热冲击工况排气管法兰漏气问题分析及优化

0 引言

国六排放法规和油耗要求非常严苛，随着发动机热效率越来越高，发动机的强化程度也越来越高。燃烧爆压的提升和废气温度的大幅升高，使排气系统长时间承受高温高压环境的冲击，运行环境极其恶劣

。

他表示，大学实验室和Calyxt等公司的科学家已经着手设计更有营养、更方便、可持续发展的农作物。低成本的基因编辑技术使得小型企业能够在长期由大型农企主导的领域竞争中崭露头角。

排气系统的高温密封问题目前还一直是业内难题，市场上的故障也有相当一部分是排气管的断裂、漏气问题。排气管不仅是作为一个废气传输部件，同时还固定增压器，作为受力部件，在高温高压的环境下，加上发动机的振动带来的排气管断裂、漏气问题尤为突出。针对这种复杂的高温高压环境，零件的故障分析将很难模拟还原实际工况过程。同时不同的机型，不同的发动机排气系统结构，会有不同的温度变化，不同的受力结构这些边界得变化，这些边界条件的变化对高温密封的实际要求都会产生较大影响，所以必须针对不同的机器去做有针对性的分析，提出有针对性的实施方案，才能有效的解决高温密封问题。

发动机热冲击试验是发动机新产品开发放行耐久考核的重要试验之一。其试验过程是在标定工况状态与发动机倒拖状态之间往返循环，全油门到发动机最高排气温度，然后迅速进行发动机倒拖，使废气温度急速下降室温，在高达几百度的温差下，特别是排气管，必然会产生内部应力的变化及变形，所以冷热交变工况对排气系统零部件的可靠性考核非常严苛。

在进行某柴油机排气管在热冲击耐久试验考核过程中，出现排气管法兰漏气问题，严重影响发动机排气系统可靠性，通过对耐久试验过程中的问题现象逐步分析，提出针对性的优化方案，并结合仿真技术计算评估，使排气管最终通过热冲击耐久考核验证，保证发动机排气系统的可靠性

。

从垫片面压对比曲线图3.2也可以看出，四层垫片的冷热面压变化幅值很大，持续的大幅值变化会严重影响垫片的回弹密封，同时垫片疲劳失效风险较高。而三层垫片结构，冷热状态压力幅值变化非常小，说明垫片的受力无论温度的变化，密封状态都很稳定，且最小密封压力也远满足排气压力的要求

。

1 故障描述

图1.1为某柴油机四缸整体式排气管结构，每缸通过两颗对角布置的高温螺栓固定在缸盖上，其中，在三、四缸之间，有增压器法兰，固定增压器；在一二缸之间有EGR法兰，固定EGR阀。排气管与缸盖之间装有耐高温不锈钢垫片，来保证排气管与缸盖结合面密封，防止法兰面之间的废气泄漏。

在试验室热冲击台架上，热冲击耐久试验过程中发现缸盖四缸边缘位置出现熏黑现象，初步说明排气管法兰已经发生漏气，暂停试验后，拆下排气管后发现碳烟已经穿过排气管垫片密封带，如图1.2所示，说明排气管垫片已密封失效，导致漏气产生。

2 故障分析

复测耐久后的螺栓力矩，最小处仅剩初始力矩的30%，从表2.1中发现，耐久拆检紧力矩和松力矩，与初始力矩比值，中间两缸的力矩小于边上两缸的力矩值，这主要是由于受冷热冲击影响，造成排气管相对缸盖平面，两边翘曲，两侧螺栓受拉力作用而力矩较大，实际在热冲和冷冲过程中，排气管会不断的在伸长和收缩之间变化，螺栓力矩的衰减大也说明排气管法兰的变形过大。

5.课堂抢答。教师发布课中练习题，并让学生在规定时间内通过“雨课堂”进行抢答，同时设置了答题最快的三名学生可以得到一个课堂红包的环节；最后，教师公布正确答案及答题结果。意图是通过课堂答题的形式，检查学生对课程相关知识点的掌握情况，同时处于课堂学习中期阶段，学生的学习关注度有所下降，设置通过抢答及发红包的形式，再次激发学生的参与积极性，增强课堂的趣味性。

排气管垫片由原来的四层(半波)结构改为三层(两层半波带限位层)结构，改进结构如图3.1所示，其中上下两层为起波结构，中间一层称为stop层，保护上下两层起波垫片，防止波型被压溃；同时，因为有stop层支撑，垫片与排气管法兰面接触的支撑面大大增加，相同的螺栓紧固力作用下，排气管约束加大，对应的排气管的法兰热变形将减小，有利于密封。

经过对故障的分析之后，基本锁定故障原因为两方面：一是排气管受冷热冲击，排气管法兰变形较大；二是四层垫片的结构，法兰变形引起垫片回弹衰减，螺栓力矩衰减较大，最终表现垫片密封压力不足，导致漏气。

为降低排气管两侧的漏气风险，将1缸和4缸的螺栓由两颗固定增加到三颗固定，增加螺栓约束来限制排气管变形量。由仿真结果对比看出，如图3.3所示，相同排气管垫片结构，增加螺栓后，排气管法兰变形量可降低约30%，改进效果明显。但是，增加螺栓固定约束会降低排气管的低周寿命，是否满足低周寿命要求，需要进一步的仿真计算评估。

2.1 排气管法兰变形

测量耐久后排气管法兰平面度为初始平面度要求值的五倍，说明排气管法兰变形较为严重。排气管在平面台上目测发现，排气管法兰结构已经产生了永久性变形，成内凸形状，同时推测在试验过程中，排气温度处于最高点，排气管材料将受高温作用，导致结构强度降低，抗变形能力减弱，排气管的热变形可能会比常温测量的此值更大，漏气的风险会更高。

