柴油機消音器外筒體裂紋故障分析 針對某型柴油機消音器外筒體出現(xiàn)的裂紋故障，對該柴油機消音器外筒體的結(jié)構(gòu)作了分析，并通過數(shù)值模擬方法從熱應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力兩方面對該柴油機消音器外筒體作了應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明，該柴油機消音器外筒體的焊接工藝不合理是導(dǎo)致裂紋故障的主要原因。
某型柴油機排氣系統(tǒng)安裝有柴油機消音器，其主要作用是降低柴油機排氣溫度，消減排氣噪聲，同時遙遙柴油機在承載較高排氣背壓的情況下正常起動。
本文針對該柴油機消音器外筒體出現(xiàn)裂紋，進一步導(dǎo)致露水這一故障，通過數(shù)值模擬方法分析裂紋產(chǎn)生的原因。
2柴油機消音器故障情況
某型柴油機在遙遙過程中多次出現(xiàn)柴油機消音器外筒體表面產(chǎn)生裂紋并露水的故障，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋產(chǎn)生的部位有一定規(guī)律遙遙，具體表現(xiàn)為靠近柴油機消音器自由端外筒體二道環(huán)形焊縫(見圖1a)周邊每隔150mm左右出現(xiàn)遙遙的凸起(見圖1b),解剖凸起部位發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部有沿筒體軸向放置的矩形墊塊，在外筒體表面手摸可感到有約100mm長、20mm寬的局部變形，凸起部位出現(xiàn)沿軸向的裂紋，且裂紋處有遙遙徑向錯位，見圖1c。 3柴油機消音器外筒體裂紋原因分析
3.1柴油機消音器結(jié)構(gòu)與遙遙能
柴油機消音器水腔由外筒和內(nèi)筒組成，內(nèi)、外筒體鋼板厚度分別為10mm和4mm,水腔間隙8mm,進水溫度≤36℃,出水溫度≤42℃,沿軸向螺旋流動，流量Gw=16.7kgs;靠近柴油機消音器自由端外筒體二道環(huán)形焊縫位置，水腔內(nèi)外筒體之間每隔150mm均勻分布一30mm×30mm×8mm的矩形
圖1 墊塊，該墊塊是在柴油機消音器外筒體兩段焊接前，為了遙遙內(nèi)外筒體均勻分布的8mm冷卻水腔間隙，焊接在水腔內(nèi)筒體上。水腔內(nèi)筒和氣腔中筒組成氣腔，氣腔內(nèi)氣體的平均溫度約為500℃,沿軸向流動，流量為G﹒=2kgs。水腔外筒溫度為環(huán)境溫度35℃。材料特遙遙密度7940kgm3,彈遙遙模量2.1e”MPa,泊松比0.29,線遙遙熱膨脹系數(shù)1.7×105K,導(dǎo)熱系數(shù)18W(mK)。柴油機消音器墊塊處局部結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2柴油機消音器墊塊處局部結(jié)構(gòu)
3.2熱應(yīng)力分析
3.2.1幾何模型
為分析熱應(yīng)力，對實際結(jié)構(gòu)進行如下簡化處理
(1)墊塊與筒體的接觸為部分兩個面接觸，每個面沿周向?qū)挾葹?mm,軸向長度不變。
(2)不考慮水腔內(nèi)筒內(nèi)壁焊接的30根換熱肋片；
(3)不考慮柴油機消音器內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)的影響。
以上三點假設(shè)，均使相應(yīng)的熱應(yīng)力計算結(jié)果較實際情況應(yīng)更保守。
3.2.2邊界條件的確定
(1)水腔外筒的外壁表面
水腔外筒的外壁表面處于周圍環(huán)境之中，它與周圍環(huán)境之間的換熱主要以自由對流換熱的方式進行。由此可得水腔外筒的外壁表面的對流換熱系數(shù)hi為1.83W(m2K)。
(2)水腔外筒的內(nèi)壁表面和水腔內(nèi)筒的外壁表面
水腔外筒的內(nèi)壁表面和水腔內(nèi)筒的外壁表面構(gòu)成為一環(huán)形水腔空間，內(nèi)部充滿約40℃的水，按管內(nèi)對流換熱可求得水腔外筒的內(nèi)壁表面和水腔內(nèi)筒的外壁表面的對流換熱系數(shù)h2為6470W(m2K)。
(3)水腔內(nèi)筒的內(nèi)壁表面
(1)溫度場
經(jīng)Ansys求解后，所得模型的溫度場如圖3,墊塊處局部溫度場如圖4。
圖3模型的溫度場 該氣腔空間仍為一環(huán)形空間，按管內(nèi)對流換熱可求得水腔內(nèi)筒的內(nèi)壁表面的對流換熱系數(shù)h3為139W(m2K)。
3.2.3熱應(yīng)力分析(不考慮墊塊對水腔外筒的應(yīng)
力作用)
按上述邊界條件對幾何模型進行有限元熱應(yīng)力分析可得如下結(jié)果。
圖4墊塊處局部溫度場 分析圖3和圖4可知，水腔外筒的溫度幾乎為定值，而水腔內(nèi)筒的溫度則有遙遙變化。這是由于水的對流換熱量很大，通過墊塊的熱量傳到水腔外筒之前即被水流帶走；水與水腔外筒內(nèi)壁表面的對流換熱遠(yuǎn)大于水腔外筒外壁表面的自熱對流換熱，使水腔外筒的溫度接近水溫。
(2)熱應(yīng)力
等效應(yīng)力是考察材料是否失效的依據(jù)，以下均考察模型的等效應(yīng)力。模型的等效熱應(yīng)力計算結(jié)果如圖5,可以看出，除墊塊外，水腔外筒的熱應(yīng)力很小，這是由于其溫度很低，且溫度梯度很小所致。水腔內(nèi)筒的熱應(yīng)力較大，是由于水腔內(nèi)筒的溫度梯度變化較大引起的(從圖3和圖4可以看出)。模型的熱應(yīng)力大位置在墊塊處，其等效熱應(yīng)力計算結(jié)果如圖6。
