共轨管内增压工艺及疲劳性能影响

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摘要：高压共轨是未来柴油机技术的主要发展趋势，针对共轨系统中重要的总成之一共轨管，开展内增压工艺研究。通过爆破试验确定共轨管的平均爆破压力为880MPa，结合有限元分析设计了不同内增压强化压力，利用疲劳试验验证所设定强化压力的合理性，最终确定内增压强化压力为748MPa。经内增压处理后，共轨管的疲劳寿命显著改善，在20~200MPa压力下，疲劳寿命达1000万次，满足国六法规要求。

关键词：高压共轨共轨管内增压疲劳性能

1前言

高压共轨技术是未来柴油机发展的主流趋势[1]。与传统的燃油喷射系统相比，高压共轨系统具有更高的喷射压力和更为柔性、精确的喷射方式[2]。随着排放法规要求的日益严格，高压共轨系统燃油喷射压力将不断提高。共轨管作为高压共轨系统中的储能元件[3]，对喷油压力、速率及喷油量等参数有重要影响。共轨管的作用为抑制由于高压泵供油和喷油器喷油产生的压力波动，确保系统压力稳定。在车辆使用过程中，受启停、怠速、重载加速等因素的影响，共轨管需承受交变载荷，根据最新的排放法规要求，共轨系统需承受最高200MPa以上的工作压力。喷射压力的提高，对共轨管承压能力、强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载能力。但对于高压、超高压容器，随着工作压力的提高，无限增加壁厚，会使得容器壁上的应力分布更加不均匀。而且，当容器内的工作压力大于一定程度时，增加壁厚并不能避免内壁的屈服。另外，壁厚增加会增多材料的消耗，提高成本，增加质量。因此，提高高压及超高压容器弹性承载能力的有效方法就是使容器内壁产生预应力［4］，也就是内增压强化。本文以某共轨管为研究对象，研究了共轨管的内增压工艺，并利用疲劳试验进行验证。

2试验结果与分析

2.1共轨管爆破试验

将共轨管内腔充满介质，所有油孔封住加压，直到轨管的某处损坏，此时的压力即为爆破压力。试验用共轨管共3根，图1所示为共轨管实物，材料为38MnVS6。爆破后，3根共轨管的损坏位置均为进油口处，图2所示为共轨管损坏后的形貌。3根共轨管的爆破压力分别为879.7MPa、889.7MPa、901.3MPa，因此共轨管的爆破压力应为879.7MPa。

2.2共轨管内增压试验

38MnVS6材料的屈服强度为660~670MPa，内增压工艺需要使共轨管内壁屈服。图3为共轨管经660MPa强化后的模拟分析结果，经有限元分析，强化压力达660MPa时，强化效果良好。对强化后的共轨管剖开进行研究，共轨管内表面及内孔交接处未发现裂纹及其它破坏，共轨管的强化过程没有对共轨管造成破坏。本文设计了4个强化压力660MPa、704MPa、748MPa、792MPa，分别为爆破压力的75%、80%、85%、90%。共轨管强化工艺流程为充液—加载—保压—泄压，保压时间为3s。

2.3共轨管疲劳试验

为研究内增压工艺对共轨管疲劳性能的影响，对不同压力强化处理后的共轨管进行疲劳寿命的试验研究，以确定较为合理的强化工艺参数。试验设备为P&P脉冲试验台。该脉冲试验台的压力可以按照15Hz的频率从5~450MPa交替变化。本研究的试验频率为8Hz。每种应力条件下至少采用3根共轨管进行试验。未经内增压处理的共轨管疲劳试验结果见表1。未做内增压处理的共轨管磁粉探伤结果见图4，裂纹见箭头所示。不同强化压力处理后，共轨管疲劳试验结果见表2。随强化压力的提升，共轨管疲劳寿命逐渐提高，经748MPa处理后，共轨管疲劳寿命最高，平均应力循环数较未处理时提高约60倍。当强化压力进一步升高至792MPa时，轨管的疲劳寿命有所下降。因此，在本文设定的载荷条件下，选用748MPa为共轨管的内增压强化压力。在20~200MPa应力条件下，共轨管疲劳寿命达到1000万次未开裂，满足国六法规要求。

2.4共轨管组织硬度分析

共轨管内壁未做内增压处理时的截面组织见图5，组织为珠光体加铁素体，距内壁表面50~70mm处的硬度为274~283HV0.1。强化处理后共轨管内壁进油孔处所受压力最大，内壁进油孔的截面组织见图6，组织为珠光体和铁素体，与未做处理时相比无明显变化，未发现组织有畸变形态，距内壁进油孔表面50~70mm处的硬度为293~311HV0.1。

2.5共轨管强化的原理分析

在共轨管的内腔充满介质，短时间给内壁施加很高的压力，使共轨管内壁屈服，共轨管内壁受压应力产生径向扩大的残余变形，然后卸除压力。此时，由于共轨管外层材料的弹性收缩，使已经发生塑性变形的共轨管内层材料在弹性恢复后产生压缩应力，从而获得残余压应力。共轨管内增压强化处理的最大优点为内壁所受的应力降低并分布均匀，全部应力维持在弹性范围内，增加了弹性控制的范围，提高了弹性承载能力。另外，内壁存在压缩残余应力，工作时将使内壁平均应力降低，疲劳强度显著提高。图7所示为共轨管强化的示意图。图8为共轨管强化中及强化后的受力情况示意图。共轨管在实际工作中，主要的应力状态为拉应力，当拉应力超过材料的屈服极限时，就会产生裂纹而发生破坏。共轨管在加工过程中，内表面也会不可避免地产生一定数量的微裂纹，柴油机在高频率下工作时，内壁的微裂纹将会持续扩展，影响疲劳寿命。经内增压强化后，轨管内层的残余应力主要为压应力，可以有效降低轨管工作时的所受的拉应力，改善了轨管工作时的受力情况，并且会抑制轨管内表面微裂纹的发展，从而提高共轨管的疲劳强度。

3结论

a.利用爆破试验得到共轨管的爆破压力，共轨管强化压力选择为爆破压力的75%~85%。b.选择748MPa作为共轨管内增压处理的强化压力，保压时间3s。经748MPa处理后，在（20~240）MPa应力条件下共轨管的应力平均循环次数较未经处理时提高约60倍，在（20~200）MPa应力条件下，共轨管的疲劳寿命达1000万次不开裂。

参考文献：

[1]聂建军.柴油机高压共轨燃油系统的现状及发展趋势[J].内燃机,2009,（4）:6-9.

[2]郝胜强,上官林宏,王永利等.柴油机高压共轨燃油喷射系统研究进展[J].内燃机,2014,(4):9-11.

[3]王称心,武美萍等.共轨管材料属性对共轨压力的影响分析[J].机床与液压,2015,(13):12-16.

[4]俞建达,陈永贤等.满足200MPa压力的共轨技术探讨[J].中国内燃机学会燃烧节能净化分会2012年度学术年会,2013,(3):1-5.

作者：李文平 吴欲龙 苏晓东 单位：中国第一汽车股份有限公司研发总院