基于CAE技术的发动机管路系统可靠性分析研究

董玉光，吴高腾，曹光光，邓小艳，赵云峰

（徐工集团徐州重型机械有限公司，江苏 徐州 221004）

系列大吨位起重机产品发动机增压管路故障率较高，其中胶管损坏问题居多。发动机涡轮增压后气体温度≥200℃，压力≥1700mbar，管路工作环境恶劣，传输高温、高压气体，胶管需具有承压强度高、耐高温、耐冲击、曲挠性能好等特性。

在工程机械产品创新优化设计中，CAE技术也得到广泛深入的应用。CAE技术能显著提升企业产品的设计研发水平，缩短新产品上市时间，增强产品的技术竞争实力，提高企业的形象。

为降低零部件故障率，提升产品可靠性，进行发动机增压管路工作可靠性技术研究，针对车辆实际使用工况，对胶管改进开发，并通过仿真分析及试验验证，实现系列产品改进应用。

1 改进方案分析

目前发动机增压管路使用的胶管是硅橡胶材料，具有较好的耐高、低温性能，但机械强度较低，拉伸强度、扯断伸长率等力学性能都较差。车辆在行驶状态下发动机管路一直处于振动状态中，加速了胶管的老化变形，用来固定钢管和胶管的抱箍也会出现松动，连接不可靠，导致胶管脱落。胶管在工作过程中受到高温高压气体冲击导致外径变化率大，胶管与钢管连接的拔脱力不够，易出现 脱落。

发动机增压管路出现爆裂、松脱、扭曲变形等现象的影响因素有：（1）胶管材质；（2）管路振动；（3）拔脱力。根据影响因素提出解决方案：（1）改进胶管材质；（2）增加固定支承；（3）加长胶管长度；（4）双抱箍固定。通过CAE有限元分析，对发动机增压管路模型进行仿真分析，验证并评判方案可行性，制定管路可靠性改进方案。

2 有限元模型建立

应用有限元方法模拟计算复杂结构的应力和应变成为1种有效的辅助设计方法，可以获得较精确的力学模型和充分的分析信息，便于进一步进行结构优化设计分析［1］。针对起重机实际结构边界条件进行定量的分析计算，提供丰富的、反映实际工况的计算结果，进行静力、动力、线性和非线性分析，为改进设计提供依据。

以某起重机的发动机增压管路为例进行仿真分析，将几何模型简化后得到有限元仿真模型。胶管材质为硅橡胶，钢管和钢圈为不锈钢，卡箍为结构钢；静力学分析时接触对之间设置为摩擦状态，振动分析时设置为绑定状态。管道内壁施加0.24MPa压力，管道两端和卡箍处固定，设置完成后分别对增压管路进行静力学分析和振动分析。图1～2所示。

图1 管路实体模型

图2 有限元模型

3 计算结果分析

以发动机与连接管路系统总成为研究对象，通过CAE有限元仿真分析，计算系统实际工况中的强度、刚度等指标，对管路承压、变形情况进行量化研究，通过计算分析，有效评判设计改进效果。

3.1 模态分析

对管路进行模态分析，得到模态频率和振型，振型多表现为胶管的振动。改进后，模态振型一致，管路各阶振动频率均降低20Hz左右，管路自身抗振固有特性提高。表1所示。

3.2 频响分析

发动机在工作过程中，涡轮增压器出来的高温、高压气体对管路造成脉冲性的冲击力，管路出现循环式应激受载［2］。对管路仿真模型进行频响分析，计算分析管路模态的振动响应特性，研究胶管动态位移及应力应变情况。

表1 改进前、后模态频率和振型

改进后，胶管的最大振动应力减小，由19.515MPa降至11.419MPa，最大振动应力区域均出现在钢圈固定位置，应变位移幅度减小。由此可见，胶管改进后，并增加钢圈数量，能有效减小胶管变形膨胀率，减缓振动冲击，提升管体承载能力及疲劳性能［3］。图3～6所示。

图3 改进前应力云图

图4 改进后应力云图

4 试验验证

对改进前、后的胶管进行试验验证，测试相关工作性能指标及可靠性。根据实际工况要求，试验过程中施加工作载荷，测试管路变形情况以及耐压能力、可靠性工作时间［4］。考核管路在高温、压力冲击、振动等条件下的性能变化，将气密性、耐压性、连接紧固性作为关键考察指标，分别采用高低温试验台及三综合试验台进行各项指标验证［5］。表2所示。

通过试验台架性能测试，改进后的胶管性能指标及可靠性明显提升。在高温、高压、振动工况下，胶管工作正常，未出现损坏、漏气问题，承载耐压性能好，爆破压力≥0.5MPa。管路未出现松动、脱落现象，连接牢靠，抗冲击能力强。

图5 改进前应变云图

图6 改进后应变云图

5 结束语

（1）对某大吨位起重机产品发动机管路系统进行可靠性技术研究，针对车辆实际使用工况，通过仿真分析及试验验证，实现设计优化。

表2 改进前、后胶管试验验证

（2）通过系统模态分析及频响分析，定量评判管路改进前后效果。管路改进后，有效减小胶管变形膨胀率，减缓振动冲击，提升管体承载能力及疲劳性能。

（3）本文为起重机等工程机械可靠性设计提供了1种设计分析方法，应用CAE仿真分析、试验台架验证的路线，对性能指标进行定量分析，不仅为产品的设计研发提供依据，而且缩短产品研发周期，增加企业效益。提高产品优化设计水平及工作可靠性，同时对于高温高压、振动试验的实施也具有参照意义。