排气管固定在缸盖上，在螺栓紧固力的约束作用下，会限制排气管的热变形，紧固力越大，排气管变形越小，但依照之前经验来看，过大的螺栓紧固力，会使排气管本身产生的热变形应力无法得到释放，严重时会导致排气管在热冲击循环中产生裂纹或断裂。

2.2 排气管垫片结构

通过排气管法兰测温，可以排除不锈钢垫片因高温问题造成的材料机械性能失效。垫片结构是影响垫片密封的最重要因素。针对垫片结构，该机型排气管垫片采用四层半波结构，如图2.2所示，冲压波型具有一定的宽度和高度，排气管在冷热冲击过程中不断的变形，使排气管垫片也一直在承受压缩回弹的动态变化过程，四层(半波)垫片累加波高较大，在装机完成后，四层垫片波形将会有较大的回弹余量，在静态密封状态下可以满足密封要求，但在冷热变形状态下，较大的波高容易造成排气管的热变形较大。随着垫片回弹性能的衰减，较大的法兰变形，导致密封压力不足，导致漏气产生。实际的耐久试验也得以说明此问题。

2.3 螺栓力矩衰减

该机器在之前已完成的负载循环耐久试验，未发生该漏气问题，而在热冲击耐久试验中却出现该问题，对比试验工况，说明在冷热突变工况下，是造成排气管漏气的主要产生原因，此工况对排气管垫片的密封要求更高。

which implicitly define ρM are no longer valid here, since they were deduced by assuming an identity window function.

3 方案改进优化

根据故障分析结果，提出两种改进措施：措施1，优化垫片结构，提升垫片波型的动态密封能力，同时可降低排气管法兰变形；措施2，增加螺栓数量，增加排气管法兰固定约束力，减小排气管的法兰变形。

3.1 排气管垫片结构优化

为全面细致排查故障原因，列出详细的故障分析树，如图2.1所示，通过故障树排查，可以更明确的锁定故障产生原因，进而更有效的提出对应的改进方案措施：

（2）进口国人均GDP（ln pergdp）对中国机械运输设备出口的扩展边际和数量边际显著为正，表明进口国国民购买能力的提高对中国机械运输设备的种类和数量增长都起到了明显的推动作用，人均GDP每增长1%，产品出口种类增长0.028%，数量增长0.106%，但对价格边际的影响为负。由于我国机械运输设备缺乏竞争力，而随着进口国人均收入水平的提高，对产品的质量和档次的要求也越高，所以企业出口只能以更低的价格获得市场份额。

3.2 排气管增加螺栓固定

之前，厂团委在调研过程中了解到，宋凯在新岗位上遇到一些难题：身为一名主操，他在思考问题时，不能够全方面地分析，自然也就无法做出准确的判断。而和他同在一个单位的马存功也曾经有过同样的困惑。

4 排气管低周疲劳校核

针对改进方案：排气管垫片调整为三层结构；固定螺栓增加为10颗。计算评估垫片的密封性能，排气管的低周寿命。

4.1 搭建计算模型

搭建完整的仿真计算模型，包括缸盖、排气管、增压器、排气接管等，如图4.1所示。

常规检验组准确96例，错误10例，检验结果准确率88.89%，误诊率9.82%，治疗有效率89.81%，失控1，假受控5，真受控率95.37%；PDCA改进组准确102例，错误3例，准确率94.44%，误诊率2.77%，治疗有效率96.29%，失控0，假受控0，真受控率100%；差异有统计学意义（P＜0.05）。

4.2 温度场计算

计算出排气管热机工况和冷机工况下温度变化的过程情况，即以此来模拟冷热循环温度状态

，计算过程将在冷热状态下循环进行。计算结果如图4.2所示。

4.3 结果提取分析

排气管垫片最小密封面压计算结果如图4.3所示，密封带完整，且最小密封压力远满足实际排气压力要求。

排气管低周寿命计算最低次数约为6200次，出现在排气管内侧流道，满足冷热冲击耐久试验次数要求

，如图4.4所示。

5 试验验证

改进措施实施，重新搭载热冲击耐久试验，耐久完成后进行零部件拆检，如图5.1所示，缸盖法兰面垫片密封带外侧干净，没有碳烟泄漏，同时检查排气管也没有裂纹。

根据表1、表2可知，无论常量元素还是微量元素，大多都发生了富集现象，而元素的来源与地表水及地下水有很大关系。化学溶蚀对母岩化学成分的改变很大，CaCO3、MgCO3溶解后被水流带走，剩余的难溶物质开始富集，Al2O3、Fe2O3等在母岩中的含量还不足1%，却成为难溶堆积物的主要成分。这也说明要形成一定厚度的残余堆积物，需要溶蚀更大厚度的母岩。碳酸盐岩的岩溶作用不断将母岩中的可溶性成分溶解并随水带走，剩下的部分是难溶物质富集起来，所以 Si、Al、Fe 的比例逐渐增多,Ca、Mg 等盐基物质则逐渐减少。

试验结果表明，排气管法兰密封效果良好，改进措施有效，解决了漏气问题，排气管也未有裂纹，试验考核通过。

6 结论

通过试验故障现象，详细的故障树排查分析判断热冲击问题漏气问题产生的原因，针对故障原因提出对应的改进方案，借助仿真计算对改进措施进行校核验证，有效的验证措施的可行性，极大的缩短改进设计周期，最终通过对改进措施进行试验验证，使漏气问题得到解决，提升排气系统的可靠性。

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