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1、汽车工程系湖北汽车工业学院HUBEI UNIVERSITY OF AUTOMOTIVE TECHNOLOGY毕 业 设 计 论 文 综 述综述题目某柴油机机械泵高压油管数值模态分析班号KT843-3专业车辆工程学号2008K430301学生姓名房中华指导教师张继伟10湖北汽车工业学院毕业设计论文综述喷油泵高压油管是柴油机嫩油系统高压油路的重要组成部分。高压油管通过压力波的形式将柴油以一定的压力和速度输送到喷油器，所以对嫩油喷射特性有着不可忽视的影响。由于高压油管有一定的弹性变形，所以其长度和内径直接影响柴油的喷射过程，从而影响了柴油机的工作为达到然油系统的工作性能，对高压油管提出如下要求。a.
2、高压油管内径应尽可能小，以减小高压容积；b.刚度大、强度高，坑变形和承受能力强；c.长度尽可能短，以提高防振性能；d.多缸发动机各缸油管要求长度一致，以达到各缸喷油延迟时间也一致，油管转折处弯曲半径不得小于油管外径的6倍；e.油管的长度和内径对喷油均匀性及喷油始点均有直接影响，所以要求按流2进行分组，同一台发动机上必须配用同一组的油管。一、国内外现状为了保持柴油机作为交通领域主要动力的地位，满足其高速、轻型、大功率的发展要求，并面对世界各国日益严格的排放法规，必须进一步改善其燃烧特性，提高供油压力近年来，柴油机厂大多采用了高泵端压力的喷油泵，加剧了机体振动，供油系高压油管在使用中要承受更高的泵
3、端喷射压力，事故率上升明显，给柴油机厂和用户带来了极大的损失。本文结合现阶段柴油机装配大马力喷油泵而造成的高压油管故障率上升的实际，以某型号六缸柴油机为研究对象，对其故障件进行统计，并结合疲劳理论进行分析，确定了易受损的危险部位将局部应力、应变实验测量法应用到高压油管危险部位的测量中，对危险部位的因受周期性外力而产生的应变的大小、应变变化的频率和振幅进行测量，为分析疲劳破坏提供了必要的数据支持，并为改进提供了理想的检验标准通过疲劳理论和流体力学理论对其工作状况和破坏机理进行分析，在国标的基础上，结合柴油机厂的生产实际，制定了厂内部的高压油管设计规范，为油管的设计提供了依据结合有限元分析方法，建
4、立柴油机高压油管-管夹模型，对其工作规律和工作模态进行了研究，得出了油管的动态特征信息，为设计及优化提供了有效地参考数据结合模态分析理论，提出了改进管形、管夹的设计方案，并利用有限元分析方法，指导高压油管的改进，改进结果经实验验证和产品信息反馈，降低了高压油管的应变，提高了高压油管的整体抗疲劳性能，进而提高了高压油管的整体可靠性，对于解决实际问题缩短各机型油管试验分析具有很好的指导意义1。二、综合分析2.1、柴油机高压油管用材料德国和日本等国相继开发了适用于各强度等级的高压油管材料，并研发出提升燃油管耐压性能的各种工艺。高压油管属于典型的承受内高压的单层厚壁管材，内孔油压在燃油管截面上形成的应
5、力沿管壁厚度分布并不均匀，管壁内表面上的周向（切向）应力、径向应力均处于峰值水平。因此，起源于燃油管内孔表面的纵向开裂是高压油管可能的主要失效形式。一直以来，主要有两条技术路线来提升高压油管的承压能力：一是开发高强度等级的材料；二是开发减小或消除高压油管内表面缺陷的工艺方法。一方面，高压油管冷镦、冷弯成形工艺性能和油管接头的锥面或球面刚性密封形式限制了高压油管材料强度的提高；另一方面，冷拔成形的高压油管容易在内孔形成纵向裂纹、划痕、发纹等缺陷。因为细长孔的限制，这些缺陷难以在燃油管成形后除去，因而大幅度降低了高压油管的承压能力。因此，如何改善高压油管材料的内壁表面质量或者减少其影响，成为各高压
