by m ean s of co lou ring crack detecti on ,electron m icro scop e scann ing ,energy sp ectrum analysis ,chem ical com po siti on analysis and so on .A lso the tem p eratu

18、 re distribu ti on and the stress conditi on of the cylinder liner w ere researched and analysed u tilising m easu rem en t on board sh i p and fin ite elem en t analysis m ethod .F inally the m ain cau ses of the cylinder liner crack w ere syn thetically analysed and determ ined .Key words :cylinder liner of diesel engine ;crack m icroco s m ic fo rm and app earance ;tem p eratu re distribu ti on ;