圖5模型的等效熱應(yīng)力 圖6墊塊處局部等效熱應(yīng)力 由圖6可以看出，等效熱應(yīng)力大位置在墊塊與水腔外筒的交界面處，大值為301MPa。然而局部大應(yīng)力并不一定能引起結(jié)構(gòu)的破壞，在保守情況下，這里取墊塊處淡綠遙遙的貫穿等效應(yīng)力(即該應(yīng)力穿透了整個水腔外筒壁)作為參考值，來考察熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)造成的影響。可以看出圖中淡綠遙遙代表的應(yīng)力值約為150MPa,該應(yīng)力值在材料的強度遙遙限內(nèi)。即在墊塊對水腔外筒無施加預(yù)應(yīng)力，但局部存在面接觸的情況下，消音器在工作時外殼受到的應(yīng)力小為150MPa。
3.3預(yù)應(yīng)力分析
在組裝柴油機消音器外筒體時，若墊塊安裝不合理將導(dǎo)致水腔外筒產(chǎn)生變形，進而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。為分析水腔外筒預(yù)應(yīng)力的大小，這里給出水腔外筒應(yīng)變及其對應(yīng)力的三種情況。由于筒體是弧形的，而墊塊的截面是矩形的，那么兩者在接觸時一定是兩條線接觸，這給計算應(yīng)力和應(yīng)變帶來了很大的困難，也跟實際情況不符。進行這樣的假設(shè)，就是在線接觸的部位設(shè)定為“面接觸”,也就是將接觸線的位置假設(shè)成兩個小的接觸面。三種情況指的是，分三種情況假設(shè)接觸面積，之所以做這樣的假設(shè)是因為不知道實際情況下，筒體和墊塊有多少面積接觸上了。
圖7為水腔外筒應(yīng)變云圖，圖8為水腔外筒應(yīng)變對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力云圖。從圖上可以看出，水腔外筒大變形位置處于墊塊處，與實際情況相符。三種不同假設(shè)下，大變形所對應(yīng)的等效應(yīng)力大值和貫穿應(yīng)力值如表1。
根據(jù)應(yīng)力學(xué)原理，等效熱應(yīng)力和預(yù)加等效應(yīng)力的大值所處位置和方向相同，二者之和即為在預(yù)應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用下水腔外筒總的等效集中應(yīng)力。此三種情況下，考察貫穿應(yīng)力值，在不考慮材料屈服的情況下，實際柴油機消音器水腔外筒在受熱情況下總的等效集中應(yīng)力如表1?？梢钥闯?，墊塊對水腔外筒的影響在受熱前施加的預(yù)應(yīng)力越大，柴油機消音器在受熱后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞的可能遙遙越大。
圖7
圖8 表1三種不同假設(shè)下等效應(yīng)力結(jié)果 假設(shè)1假設(shè)2假設(shè)3
等效大應(yīng)變mm0.07970.1590.319
等效大應(yīng)力MPa63.2126253
等效貫穿應(yīng)力MPa3060130
等效熱應(yīng)力MPa150
總的等效集中應(yīng)力MPa180210280 4柴油機消音器計算結(jié)果分析
4.1對模型所做的假設(shè)說明
(1)墊塊與水腔外筒的接觸在實際情況下應(yīng)該為線接觸，而這里假設(shè)為局部面接觸，分析所得的水腔外筒所受的局部集中應(yīng)力偏??；
(2)實際柴油機消音器中，水腔內(nèi)筒內(nèi)側(cè)(氣流側(cè))還焊有30片導(dǎo)熱肋片，這里沒有考慮肋片對導(dǎo)熱的影響，所得的水腔內(nèi)筒溫度偏低，導(dǎo)致水腔內(nèi)筒熱變形較實際偏小，進而使分析所得的水腔外筒所受的局部集中應(yīng)力偏?。?BR>(3)柴油機消音器氣腔中筒以及其它內(nèi)部結(jié)構(gòu)未作考慮，而實際中這些結(jié)構(gòu)的溫度較高，產(chǎn)生的熱膨脹也會導(dǎo)致水腔外筒熱應(yīng)力增大。
因此，水腔外筒所受的實際應(yīng)力應(yīng)該比文中計算的結(jié)果還要大。
4.2柴油機消音器計算結(jié)果分析
(1)墊塊與水腔外筒的接觸位置是柴油機消音器熱應(yīng)力集中部位；
(2)墊塊與水腔外筒安裝不合理(過盈裝配)時，會導(dǎo)致墊塊與水腔外筒的接觸位置產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力；
(3)熱應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力之和(這里考慮應(yīng)力同向)為柴油機消音器水腔外筒實際受到的應(yīng)力，該應(yīng)力可能會導(dǎo)致水腔外筒產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。
5改進建議
(1)故障處理過程中多次發(fā)現(xiàn)墊塊與外筒體焊接為一體，從而導(dǎo)致內(nèi)外筒體剛遙遙連接，因此建議改進焊接工藝或者修改外筒體兩部分的焊接位置，避遙遙這一問題發(fā)生。
(2)在外筒體兩部分焊接前，對墊塊安裝及焊接過程進行嚴(yán)格控制，避遙遙墊塊擠壓外筒體，從而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。

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