6、油管材料生产商和高压油管零件生产商最重要的技术秘密。2.1.1、高压油管材料的高强度化趋势高压油管管材普遍采用适宜冷拔成形的低碳、低合金管线钢生产，通过冷拔强化和后续适当的热处理来保证管材获得适当的强度和塑性。按照其所处的工艺状态，分为冷拔态（BK）、冷拔去应力退火态（BKS）、冷拔正火态（NBK）、冷拔退火态（GBK）。目前，欧洲各国普遍引用的ISO85351柴油发动机-高压燃油喷射管用钢管 第一部分：冷拔无缝单壁钢管要求标准中规定了3个强度等级的高压油管材料。这3种材料制成的高压油管仅适用于1600105Pa以下的工作压力2。2.1.2、改善高压油管内孔表面质量的特殊工艺影响高压油管使用寿
7、命的另一个重要因素是油管内表面缺陷的数量和深度。由于高压油管在冷拔加工过程中，内表面不可避免产生微裂纹，当柴油机工作时，微裂纹继续扩展导致早期失效。在最新发布的ISO85351柴油发动机-高压燃油喷射管用钢管第一部分：冷拔无缝单壁钢管要求标准中对燃油喷射管内表面缺陷按数量和深度进行了分级，并在2006年发布的标准基础之上增加了O级，进一步提高了对燃油管表面质量的要求，不过目前O级表面质量要求基本没有生产厂家能够达到。通过各种机械或化学处理方法能够有效地减少缺陷。例如，德国P+P精密钢管厂就是在Q级管材的基础之上进行额外的化学处理达到P级水平，但是化学处理方法制造成本很高，从经济性角度考虑不是最
8、好的选择。因此，内壁强化工艺是目前普遍采用的高压油管内表面处理方法。该方法是通过优化管材表面应力的分布，产生内压外拉的应力状态，可有效减缓裂纹扩展速度，不仅能够提高燃油管的耐压能力，同时可以减少疲劳试验中的数据分散性。德国Mannesmann Prazisrohr有限公司在开发CRG-800材料的过程中，对两种优化表面状态的工艺进行了试验对比。一种是管材经冷拔后采用化学处理方法，使表面质量达到P级，另一种是管材冷拔后达到Q级表面质量3。2.1.3、内壁强化工艺简介内壁强化工艺是在高压油管的制造过程中，通过在燃油管内壁施加超高的压力，使高压油管内壁屈服，产生塑性变形，然后卸除压力。由于高压油管外
9、层材料的弹性收缩，使已经塑性变形的内层材料受到外层的弹性压缩而产生压缩应力，高压油管内壁虽然发生塑性变形，但高压油管工作时仍然是处于弹性范围内，从而提高高压油管的弹性工作范围3。内壁强化一般是在燃油管冷弯成形工序之后进行。目前，国内使用的内壁强化设备和工装都是从国外引进，主要控制参数是强化压力和时间。国外对于强化压力的设定一般是材料爆破压力的75%80%。如德国P+P精密钢管厂强化压力的经验公式是：强化压力=0.85安全系数爆破压力（安全系数取0.9）=0.765爆破压力。对于强化时间，关键是控制从打压开始至达到规定压力值所用的时间，达到规定压力后其保压时间的长短对性能的影响不是很大。德国Ma
10、nnesmannPrazisrohr有限公司和Salzgitter Mannesmann研究所合作开发了一种模拟软件，通过输入燃油管的尺寸和材料信息得到最优化的强化压力，该软件可应用于各种高压油管的工艺控制4。2.2、高压油管断裂失效分析采用宏观形貌分析、化学成分分析、金相显微组织分析、力学性能测试、SEM微观形貌分析等手段，对321不锈钢高压油管的断裂原因进行了分析。结果表明，该高压油管断裂属于轴向交变应力作用下的疲劳断裂，粗管段焊接后热处理工艺不良是造成高压油管发生疲劳断裂的主要原因5。2.2.1、实验方法对发生断裂的高压油管线切割取样，用宏观观察检测断口表面，用直读光谱仪检测了高压油管的
11、化学元素组成，用金相显微镜研究了高压油管焊缝的微观组织，用WDW电子万能力学试验机研究了断裂的高压油管的力学性能，用SEM研究了断裂的高压油管断面的微观形貌。2.2.2、实验分析1、高压油管材料成分分析化学成分分析结果。可知油管材料为321不锈钢。成分分析结果中硫元素和磷元素含量偏高是由于油管中介质抗燃油中含有的阻燃剂所致。2、高压油管力学性能测试由于粗管段材料太短不能做拉伸试验，对高压油管细管段材料进行拉伸性能测试。可以看出，高压油管细管段材料的抗拉强度和伸长率都满足ASTM标准4规定的321不锈钢力学性能的标准要求。3、高压油管微观断口形貌分析高压油管微观断口形貌可以看出，微观断口表面分为
