电控单体泵泵体断裂失效分析及有限元计算

摘要

多台柴油机电控单体泵在台架实验中发生完全断裂或开裂,且断裂或开裂位置相同,均位于电控单体泵泵体出油端第5扣螺纹。论文选取两个典型失效电控单体泵(完全断裂和开裂)为研究对象,观察电控单体泵泵体出油端裂纹及断口宏观形貌和微观形貌特征,确定电控单体泵的断裂性质及失效原因。观察分析表面和基体宏观、微观组织等其它性能测试,并与电控单体泵技术要求进行比较,确定冶金、锻造、热处理工艺等单体泵制造环节对电控单体泵开裂失效的影响。通过对电控单体泵关键部位主要几何尺寸的测量、出油端压装配合特点及关键位置的应力分析,研究了泵体出油端结构、工作状态下应力分布状况对泵体开裂失效所起的决定作用。论文基于ANSYS有限元平台,根据电控单体泵工作条件,应用PRESSURE和PRETS179单元模拟泵体出油端静态受力状态下,出油端内孔不同圆角尺寸、不同拧紧位置的应力场分布情况、应力集中程度,并对比不同圆角尺寸的出油端应力集中系数,以决定出油端内孔最佳圆角尺寸及其拧紧配合位置。
　　 论文主要研究结论如下:
　　 (1)2件电控单体泵泵体的出油端内孔过渡圆角过小,导致较严重的应力集中。渗氮层出现疏松、脉状和网状组织组织缺陷,且出油堵头与泵体出油端侧面的接触作用力较大,导致其内孔第1圆角根部萌生了裂纹源。由于内孔过渡圆角根部与第5扣螺纹齿槽其处于同一水平位置、第5扣螺纹恰位于油管螺母预紧的第l扣位置,两方面应力叠加使得已萌生的裂纹迅速扩展,导致其发生早期疲劳断裂。
　　 (2)失效部件的有限元分析结果表明,电控单体泵内孔圆角为应力集中区,内孔壁表面及附近基体是应力集中程度最大的区域,也是最危险的区域。
　　 (3)有限元模拟结果表明控制泵体出油端的两个变量(内孔圆角半径、外部预紧螺纹扣数)可改变内孔圆角处应力集中程度。增大内部倒角R值及增加外部预紧螺纹扣数,均有效的降低内孔圆角处的应力集中程度,其应力集中系数可减低78%(R=0.22mm,预紧位置:第5扣→R=3.5m预紧位置:第8扣)。