缸套穴蚀的分析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,缸套穴蚀的分析,黄都,M200870757,Cylinder Liner Cavitation Erosion,由于现代柴油机的有效压力、转速、比功率等不断地提高，而比质量越来越小，结构日益紧凑，柴油机汽缸套的壁厚有减薄的趋势，这就容易使其抗穴蚀能力有所下降。柴油机更换汽缸套的原因往往不是因为磨损超限，而是因为穴蚀,1.,穴蚀产生的机理,柴油机缸套穴蚀是由空泡腐蚀、电化腐蚀及其他腐蚀综合作用的结果,空泡腐蚀是磨损腐蚀的一种特殊形式,是由于流体与金属构件高速相对运动在金属表面局部地区产生涡流,伴随气泡在金属表面迅速生成和爆破所引起的磨损。缸套穴蚀的最主要原因是空泡腐蚀，下面介绍的主要是空泡腐蚀,柴油机的活塞和缸套有配合间隙。柴油机工作时,活塞在缸套中上下往复运动,在换向时因受燃烧气体压力和曲轴飞轮组惯性力的作用,活塞以不同的加速度在连杆摆动平面的两个方向不断地敲击缸壁,使缸套产生高频振动。目前较多的柴油机是采用上止口固定、下支承为配合定位加橡胶密封圈密封的方法。当缸套产生高频振动时,振动使缸套在圆周方向呈四节点振动,在纵向上呈半波振动,振动使缸套外壁的循环冷却水不断交替地拉伸和压缩,形成很强的紊流。当振动足够强,即达到一定振动加速度时,冷却水的连续性被破坏，由振动等引起的气泡通常在缸套,(,振动面,),附近,贴附在缸套外壁的小孔、裂缝及粗糙部分。冷却水流动时将其中一部分气泡带走,另一部分气泡因振动,(,如汽缸壁向冷却水靠贴,),受压缩,使气泡周围压力升高,引起气泡爆裂。气泡破裂产生的冲击压力可用下式表示,气泡在缸套表面或表面附近破裂,冲击波将连续反复地作用到缸套的极小面积上,不断碾压、熔融金属,使金属产生塑性变形,致使缸套金属表面引起急速的疲劳破坏,金属质点,特别是金属晶格中薄弱部分逐步被爆破裂和脱落,使表面形成空洞,产生空泡腐蚀,(,图,3),2.,穴蚀的主要原因分析,穴蚀损伤的主要原因和船用螺旋桨等一样，是由于流速变化带来的局部压力变化引起的。因此，在柴油机不运转的情况下，只用机上冷却水泵驱动，测量了冷却水压力，结果如图,3,所示。但是所得的压力变化幅值很小，与冷却水静压,110kPa,相比可忽略不计，可知其与穴蚀气泡的产生几乎无关,实际柴油机在标定负荷工况运转时冷却水压变化如图,4,所示，能观察到在柴油机循环的特定相位有大的水压变化，其中可见在爆发上止点有最大的水压变化。将这部分放大如图,5,所示,。可以断定，,C,一,D,间产生了穴蚀气泡，其后冷却水压力恢复，气泡崩裂，发生了高频冲击波。,气缸套振动的激振源,:,使气缸体水腔侧产生穴蚀气泡的气缸套振动如图,4,所示在,1,个循环中有几个峰值。作为这种间歇振动的主要原因可以断定是活塞敲击。图,7,所示是用试验柴油机测量出的活塞横向运动和气缸套振动，振动的峰值都是在活塞推力侧（在气缸内作用有最高压力时活塞受横向力的方向,),相反的非推力侧作用时产生的。由此可知，由于活塞横向运动和气缸套冲突而使活塞敲击缸套产生了气缸套振动。,Therefore a new method for the analysis of cavitation erosion damage in cylinder liners has been developed.The technique,which is based on the use of the finite element method,provides a tool for the engineer to investigate the effects of design changes on cavitation intensity,without the direct need for expensive test work,In general,due to the symmetric nature of the geometry and loading about the major axis,the model can be of half a liner.This half model would typically consist of about 500 20-noded isoparametric brick elements.High order(quadratic)elements are always used,due to the improved accuracy of their formulation compared with low order(linear)elements.,3.,减少气缸套振动的措施,根据主要原因分析结果，若减少气缸套振动将能够防止穴蚀损伤。,一般来讲，为减小振动，有两方面措施,:,一是抑制产生这种振动的力,;,二是改变振动体结构。针对这两个方面对在设计阶段减小振动的措施加以叙述。,减小激振力,为在设计阶段能对激振力进行评价，进而减小激振力，制作了如图,8,所示的活塞敲击分析模型。对于这种分析模型，根据敲击力的实测值和计算值一致的原则来确定各部分的摩擦力和油膜压力。由于活塞下部变形引起的弹性常数由图,9,所示的一半活塞的三维有限元模型计算求出。,图,9,活塞的三维有限元模型,油膜作用,:,从计算模型可知，一活塞销附近的油膜影响非常大，总的来看，活塞销附近的油膜压力变冲击力就会大幅度增大。所以，为明确其影响，如图,10(a),所示在活塞下部设置油环，用仅在活塞下部形成有效油膜的活塞作发动机运转。这时气缸套振动速度波形与标准活塞时比较如图,11,所示。可知由于油环阻碍了活塞销附近的油膜形成，实际上大幅度增加了气缸套振动,改变缸套的结构和材料,Here we define:,CSF=,Expreriment shows,the lower the CSF(cavitation,safety factor)the higher the likelihood of cavitation,4.,防止缸套穴蚀的其它措施,在保证正常运转条件的情况下，修配时要尽量减小活塞和汽缸套的配合间隙，以减轻活塞横摆动所引起的汽缸套运动，同时也要注意影响其配合间隙大小的因素，如连杆的弯曲变形、连杆铜套的偏斜和主轴颈的锥度等。适当减小汽缸套与其上下座的配合间隙，以减小汽缸套的振动频率和振幅。,4.,防止缸套穴蚀的其它措施,要及时清除水套内的水垢，以保证冷却水的清洁和正常温度，保证冷却系统机件的正常工作，避免水套变窄，水流短路，从而使局部过热或冷却系统水温过高。要保证柴油机平稳运转，以减小冷却水的流动速度和水压的反复变化，减小“气泡”的产生，减缓穴蚀的发展。,4.,防止缸套穴蚀的其它措施,冷却水中可加入适量的防蚀剂，或是加入一些具有消气作用的添加剂，或是加入适量的乳化液，以减轻冷却水的表面张力，从而减轻“气泡”消失时所产生的冲击力，以减缓穴蚀。,4.,防止缸套穴蚀的其它措施,在保证动力性和经济性的前提下，适当减小供油提前角，以减轻柴油机动车工作的粗暴程度，从而减轻汽缸套的振动。,总之，通过以上措施是可以在一定程度上减少穴蚀的形成和发展。对于穴蚀不严重的汽缸套还可以换向使用，即将汽缸套有穴蚀的部位旋转一个角度后继续使用，以延长汽缸套的使用寿命。,参考文献,1 A.S.H.Lowe.An Analytical Technique for Assessing Cylinder Liner Cavitation Erosion.1990,2,米澤徹,苅田广,王伯福,刘景宝,.,抑制柴油机气缸套的振动防止气缸套穴蚀,.1998,3,张永生,.,柴油机汽缸套的穴蚀及其预防,.2007,