0 引言

國六排放法規(guī)和油耗要求非常嚴苛，隨著發(fā)動機熱效率越來越高，發(fā)動機的強化程度也越來越高。燃燒爆壓的提升和廢氣溫度的大幅升高，使排氣系統(tǒng)長時間承受高溫高壓環(huán)境的沖擊，運行環(huán)境極其惡劣

。

他表示，大學實驗室和Calyxt等公司的科學家已經著手設計更有營養(yǎng)、更方便、可持續(xù)發(fā)展的農作物。低成本的基因編輯技術使得小型企業(yè)能夠在長期由大型農企主導的領域競爭中嶄露頭角。

排氣系統(tǒng)的高溫密封問題目前還一直是業(yè)內難題，市場上的故障也有相當一部分是排氣管的斷裂、漏氣問題。排氣管不僅是作為一個廢氣傳輸部件，同時還固定增壓器，作為受力部件，在高溫高壓的環(huán)境下，加上發(fā)動機的振動帶來的排氣管斷裂、漏氣問題尤為突出。針對這種復雜的高溫高壓環(huán)境，零件的故障分析將很難模擬還原實際工況過程。同時不同的機型，不同的發(fā)動機排氣系統(tǒng)結構，會有不同的溫度變化，不同的受力結構這些邊界得變化，這些邊界條件的變化對高溫密封的實際要求都會產生較大影響，所以必須針對不同的機器去做有針對性的分析，提出有針對性的實施方案，才能有效的解決高溫密封問題。

發(fā)動機熱沖擊試驗是發(fā)動機新產品開發(fā)放行耐久考核的重要試驗之一。其試驗過程是在標定工況狀態(tài)與發(fā)動機倒拖狀態(tài)之間往返循環(huán)，全油門到發(fā)動機最高排氣溫度，然后迅速進行發(fā)動機倒拖，使廢氣溫度急速下降室溫，在高達幾百度的溫差下，特別是排氣管，必然會產生內部應力的變化及變形，所以冷熱交變工況對排氣系統(tǒng)零部件的可靠性考核非常嚴苛。

在進行某柴油機排氣管在熱沖擊耐久試驗考核過程中，出現排氣管法蘭漏氣問題，嚴重影響發(fā)動機排氣系統(tǒng)可靠性，通過對耐久試驗過程中的問題現象逐步分析，提出針對性的優(yōu)化方案，并結合仿真技術計算評估，使排氣管最終通過熱沖擊耐久考核驗證，保證發(fā)動機排氣系統(tǒng)的可靠性

。

從墊片面壓對比曲線圖3.2也可以看出，四層墊片的冷熱面壓變化幅值很大，持續(xù)的大幅值變化會嚴重影響墊片的回彈密封，同時墊片疲勞失效風險較高。而三層墊片結構，冷熱狀態(tài)壓力幅值變化非常小，說明墊片的受力無論溫度的變化，密封狀態(tài)都很穩(wěn)定，且最小密封壓力也遠滿足排氣壓力的要求

。

1 故障描述

圖1.1為某柴油機四缸整體式排氣管結構，每缸通過兩顆對角布置的高溫螺栓固定在缸蓋上，其中，在三、四缸之間，有增壓器法蘭，固定增壓器；在一二缸之間有EGR法蘭，固定EGR閥。排氣管與缸蓋之間裝有耐高溫不銹鋼墊片，來保證排氣管與缸蓋結合面密封，防止法蘭面之間的廢氣泄漏。

在試驗室熱沖擊臺架上，熱沖擊耐久試驗過程中發(fā)現缸蓋四缸邊緣位置出現熏黑現象，初步說明排氣管法蘭已經發(fā)生漏氣，暫停試驗后，拆下排氣管后發(fā)現碳煙已經穿過排氣管墊片密封帶，如圖1.2所示，說明排氣管墊片已密封失效，導致漏氣產生。

2 故障分析

復測耐久后的螺栓力矩，最小處僅剩初始力矩的30%，從表2.1中發(fā)現，耐久拆檢緊力矩和松力矩，與初始力矩比值，中間兩缸的力矩小于邊上兩缸的力矩值，這主要是由于受冷熱沖擊影響，造成排氣管相對缸蓋平面，兩邊翹曲，兩側螺栓受拉力作用而力矩較大，實際在熱沖和冷沖過程中，排氣管會不斷的在伸長和收縮之間變化，螺栓力矩的衰減大也說明排氣管法蘭的變形過大。

