金江善，方文超

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

船用柴油機(jī)電控噴油器高速電磁閥耐久性研究

金江善，方文超

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

電控噴油器是保障船用大功率柴油機(jī)可靠運(yùn)行、提高整體性能、降低污染排放的關(guān)鍵部套，其中高速電磁閥則是決定電控噴油器性能的核心部件，然而目前對(duì)高速電磁閥工作耐久性分析的研究還非常缺乏，導(dǎo)致電磁閥的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)還存在瓶頸。因此，本文在高速電磁閥動(dòng)力學(xué)性能數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合配機(jī)耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)高速電磁閥在不同工況下的機(jī)械疲勞問(wèn)題展開(kāi)綜合性研究，重點(diǎn)討論并驗(yàn)證了量孔板密封錐面撞擊理論壽命模型的有效性，研究結(jié)果可為電控噴油器電磁閥的設(shè)計(jì)優(yōu)化及壽命預(yù)測(cè)提供科學(xué)支撐。

電控噴油器；高速電磁閥；可靠性；耐久性分析；動(dòng)力學(xué)仿真

0 引 言

隨著化石能源的日趨枯竭和排放法規(guī)日益嚴(yán)格，柴油機(jī)朝著低污染、低油耗和高比功率的方向發(fā)展。作為 20 世紀(jì)末內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的三大突破進(jìn)展之一的電控高壓共軌系統(tǒng)[1]，可以做到對(duì)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且根據(jù)每個(gè)工況變化計(jì)算出實(shí)際需要的油量、壓力和正時(shí)，以此改善燃燒，使柴油機(jī)具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性，因此，高壓共軌技術(shù)被認(rèn)為是解決柴油機(jī)環(huán)保和節(jié)能雙重壓力的最有效與最經(jīng)濟(jì)的手段之一[2]。高速電磁閥作為電控高壓共軌系統(tǒng)電控噴油器的核心部件，其精準(zhǔn)控油能力對(duì)柴油機(jī)噴油和燃燒效果具有極大影響[3]，如何保證電磁閥的可靠性是關(guān)鍵問(wèn)題。

電磁閥所處的工作環(huán)境極其惡劣，開(kāi)啟周期在毫秒量級(jí)，鋼球與量孔板密封錐面頻繁高速撞擊，因此量孔板密封錐面耐久性成為影響噴油器可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。目前，針對(duì)電磁閥的研究主要集中于其動(dòng)態(tài)響應(yīng)[4–9]，并取得了一定進(jìn)展，但關(guān)于電磁閥密封錐面耐久性的研究比較稀少。梁家玉等[10]通過(guò)對(duì)電磁閥噴油器國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的解析，得出了耐久性檢測(cè)的技術(shù)條件及功能需求，并據(jù)此設(shè)計(jì)了耐久性試驗(yàn)臺(tái)；李文平等[11]研究了2種材料的球與3種材料的孔板配副的摩擦磨損性能，指出其中鋼球-量孔板密封錐面為電磁閥耐久性的薄弱環(huán)節(jié)，但是由于條件限制，未能對(duì)密封面耐久性給出量化指標(biāo)。陳云霞等[12]針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的耐久性指標(biāo)計(jì)算提出了一套基于故障物理的壽命分析方法，為電磁閥的耐久性研究提供了定量計(jì)算的思路。

本文首先針對(duì)電控噴油器高速電磁閥所存在的耗損型失效機(jī)理進(jìn)行定性分析，確定引起電磁閥失效的主機(jī)理，針對(duì)確定的球閥沖擊疲勞機(jī)理開(kāi)展數(shù)值仿真分析，獲取不同工況條件下的沖擊應(yīng)力，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了耐久性指標(biāo)計(jì)算，考慮到實(shí)際使用環(huán)境條件下的超高周疲勞問(wèn)題，通過(guò)分析材料在超高周條件下的疲勞性能，預(yù)測(cè)了電磁閥的理論壽命，并開(kāi)展相應(yīng)的耐久性試驗(yàn)，用以驗(yàn)證電磁閥的耐久性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，從而為電磁閥的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 高速電磁閥失效機(jī)理分析

圖1是電控噴油器的工作原理圖，高速電磁閥與針閥偶件、控制柱塞偶件等共同作用，精準(zhǔn)控制噴油器噴油。

來(lái)自共軌管的高壓燃油經(jīng)過(guò)高壓油管進(jìn)入噴油器體主油道，然后分為4部分，其中一路進(jìn)入噴油器體頭部的蓄壓腔，另一路通過(guò)進(jìn)油量孔進(jìn)入控制腔，控制腔與進(jìn)出油量孔相連。剩余2路的高壓燃油兩側(cè)向下進(jìn)入針閥偶件的盛油槽。

