共軌管內(nèi)增壓工藝及疲勞性能影響
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摘要：高壓共軌是未來(lái)柴油機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)共軌系統(tǒng)中重要的總成之一共軌管，開(kāi)展內(nèi)增壓工藝研究。通過(guò)爆破試驗(yàn)確定共軌管的平均爆破壓力為880MPa，結(jié)合有限元分析設(shè)計(jì)了不同內(nèi)增壓強(qiáng)化壓力，利用疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)定強(qiáng)化壓力的合理性，最終確定內(nèi)增壓強(qiáng)化壓力為748MPa。經(jīng)內(nèi)增壓處理后，共軌管的疲勞壽命顯著改善，在20~200MPa壓力下，疲勞壽命達(dá)1000萬(wàn)次，滿足國(guó)六法規(guī)要求。
1前言
高壓共軌技術(shù)是未來(lái)柴油機(jī)發(fā)展的主流趨勢(shì)[1]。與傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)相比，高壓共軌系統(tǒng)具有更高的噴射壓力和更為柔性、精確的噴射方式[2]。隨著排放法規(guī)要求的日益嚴(yán)格，高壓共軌系統(tǒng)燃油噴射壓力將不斷提高。共軌管作為高壓共軌系統(tǒng)中的儲(chǔ)能元件[3]，對(duì)噴油壓力、速率及噴油量等參數(shù)有重要影響。共軌管的作用為抑制由于高壓泵供油和噴油器噴油產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。在車(chē)輛使用過(guò)程中，受啟停、怠速、重載加速等因素的影響，共軌管需承受交變載荷，根據(jù)最新的排放法規(guī)要求，共軌系統(tǒng)需承受最高200MPa以上的工作壓力。噴射壓力的提高，對(duì)共軌管承壓能力、強(qiáng)度提出了更高的要求。通常，增加容器壁厚在一定程度上可以提高容器的承載能力。但對(duì)于高壓、超高壓容器，隨著工作壓力的提高，無(wú)限增加壁厚，會(huì)使得容器壁上的應(yīng)力分布更加不均勻。而且，當(dāng)容器內(nèi)的工作壓力大于一定程度時(shí)，增加壁厚并不能避免內(nèi)壁的屈服。另外，壁厚增加會(huì)增多材料的消耗，提高成本，增加質(zhì)量。因此，提高高壓及超高壓容器彈性承載能力的有效方法就是使容器內(nèi)壁產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力［4］，也就是內(nèi)增壓強(qiáng)化。本文以某共軌管為研究對(duì)象，研究了共軌管的內(nèi)增壓工藝，并利用疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1共軌管爆破試驗(yàn)
將共軌管內(nèi)腔充滿介質(zhì)，所有油孔封住加壓，直到軌管的某處損壞，此時(shí)的壓力即為爆破壓力。試驗(yàn)用共軌管共3根，圖1所示為共軌管實(shí)物，材料為38MnVS6。爆破后，3根共軌管的損壞位置均為進(jìn)油口處，圖2所示為共軌管損壞后的形貌。3根共軌管的爆破壓力分別為879.7MPa、889.7MPa、901.3MPa，因此共軌管的爆破壓力應(yīng)為879.7MPa。
2.2共軌管內(nèi)增壓試驗(yàn)
38MnVS6材料的屈服強(qiáng)度為660~670MPa，內(nèi)增壓工藝需要使共軌管內(nèi)壁屈服。圖3為共軌管經(jīng)660MPa強(qiáng)化后的模擬分析結(jié)果，經(jīng)有限元分析，強(qiáng)化壓力達(dá)660MPa時(shí)，強(qiáng)化效果良好。對(duì)強(qiáng)化后的共軌管剖開(kāi)進(jìn)行研究，共軌管內(nèi)表面及內(nèi)孔交接處未發(fā)現(xiàn)裂紋及其它破壞，共軌管的強(qiáng)化過(guò)程沒(méi)有對(duì)共軌管造成破壞。本文設(shè)計(jì)了4個(gè)強(qiáng)化壓力660MPa、704MPa、748MPa、792MPa，分別為爆破壓力的75%、80%、85%、90%。共軌管強(qiáng)化工藝流程為充液—加載—保壓—泄壓，保壓時(shí)間為3s。
2.3共軌管疲勞試驗(yàn)