5.課堂搶答。教師發(fā)布課中練習題，并讓學生在規(guī)定時間內通過“雨課堂”進行搶答，同時設置了答題最快的三名學生可以得到一個課堂紅包的環(huán)節(jié)；最后，教師公布正確答案及答題結果。意圖是通過課堂答題的形式，檢查學生對課程相關知識點的掌握情況，同時處于課堂學習中期階段，學生的學習關注度有所下降，設置通過搶答及發(fā)紅包的形式，再次激發(fā)學生的參與積極性，增強課堂的趣味性。

排氣管墊片由原來的四層(半波)結構改為三層(兩層半波帶限位層)結構，改進結構如圖3.1所示，其中上下兩層為起波結構，中間一層稱為stop層，保護上下兩層起波墊片，防止波型被壓潰；同時，因為有stop層支撐，墊片與排氣管法蘭面接觸的支撐面大大增加，相同的螺栓緊固力作用下，排氣管約束加大，對應的排氣管的法蘭熱變形將減小，有利于密封。

經過對故障的分析之后，基本鎖定故障原因為兩方面：一是排氣管受冷熱沖擊，排氣管法蘭變形較大；二是四層墊片的結構，法蘭變形引起墊片回彈衰減，螺栓力矩衰減較大，最終表現墊片密封壓力不足，導致漏氣。

為降低排氣管兩側的漏氣風險，將1缸和4缸的螺栓由兩顆固定增加到三顆固定，增加螺栓約束來限制排氣管變形量。由仿真結果對比看出，如圖3.3所示，相同排氣管墊片結構，增加螺栓后，排氣管法蘭變形量可降低約30%，改進效果明顯。但是，增加螺栓固定約束會降低排氣管的低周壽命，是否滿足低周壽命要求，需要進一步的仿真計算評估。

2.1 排氣管法蘭變形

測量耐久后排氣管法蘭平面度為初始平面度要求值的五倍，說明排氣管法蘭變形較為嚴重。排氣管在平面臺上目測發(fā)現，排氣管法蘭結構已經產生了永久性變形，成內凸形狀，同時推測在試驗過程中，排氣溫度處于最高點，排氣管材料將受高溫作用，導致結構強度降低，抗變形能力減弱，排氣管的熱變形可能會比常溫測量的此值更大，漏氣的風險會更高。

排氣管固定在缸蓋上，在螺栓緊固力的約束作用下，會限制排氣管的熱變形，緊固力越大，排氣管變形越小，但依照之前經驗來看，過大的螺栓緊固力，會使排氣管本身產生的熱變形應力無法得到釋放，嚴重時會導致排氣管在熱沖擊循環(huán)中產生裂紋或斷裂。

2.2 排氣管墊片結構

通過排氣管法蘭測溫，可以排除不銹鋼墊片因高溫問題造成的材料機械性能失效。墊片結構是影響墊片密封的最重要因素。針對墊片結構，該機型排氣管墊片采用四層半波結構，如圖2.2所示，沖壓波型具有一定的寬度和高度，排氣管在冷熱沖擊過程中不斷的變形，使排氣管墊片也一直在承受壓縮回彈的動態(tài)變化過程，四層(半波)墊片累加波高較大，在裝機完成后，四層墊片波形將會有較大的回彈余量，在靜態(tài)密封狀態(tài)下可以滿足密封要求，但在冷熱變形狀態(tài)下，較大的波高容易造成排氣管的熱變形較大。隨著墊片回彈性能的衰減，較大的法蘭變形，導致密封壓力不足，導致漏氣產生。實際的耐久試驗也得以說明此問題。

2.3 螺栓力矩衰減

該機器在之前已完成的負載循環(huán)耐久試驗，未發(fā)生該漏氣問題，而在熱沖擊耐久試驗中卻出現該問題，對比試驗工況，說明在冷熱突變工況下，是造成排氣管漏氣的主要產生原因，此工況對排氣管墊片的密封要求更高。

