商崇元，商崇學(xué)

（廣西玉柴機(jī)器配件制造有限公司，廣西玉林 537005）

非道路用發(fā)動機(jī)由于使用環(huán)境的限制，基本上都是采用水冷結(jié)構(gòu)的排氣管，如船用、發(fā)電用、渦輪增壓系列。為保證冷卻效果，水冷排氣管外形都很臃腫，不利于發(fā)動機(jī)的整體安裝與布局。隨著蝸輪增壓、催化技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)動機(jī)熱效率不斷提升，工作排氣溫度也越來越高，發(fā)動機(jī)排氣管逐漸成為關(guān)鍵零件。非道路用發(fā)動機(jī)脈沖水冷排氣管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件惡劣，工作時受到長時間的熱負(fù)荷產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及工作時機(jī)械振動產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力都比較大，長期處于循環(huán)交變溫度，受熱不均勻的工作環(huán)境中，其質(zhì)量直接影響到發(fā)動機(jī)的使用壽命和可靠性，必須得到保障。鐵型覆砂工藝生產(chǎn)鑄件比普通鑄造更容易獲得高強(qiáng)度、高硬度、高致密性、高耐腐蝕性的鑄件[1]，符合發(fā)動機(jī)排氣技術(shù)對排氣管的發(fā)展需求。為了提高鑄造生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低廢品率，需研究水冷排氣管新的結(jié)構(gòu)以及鑄造采用新的工藝，并對水冷排氣管制造過程中的質(zhì)量問題進(jìn)行攻關(guān)，從而徹底解決以上問題。下面我們主要結(jié)合生產(chǎn)實際，對非道路用發(fā)動機(jī)水冷排氣管鑄造生產(chǎn)及使用過程中常出現(xiàn)的裂紋問題，從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化并進(jìn)行研究解析。

1 裂紋原因分析

我公司使用鐵型覆砂工藝生產(chǎn)發(fā)動機(jī)水冷排氣管近20 年，產(chǎn)品種類繁多，結(jié)構(gòu)各異，工藝也不盡相同。其中，非道路用多缸徑發(fā)動機(jī)脈沖水冷排氣管最具代表，長度900～1250mm，產(chǎn)品材質(zhì)為灰鐵250，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚要求4～6mm，生產(chǎn)前期，氣道裂紋比例基本達(dá)到100%，前期在熔化工藝、冷卻速度和覆砂厚度上作了許多研究，都沒有得到徹底解決，裂紋比例還有30%左右。

排氣管裂紋主要出現(xiàn)在開箱后，不但能清晰的聽到氣道拉裂的聲音，同時還可以看到斷裂造成的震動，冷卻后解剖發(fā)現(xiàn)端口顏色較暗，裂口出現(xiàn)氧化變色，裂紋呈一段或多段垂直氣道方向切割氣道，裂口主要位于氣道與氣道、氣道與水道壁交接處，結(jié)合灰口鑄鐵塑性較差冷裂傾向大[2]，鐵型覆砂冷卻特點，可以確認(rèn)造成裂紋的主要原因是：鑄件局部應(yīng)力大于合金極限強(qiáng)度，外部水道壁先快速冷卻收縮，而內(nèi)部氣道冷卻受到型、芯的阻礙，后冷卻受到周邊水道極大的拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力大于鑄件本身的強(qiáng)度而導(dǎo)致拉裂[3]。

2 問題梳理

裂紋區(qū)域主要分布如圖1 所示，區(qū)域1 裂紋比例80%，該位置在兩氣道與水腔之間交接位置，設(shè)計圓角偏小，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，開箱后受內(nèi)外溫度差的影響，容易產(chǎn)生裂紋。

圖1 裂紋主要分布區(qū)域

裂紋區(qū)域2 兩氣道口中段出現(xiàn)裂紋，說明兩進(jìn)氣口之間的氣道收縮受阻，受到的拉應(yīng)力較大，需要設(shè)法減少各氣道口之間的冷卻收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，同時需要提高氣道自身強(qiáng)度[4]。

3 解決思路

（1）采用增加加強(qiáng)筋的形式加大裂紋區(qū)域1位置的過度圓角，分散應(yīng)力，提高該位置的強(qiáng)度，如圖2 畫圈區(qū)域。

圖2 加大裂紋區(qū)域過度圓角

（2）經(jīng)計算，水腔截面比排氣管進(jìn)出水口截面大很多，考慮優(yōu)化氣道的進(jìn)水和冷卻，在氣道水腔側(cè)設(shè)垂直于氣道的筋條（圖3），一是可以分散來自于氣道兩端的收縮拉應(yīng)力，同時可以增加鐵水充型通道，縮短充型時間，降低澆注充型及冷卻溫度梯度，減小應(yīng)力[5]。

圖3 增加直于氣道的筋條

（3）在不影響水道過流程面積的情況下在氣道外側(cè)靠水道四個面分別增加防裂筋[6]（圖4），以提高氣道受拉強(qiáng)度，預(yù)防裂紋。

圖4 增加防裂筋

4 改善效果

經(jīng)改善后，氣道裂紋獲得明顯改善（如表1 所示），經(jīng)過多年的生產(chǎn)驗證，氣道裂紋比例不足0.2%。

表1 氣道裂紋改善情況

5 結(jié)論

通過對非道路用多缸徑發(fā)動機(jī)脈沖水冷排氣管自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，對降解和分散鑄件應(yīng)力集中，提高產(chǎn)品對工藝的適應(yīng)性，改善非道路用多缸徑發(fā)動機(jī)脈沖水冷排氣管裂紋有很大的幫助。

此項研究技術(shù)可推廣應(yīng)用到對于安裝空間要求高的動力冷卻應(yīng)用領(lǐng)域，其帶來的性能提高對于打破國外品牌在高速公務(wù)船等高端動力裝備領(lǐng)域的壟斷局面有著積極的影響。可以廣泛應(yīng)用在漁政船、海監(jiān)船、交通船、消防艇、海上救助船、高速游艇等高端領(lǐng)域。對整個非道路用動力冷卻領(lǐng)域的發(fā)展有重要影響。