共軌管內增壓工藝及疲勞性能影響
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摘要：高壓共軌是未來柴油機技術的主要發展趨勢，針對共軌系統中重要的總成之一共軌管，開展內增壓工藝研究。通過爆破試驗確定共軌管的平均爆破壓力為880MPa，結合有限元分析設計了不同內增壓強化壓力，利用疲勞試驗驗證所設定強化壓力的合理性，最終確定內增壓強化壓力為748MPa。經內增壓處理后，共軌管的疲勞壽命顯著改善，在20~200MPa壓力下，疲勞壽命達1000萬次，滿足國六法規要求。
1前言
高壓共軌技術是未來柴油機發展的主流趨勢[1]。與傳統的燃油噴射系統相比，高壓共軌系統具有更高的噴射壓力和更為柔性、精確的噴射方式[2]。隨著排放法規要求的日益嚴格，高壓共軌系統燃油噴射壓力將不斷提高。共軌管作為高壓共軌系統中的儲能元件[3]，對噴油壓力、速率及噴油量等參數有重要影響。共軌管的作用為抑制由于高壓泵供油和噴油器噴油產生的壓力波動，確保系統壓力穩定。在車輛使用過程中，受啟停、怠速、重載加速等因素的影響，共軌管需承受交變載荷，根據最新的排放法規要求，共軌系統需承受最高200MPa以上的工作壓力。噴射壓力的提高，對共軌管承壓能力、強度提出了更高的要求。通常，增加容器壁厚在一定程度上可以提高容器的承載能力。但對于高壓、超高壓容器，隨著工作壓力的提高，無限增加壁厚，會使得容器壁上的應力分布更加不均勻。而且，當容器內的工作壓力大于一定程度時，增加壁厚并不能避免內壁的屈服。另外，壁厚增加會增多材料的消耗，提高成本，增加質量。因此，提高高壓及超高壓容器彈性承載能力的有效方法就是使容器內壁產生預應力［4］，也就是內增壓強化。本文以某共軌管為研究對象，研究了共軌管的內增壓工藝，并利用疲勞試驗進行驗證。
2試驗結果與分析
2.1共軌管爆破試驗
將共軌管內腔充滿介質，所有油孔封住加壓，直到軌管的某處損壞，此時的壓力即為爆破壓力。試驗用共軌管共3根，圖1所示為共軌管實物，材料為38MnVS6。爆破后，3根共軌管的損壞位置均為進油口處，圖2所示為共軌管損壞后的形貌。3根共軌管的爆破壓力分別為879.7MPa、889.7MPa、901.3MPa，因此共軌管的爆破壓力應為879.7MPa。
2.2共軌管內增壓試驗
38MnVS6材料的屈服強度為660~670MPa，內增壓工藝需要使共軌管內壁屈服。圖3為共軌管經660MPa強化后的模擬分析結果，經有限元分析，強化壓力達660MPa時，強化效果良好。對強化后的共軌管剖開進行研究，共軌管內表面及內孔交接處未發現裂紋及其它破壞，共軌管的強化過程沒有對共軌管造成破壞。本文設計了4個強化壓力660MPa、704MPa、748MPa、792MPa，分別為爆破壓力的75%、80%、85%、90%。共軌管強化工藝流程為充液—加載—保壓—泄壓，保壓時間為3s。
2.3共軌管疲勞試驗
為研究內增壓工藝對共軌管疲勞性能的影響，對不同壓力強化處理后的共軌管進行疲勞壽命的試驗研究，以確定較為合理的強化工藝參數。試驗設備為P&P脈沖試驗臺。該脈沖試驗臺的壓力可以按照15Hz的頻率從5~450MPa交替變化。本研究的試驗頻率為8Hz。每種應力條件下至少采用3根共軌管進行試驗。未經內增壓處理的共軌管疲勞試驗結果見表1。未做內增壓處理的共軌管磁粉探傷結果見圖4，裂紋見箭頭所示。不同強化壓力處理后，共軌管疲勞試驗結果見表2。隨強化壓力的提升，共軌管疲勞壽命逐漸提高，經748MPa處理后，共軌管疲勞壽命最高，平均應力循環數較未處理時提高約60倍。當強化壓力進一步升高至792MPa時，軌管的疲勞壽命有所下降。因此，在本文設定的載荷條件下，選用748MPa為共軌管的內增壓強化壓力。在20~200MPa應力條件下，共軌管疲勞壽命達到1000萬次未開裂，滿足國六法規要求。
2.4共軌管組織硬度分析
共軌管內壁未做內增壓處理時的截面組織見圖5，組織為珠光體加鐵素體，距內壁表面50~70mm處的硬度為274~283HV0.1。強化處理后共軌管內壁進油孔處所受壓力最大，內壁進油孔的截面組織見圖6，組織為珠光體和鐵素體，與未做處理時相比無明顯變化，未發現組織有畸變形態，距內壁進油孔表面50~70mm處的硬度為293~311HV0.1。
2.5共軌管強化的原理分析
在共軌管的內腔充滿介質，短時間給內壁施加很高的壓力，使共軌管內壁屈服，共軌管內壁受壓應力產生徑向擴大的殘余變形，然后卸除壓力。此時，由于共軌管外層材料的彈性收縮，使已經發生塑性變形的共軌管內層材料在彈性恢復后產生壓縮應力，從而獲得殘余壓應力。共軌管內增壓強化處理的最大優點為內壁所受的應力降低并分布均勻，全部應力維持在彈性范圍內，增加了彈性控制的范圍，提高了彈性承載能力。另外，內壁存在壓縮殘余應力，工作時將使內壁平均應力降低，疲勞強度顯著提高。圖7所示為共軌管強化的示意圖。圖8為共軌管強化中及強化后的受力情況示意圖。共軌管在實際工作中，主要的應力狀態為拉應力，當拉應力超過材料的屈服極限時，就會產生裂紋而發生破壞。共軌管在加工過程中，內表面也會不可避免地產生一定數量的微裂紋，柴油機在高頻率下工作時，內壁的微裂紋將會持續擴展，影響疲勞壽命。經內增壓強化后，軌管內層的殘余應力主要為壓應力，可以有效降低軌管工作時的所受的拉應力，改善了軌管工作時的受力情況，并且會抑制軌管內表面微裂紋的發展，從而提高共軌管的疲勞強度。
3結論
a.利用爆破試驗得到共軌管的爆破壓力，共軌管強化壓力選擇為爆破壓力的75%~85%。b.選擇748MPa作為共軌管內增壓處理的強化壓力，保壓時間3s。經748MPa處理后，在（20~240）MPa應力條件下共軌管的應力平均循環次數較未經處理時提高約60倍，在（20~200）MPa應力條件下，共軌管的疲勞壽命達1000萬次不開裂。
參考文獻：
[1]聶建軍.柴油機高壓共軌燃油系統的現狀及發展趨勢[J].內燃機,2009,（4）:6-9.
[2]郝勝強,上官林宏,王永利等.柴油機高壓共軌燃油噴射系統研究進展[J].內燃機,2014,(4):9-11.
[3]王稱心,武美萍等.共軌管材料屬性對共軌壓力的影響分析[J].機床與液壓,2015,(13):12-16.
[4]俞建達,陳永賢等.滿足200MPa壓力的共軌技術探討[J].中國內燃機學會燃燒節能凈化分會2012年度學術年會,2013,(3):1-5.
作者：李文平 吳欲龍 蘇曉東 單位：中國第一汽車股份有限公司研發總院