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

3 方案改進優(yōu)化

根據故障分析結果，提出兩種改進措施：措施1，優(yōu)化墊片結構，提升墊片波型的動態(tài)密封能力，同時可降低排氣管法蘭變形；措施2，增加螺栓數量，增加排氣管法蘭固定約束力，減小排氣管的法蘭變形。

3.1 排氣管墊片結構優(yōu)化

為全面細致排查故障原因，列出詳細的故障分析樹，如圖2.1所示，通過故障樹排查，可以更明確的鎖定故障產生原因，進而更有效的提出對應的改進方案措施：

（2）進口國人均GDP（ln pergdp）對中國機械運輸設備出口的擴展邊際和數量邊際顯著為正，表明進口國國民購買能力的提高對中國機械運輸設備的種類和數量增長都起到了明顯的推動作用，人均GDP每增長1%，產品出口種類增長0.028%，數量增長0.106%，但對價格邊際的影響為負。由于我國機械運輸設備缺乏競爭力，而隨著進口國人均收入水平的提高，對產品的質量和檔次的要求也越高，所以企業(yè)出口只能以更低的價格獲得市場份額。

3.2 排氣管增加螺栓固定

之前，廠團委在調研過程中了解到，宋凱在新崗位上遇到一些難題：身為一名主操，他在思考問題時，不能夠全方面地分析，自然也就無法做出準確的判斷。而和他同在一個單位的馬存功也曾經有過同樣的困惑。

4 排氣管低周疲勞校核

針對改進方案：排氣管墊片調整為三層結構；固定螺栓增加為10顆。計算評估墊片的密封性能，排氣管的低周壽命。

4.1 搭建計算模型

搭建完整的仿真計算模型，包括缸蓋、排氣管、增壓器、排氣接管等，如圖4.1所示。

常規(guī)檢驗組準確96例，錯誤10例，檢驗結果準確率88.89%，誤診率9.82%，治療有效率89.81%，失控1，假受控5，真受控率95.37%；PDCA改進組準確102例，錯誤3例，準確率94.44%，誤診率2.77%，治療有效率96.29%，失控0，假受控0，真受控率100%；差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

4.2 溫度場計算

計算出排氣管熱機工況和冷機工況下溫度變化的過程情況，即以此來模擬冷熱循環(huán)溫度狀態(tài)

，計算過程將在冷熱狀態(tài)下循環(huán)進行。計算結果如圖4.2所示。

4.3 結果提取分析

排氣管墊片最小密封面壓計算結果如圖4.3所示，密封帶完整，且最小密封壓力遠滿足實際排氣壓力要求。

排氣管低周壽命計算最低次數約為6200次，出現在排氣管內側流道，滿足冷熱沖擊耐久試驗次數要求

，如圖4.4所示。

5 試驗驗證

改進措施實施，重新搭載熱沖擊耐久試驗，耐久完成后進行零部件拆檢，如圖5.1所示，缸蓋法蘭面墊片密封帶外側干凈，沒有碳煙泄漏，同時檢查排氣管也沒有裂紋。

根據表1、表2可知，無論常量元素還是微量元素，大多都發(fā)生了富集現象，而元素的來源與地表水及地下水有很大關系。化學溶蝕對母巖化學成分的改變很大，CaCO3、MgCO3溶解后被水流帶走，剩余的難溶物質開始富集，Al2O3、Fe2O3等在母巖中的含量還不足1%，卻成為難溶堆積物的主要成分。這也說明要形成一定厚度的殘余堆積物，需要溶蝕更大厚度的母巖。碳酸鹽巖的巖溶作用不斷將母巖中的可溶性成分溶解并隨水帶走，剩下的部分是難溶物質富集起來，所以 Si、Al、Fe 的比例逐漸增多,Ca、Mg 等鹽基物質則逐漸減少。

試驗結果表明，排氣管法蘭密封效果良好，改進措施有效，解決了漏氣問題，排氣管也未有裂紋，試驗考核通過。

6 結論

通過試驗故障現象，詳細的故障樹排查分析判斷熱沖擊問題漏氣問題產生的原因，針對故障原因提出對應的改進方案，借助仿真計算對改進措施進行校核驗證，有效的驗證措施的可行性，極大的縮短改進設計周期，最終通過對改進措施進行試驗驗證，使漏氣問題得到解決，提升排氣系統(tǒng)的可靠性。

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