柴油机进气门颈部断裂失效分析及结构优化

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作为柴油机配气机构的执行元件，进气门起到进气与密封的作用，因此进气门的性能直接影响着发动机的性能。进气门除了受到高温燃气的冲刷腐蚀，还受到高强度的冲击，磨损和高频交变拉压，在恶劣的工况下，若材料选用不当、组织性能有缺陷、结构设计不合理都会导致气门失效，颈部断裂失效就是常见的一种失效形式。
　　本文对某型柴油机进气门颈部断裂失效行为进行分析和设计优化研究。首先从气门的材料和组织入手，利用JSM-6490LA型扫描电子显微镜、GX51型奥林巴斯倒置金相显微镜及TH320全洛氏硬度计等仪器对失效样件进行宏观形貌和微观组织的观察和分析、化学成分的检测和硬度测试，结果发现：该失效样件C、O、Si含量过高，这些元素在基体内形成大块非金属脆性夹杂，导致了微观孔洞的产生，孔洞的存在破坏了基体的连续性，一定程度上增加材料的脆性，疲劳裂纹也由此产生。同时可以明显观察到靠近断口附近存在较大的连续孔坑；断口附近的硬度分布也不均匀；这是由于热处理工艺不当所致，组织成分不均匀会影响硬度分布的均匀性，同时会降低材料的冲击韧度和疲劳强度。气门在高强度、高温、强腐蚀的工作环境下发生了高周疲劳断裂。
　　其次，从优化气门颈部结构入手，气门的颈部是杆部与盘部的过渡区域，也是应力集中的区域，结构不合理导致应力集中程度严重，促进疲劳源的产生，是疲劳断裂的主要原因之一。利用有限元软件Abaqus对气门进行了热-应力耦合分析，对颈部应力集中程度和颈部结构对应力分布的影响进行了探究。利用 Solidworks对进气门的过渡锥角β和过渡圆弧半径R在允许范围内进行调整，再把新的模型导入到Abaqus进行分析，以最大应力最小，应力分布均匀为目标进行优化，研究了β和R对最大应力及应力分布的影响。
　　进行结构优化时，分别以气门轴向最大应力和气门盘部最大应力为指标进行评价。以气门轴向最大应力为指标时，对过渡圆弧半径 R和过渡锥角β进行改变并分析其应力结果。分析结果表明：当β=21o， R=21mm时，气门轴向最大等效应力值最小，此时过渡圆弧半径为21mm，过渡锥角为21o时是最优结构；以气门盘部最大应力为指标时，依次增大过渡圆弧半径 R和过渡锥角β，分别得到对应的盘部最大应力值，并以应力分布的均匀性为辅助指标，经过比对分析发现：β=21o， R=19mm时结构最优。
　　综合轴向应力和盘部应力分析的结果可以发现：选用β=21o， R=21mm时，其轴向最大应力值比选用β=21o，R=19mm时要小得多，而β=21o，R=21mm的盘部最大应力值与β=21o，R=19mm的盘部最大应力值相差不大。由此得出：β=21o，R=21mm为最优结构，即过渡锥角为21o，过渡圆角半径为21mm。
　　本文得到的分析结果可以直接应用于气门的加工与设计，为优化进气门的结构和改善进气门的质量提供参考依据。

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作者
胡巍;
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作者单位

南华大学;

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授予单位南华大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名樊湘芳,欧阳志强;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TK423.43;
关键词
柴油机; 进气门; 高周疲劳; 颈部断裂; 失效行为;

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