12、三个明显不同的区域，在疲劳断裂区可以明显看到疲劳辉纹，从疲劳辉纹的间距可以判断出该高压油管断裂为高周疲劳断裂6，从扩展区的扫描电镜照片上可以看到一定的韧性撕裂棱，最后的瞬断区可以看到韧窝，说明该冲击断口微观形貌为典型的准解理断口，断裂晶粒内部可见河流花样， 而断裂晶粒边缘存在部分韧性撕裂痕迹。实际断口的微观形貌可看出，实际断口表面覆盖大量腐蚀产物，腐蚀产物呈现球形，虽然由于腐蚀产物的覆盖难以判断断口微观形貌特征，但在高倍条件下仍然可以观察到断口的脆性特征。对弹簧断口腐蚀产物进行EDS 成分分析，结果表明，断口表面腐蚀产物主要由碳、氧、硫和铁等元素组成，碳元素和硫元素可能主要来源于润滑油，主要腐
13、蚀产物为氧化铁(铁锈)。2.3、基于ANSYS的高压油管静力分析随着柴油机功率的不断强化和提升以及对柴油机排放提出更高的要求，各柴油机生产厂家都将持续对柴油机进行改进和强化，以不断提高柴油机的性能。柴油机高压喷射技术是解决柴油燃烧提高燃油经济性很重要的一环。在柴油机高压喷射技术中，高压油管在工作状态下由于承受120180MPa的高压，因此需对柴油机高压油管进行有限元的应力、应变分析，找到避免高压油管在工作状态下出现破裂的原因，然后设计对高压油管进行改善化，以提高高压油管的的可靠性和使用寿命。本文主要在ANSYS软件中对柴油机高压油管进行了建模分析，并比较了两种不同型号的高压油管在同一高压下的应
14、力、应变的情况，为我们在高压油管的选择提出了一些建议。柴油机喷射技术的发展及现状柴油机喷射技术在其发展过程中经历了3次飞跃：第一次飞跃是20世纪20年代开发的机械泵式燃油喷射技术；第二次飞跃是20世纪50年代发展起来的增压技术；第三次飞跃则是20世纪70年代以来一直蓬勃发展的电控技术。这三次飞跃，使柴油机燃油喷射技术经历了从自然吸气式与非直喷结合的发动机和用于卡车的直喷发动机到100直喷与电控结合的轿车柴油发动机的转变，已经使现代柴油机进入高新技术产品领域。同时共轨喷射系统以其高度的控制灵活性，已成为降低柴油机排放的主要新技术之一。目前柴油机电控喷射技术主要趋势是集中在电控高压喷油系统上，下面
15、对目前几种主要的高压喷油系统的进行了对比汇总。可以看出：电控高压共轨式喷油系统的性能最佳，SSI2 系统与HEUI系统的技术指标次之，而SSI1系统居第4位。尽管目前电控泵一喷嘴式高压喷油系统和电控单体泵式高压喷油系统就其应用数量和应用场合而言，可能要占一定的优势，但从长远发展来看电控高压共轨式喷油系统将成为柴油机喷射技术的主流7。2.3.1、柴油机高压油管的建模1、高压油管建模参数设置本文选取的两个型号的高压油管分别为：（1）d06001mm，d20025mm；（2）d08mm001，d30025mm，油管长L600mm。由于高压油管内表面承受120180MPa，甚至更高的压力，目前最高能达
16、到200MPa。因此本文将油压设置为180 MPa，油管材料选择：弹性模量E206GPa，泊松比v03。2、高压油管的建模分析由于油管沿长度方向的尺寸远大于油管的直径，在进行计算时可忽略油管的断面效应，认为在其长度方向无应变产生，即可将高压油管的应力、应变问题简化为平面应变问题，取油管横截面进行建模8。3、在ANSYS软件中建模根据以上选定的两种高压油管尺寸在ansys中分别建模并划分网格。2.3.2、模型求解并分析结果在完成建模后对模型进行加载，并限制模型的自由度，然后进行运算求解得到两种尺寸的油管的各自应力、应变情况9。2.3.3、柴油机高压油管的模态分析柴油机喷油泵高压油管是柴油机燃油系统高压油路