當(dāng)電磁閥不通電時(shí)，鋼球在電磁閥彈簧力作用下關(guān)閉出油量孔，腔蓄腔內(nèi)壓力升高，高壓油作用在控制柱塞頂部，由于作用承壓面積的差異使得針閥關(guān)閉；當(dāng)電磁閥通電時(shí)，銜鐵在電磁力作用下克服電磁閥彈簧的壓緊力而吸合，鋼球在液壓力作用下也隨之抬起，控制腔內(nèi)燃油通過(guò)出油量孔卸壓，當(dāng)控制室油壓足夠小的時(shí)候，針閥承壓面所受燃油壓力克服電針閥彈簧力和柱塞上座面壓力，抬起針閥，開(kāi)始噴油。

從電磁閥工作過(guò)程分析可知電磁閥的主要失效機(jī)理有二：一是控制腔內(nèi)的高壓燃油通過(guò)出油量孔卸壓，產(chǎn)生氣泡，在壓力產(chǎn)生變化時(shí)，氣泡破滅并產(chǎn)生“穴蝕”現(xiàn)象，最終導(dǎo)致密封錐面失效。對(duì)于這種失效模式，可以通過(guò)控制“穴蝕”發(fā)生區(qū)域有效降低失效風(fēng)險(xiǎn)。二是電磁閥鋼球和密封錐面存在反復(fù)高頻沖擊，可能發(fā)生沖擊疲勞失效，即密封錐面在鋼球反復(fù)高頻作用下，發(fā)生塑變“坍塌”，最終導(dǎo)致高速電磁閥密封失效。本文重點(diǎn)分析第2種失效機(jī)理。

2 耐久性仿真分析

2.1 仿真模型建立

電控噴油器高速電磁閥的結(jié)構(gòu)包括了鋼球、量孔板、銜鐵、電磁鐵等，如圖2所示。

根據(jù)電控噴油器的幾何信息，建立球閥沖擊模型，如圖3所示。電磁鐵實(shí)際模型中存在較為復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，需要對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，去掉底座下部區(qū)域，只保留撞擊區(qū)域，進(jìn)而可以采用六面體網(wǎng)格，并且對(duì)撞擊部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以便提高計(jì)算精度，撞擊面加密網(wǎng)格如圖4所示。

仿真過(guò)程中所需的材料參數(shù)見(jiàn)表1所示，在仿真過(guò)程中，共設(shè)置3組工況，每組工況對(duì)應(yīng)著不同的油壓、沖擊初速度及球閥桿受力。其中，沖擊初速度及球閥桿受力大小采用試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表 1 材料屬性Tab. 1 The material properties of the injector

表 2 動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算參數(shù)Tab. 2 The boundary conditions

2.2 沖擊應(yīng)力分析

根據(jù)上述條件，對(duì)電磁閥鋼球與密封錐面的沖擊過(guò)程進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析。設(shè)置沖擊持續(xù)時(shí)間為40 μs，圖5給出了密封錐面在油壓160 MPa工況條件下，在2個(gè)不同時(shí)刻接觸瞬間的應(yīng)力分布云圖。

從圖5可以看出，應(yīng)力最大位置均出現(xiàn)在撞擊面附近，呈環(huán)帶分布。選取環(huán)帶區(qū)域提取應(yīng)力變化曲線，得到密封錐面的沖擊應(yīng)力變化曲線，如圖6所示，為后續(xù)電磁閥耐久性指標(biāo)計(jì)算提供載荷輸入。

2.3 沖擊疲勞分析

根據(jù)柴油機(jī)任務(wù)剖面分解電控噴油器高速電磁閥任務(wù)剖面，見(jiàn)表3。

表 3 電磁閥任務(wù)剖面Tab. 3 The boundary conditions

通常情況下，針對(duì)高周疲勞問(wèn)題（循環(huán)次數(shù)為104～107次），采用名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。但是對(duì)于循環(huán)次數(shù)大于107次，可以認(rèn)為是超高周疲勞問(wèn)題，過(guò)去認(rèn)為循環(huán)次數(shù)大于107次時(shí)，疲勞極限恒定不變，認(rèn)為產(chǎn)品只要所受載荷低于疲勞極限，就可認(rèn)為是無(wú)限壽命。但是根據(jù)現(xiàn)有對(duì)于超高周疲勞問(wèn)題的研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的材料，疲勞極限還可能存在繼續(xù)下降的可能，依據(jù)以往無(wú)限壽命假設(shè)無(wú)法滿足準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)品壽命的要求。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)不同材料的超高周疲勞性能差異很大，至今并沒(méi)有某種理論模型可以來(lái)描述，現(xiàn)有大多都采用試驗(yàn)的方法獲取循環(huán)次數(shù)大于107次所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力，即將S-N曲線延伸擬合。分析研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一部分材料在106～107次循環(huán)加載后存在疲勞極限，且在106和109次循環(huán)加載后的極限應(yīng)力差異小于50 MPa，具備這類特性的代表性材料為銅、鎳以及一些合金，此外，低碳鋼、某些不銹鋼和球墨鑄鐵也表現(xiàn)出這樣的性質(zhì)；另外一部分材料在超高周條件（大于107次）下疲勞強(qiáng)度差異在50～300 MPa之間，這些材料的S-N曲線在超高周區(qū)域大體呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，即針對(duì)超高周疲勞問(wèn)題不存在疲勞極限。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)[13]，確定電磁閥材料的超高周疲勞的S-N曲線，如圖7所示，從圖可知，電磁閥材料的S-N曲線取對(duì)數(shù)后，在超高周區(qū)域大體呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，即針對(duì)超高周疲勞問(wèn)題不存在疲勞極限。通過(guò)線性擬合，獲取材料的疲勞參數(shù)為3.94。因此，依據(jù)現(xiàn)有超高周疲勞數(shù)據(jù)結(jié)合名義應(yīng)力法計(jì)算獲取的電磁閥理論疲勞壽命是較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