為研究?jī)?nèi)增壓工藝對(duì)共軌管疲勞性能的影響，對(duì)不同壓力強(qiáng)化處理后的共軌管進(jìn)行疲勞壽命的試驗(yàn)研究，以確定較為合理的強(qiáng)化工藝參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)備為P&P脈沖試驗(yàn)臺(tái)。該脈沖試驗(yàn)臺(tái)的壓力可以按照15Hz的頻率從5~450MPa交替變化。本研究的試驗(yàn)頻率為8Hz。每種應(yīng)力條件下至少采用3根共軌管進(jìn)行試驗(yàn)。未經(jīng)內(nèi)增壓處理的共軌管疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。未做內(nèi)增壓處理的共軌管磁粉探傷結(jié)果見(jiàn)圖4，裂紋見(jiàn)箭頭所示。不同強(qiáng)化壓力處理后，共軌管疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。隨強(qiáng)化壓力的提升，共軌管疲勞壽命逐漸提高，經(jīng)748MPa處理后，共軌管疲勞壽命最高，平均應(yīng)力循環(huán)數(shù)較未處理時(shí)提高約60倍。當(dāng)強(qiáng)化壓力進(jìn)一步升高至792MPa時(shí)，軌管的疲勞壽命有所下降。因此，在本文設(shè)定的載荷條件下，選用748MPa為共軌管的內(nèi)增壓強(qiáng)化壓力。在20~200MPa應(yīng)力條件下，共軌管疲勞壽命達(dá)到1000萬(wàn)次未開(kāi)裂，滿足國(guó)六法規(guī)要求。
2.4共軌管組織硬度分析
共軌管內(nèi)壁未做內(nèi)增壓處理時(shí)的截面組織見(jiàn)圖5，組織為珠光體加鐵素體，距內(nèi)壁表面50~70mm處的硬度為274~283HV0.1。強(qiáng)化處理后共軌管內(nèi)壁進(jìn)油孔處所受壓力最大，內(nèi)壁進(jìn)油孔的截面組織見(jiàn)圖6，組織為珠光體和鐵素體，與未做處理時(shí)相比無(wú)明顯變化，未發(fā)現(xiàn)組織有畸變形態(tài)，距內(nèi)壁進(jìn)油孔表面50~70mm處的硬度為293~311HV0.1。
2.5共軌管強(qiáng)化的原理分析
在共軌管的內(nèi)腔充滿介質(zhì)，短時(shí)間給內(nèi)壁施加很高的壓力，使共軌管內(nèi)壁屈服，共軌管內(nèi)壁受壓應(yīng)力產(chǎn)生徑向擴(kuò)大的殘余變形，然后卸除壓力。此時(shí)，由于共軌管外層材料的彈性收縮，使已經(jīng)發(fā)生塑性變形的共軌管內(nèi)層材料在彈性恢復(fù)后產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而獲得殘余壓應(yīng)力。共軌管內(nèi)增壓強(qiáng)化處理的最大優(yōu)點(diǎn)為內(nèi)壁所受的應(yīng)力降低并分布均勻，全部應(yīng)力維持在彈性范圍內(nèi)，增加了彈性控制的范圍，提高了彈性承載能力。另外，內(nèi)壁存在壓縮殘余應(yīng)力，工作時(shí)將使內(nèi)壁平均應(yīng)力降低，疲勞強(qiáng)度顯著提高。圖7所示為共軌管強(qiáng)化的示意圖。圖8為共軌管強(qiáng)化中及強(qiáng)化后的受力情況示意圖。共軌管在實(shí)際工作中，主要的應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋而發(fā)生破壞。共軌管在加工過(guò)程中，內(nèi)表面也會(huì)不可避免地產(chǎn)生一定數(shù)量的微裂紋，柴油機(jī)在高頻率下工作時(shí)，內(nèi)壁的微裂紋將會(huì)持續(xù)擴(kuò)展，影響疲勞壽命。經(jīng)內(nèi)增壓強(qiáng)化后，軌管內(nèi)層的殘余應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，可以有效降低軌管工作時(shí)的所受的拉應(yīng)力，改善了軌管工作時(shí)的受力情況，并且會(huì)抑制軌管內(nèi)表面微裂紋的發(fā)展，從而提高共軌管的疲勞強(qiáng)度。
3結(jié)論
a.利用爆破試驗(yàn)得到共軌管的爆破壓力，共軌管強(qiáng)化壓力選擇為爆破壓力的75%~85%。b.選擇748MPa作為共軌管內(nèi)增壓處理的強(qiáng)化壓力，保壓時(shí)間3s。經(jīng)748MPa處理后，在（20~240）MPa應(yīng)力條件下共軌管的應(yīng)力平均循環(huán)次數(shù)較未經(jīng)處理時(shí)提高約60倍，在（20~200）MPa應(yīng)力條件下，共軌管的疲勞壽命達(dá)1000萬(wàn)次不開(kāi)裂。
參考文獻(xiàn)：
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作者：李文平 吳欲龍 蘇曉東 單位：中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司研發(fā)總院