電磁閥工作過(guò)程中所得的應(yīng)力變化情況確定其應(yīng)力比為R=0，先采用Goodman平均應(yīng)力修正方法進(jìn)行應(yīng)力修正獲取等效平均應(yīng)力σe（R=1），再?gòu)腟-N曲線上讀取對(duì)應(yīng)的疲勞壽命。Goodman修正公式表示為：

選取電磁閥工作過(guò)程中的應(yīng)力最大值，采用名義應(yīng)力法計(jì)算高速電磁閥在推進(jìn)用途下的理論壽命，計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，密封錐面的理論壽命為2.26×107。

表 4 密封錐面理論壽命Tab. 4 The theoretical life of seal seat surface

3 耐久試驗(yàn)分析

在柴油機(jī)上按照任務(wù)剖面和仿真給定參數(shù)，開(kāi)展了1 000 h配機(jī)耐久試驗(yàn)。分別在0 h，750 h以及1 000 h對(duì)電磁閥量孔板密封座錐面進(jìn)行檢查，采用影像儀對(duì)表面進(jìn)行了拍攝，結(jié)果見(jiàn)圖8。

從圖8看出：工作750 h（等效于1.95×107次），量孔板密封錐面在鋼球的反復(fù)撞擊下，密封“線”逐漸變寬形成密封“帶”，工作1 000 h（等效于2.60×107次），密封帶有加劇變寬趨勢(shì)。電控噴油器工作1 000 h后性能復(fù)測(cè)表明噴油量重復(fù)性變差，分析認(rèn)為是電磁閥密封性能降低所致。而通過(guò)耐久性仿真分析，得到的量孔板的沖擊疲勞理論壽命預(yù)測(cè)值為2.26×107次，與1 000 h試驗(yàn)等效次數(shù)基本一致，由此可以驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的選取及相關(guān)參數(shù)選取的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)電控噴油器電磁閥的工作原理及相應(yīng)的機(jī)理分析，定性確定沖擊疲勞是影響電磁閥耐久性的關(guān)鍵因素。

2）通過(guò)對(duì)量孔板與鋼球的撞擊應(yīng)力和撞擊疲勞分析，依據(jù)現(xiàn)有超高周疲勞數(shù)據(jù)結(jié)合名義應(yīng)力法，計(jì)算獲取了量孔板的理論壽命，并探討了電磁閥理論疲勞壽命模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3）根據(jù)推進(jìn)特性任務(wù)剖面1 000 h 配機(jī)耐久試驗(yàn)結(jié)果可知:量孔板密封錐面在鋼球反復(fù)撞擊2.60×107次后，密封“線”變成密封“帶”，即疲勞變形，密封性能出現(xiàn)降低。試驗(yàn)與仿真分析對(duì)比表明，電磁閥理論疲勞壽命模型分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，可以為電磁閥的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。

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Durability analysis of the high-speed solenoid valve of marine diesel engine injector

JIN Jiang-shan, FANG Wen-chao
(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108)

Electronically controlled injector is a key component to ensure the reliable operation of marine high-power diesel engine, improve the overall performance and reduce pollution emissions. The high-speed solenoid valve is the core part for the performance of electronic control injector. However, durability analysis of the study is very lacking, resulting in long-life design of the solenoid valve there are bottlenecks. Thus, on the basis of numerical simulation of the kinetic performance of the solenoid valveand the experimental data, the durability analysis of the high-speed solenoid valve in different conditions wasdone. The main focus was on theeffectivityof the life model of the steel ball and orifice plate. The results can provide scientific basis for the design optimization and life prediction of electronically controlled injector.

electronically controlled injector；high speed solenoid valve；reliability；durability analysis；dynamic simulation

TK42

A

1672 – 7649(2017)09 – 0091 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.018

2017 – 05 – 25；

2017 – 06 – 14

金江善(1979 – )，男，研究員，研究方向?yàn)榇貌裼蜋C(jī)高壓共軌技術(shù)及智能化控制技術(shù)。