宫慧君，庞志伟，王 娟，程国锋

（1.川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，西安710018；2.胜利油田胜利动力机械集团有限公司，山东东营257000；3.川庆钻探工程有限公司长庆监督公司，西安710018）①

某型钻井柴油机气缸盖有限元计算

宫慧君1，庞志伟2，王 娟2，程国锋3

（1.川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，西安710018；2.胜利油田胜利动力机械集团有限公司，山东东营257000；3.川庆钻探工程有限公司长庆监督公司，西安710018）①

钻井柴油机的可靠性对钻井作业的安全、效益有重要影响。为了分析气缸盖的应力和变形，利用Pro／E Wildfire 3.0及W orkBench 11.0软件建立有限元模型，在122 k N的螺栓预紧力条件下，施加13 M Pa的爆发压力。分析结果证明：某型钻井柴油机气缸盖的最大主应力值小于材料的强度极限，最大变形位移量为120μm，满足现场钻井使用要求。

柴油机；气缸盖；有限元分析

钻井作业的工况比较恶劣，有的甚至在沙漠中作业，对柴油机的可靠性提出了更高的要求。文献［1］针对柴油机曲轴的强度，采用多体接触模型进行三维有限元分析，为曲轴的结构设计提供了理论依据。但是，未能反映曲轴受力对气缸盖的影响。文献［2］对柴油机气缸盖和气缸垫组合进行研究，为设计金属气缸垫提供理论依据。但是，同样未对气缸盖受力进行分析研究。文献［3］对气缸盖进行了热-流-固耦合分析。气缸盖是柴油机承受载荷最大的零件之一，受机械载荷及热载荷的双重作用，剖析气缸盖受力情况对柴油机可靠性至关重要。本文利用Pro／E Wildfire 3.0及W orkBench 11.0软件，结合现场对某型钻井柴油机气缸盖受力状况的质疑问题，模拟受力状况，建立有限元模型，在预紧状态下对气缸盖施加13 M Pa的爆发压力，进行气缸盖的受力、应变分析。

1 建立模型

1.1 几何模型及简化［4］

本次计算取1个气缸盖模型作为研究对象，考虑到约束边界条件的设置问题，匹配了机体、气缸套、气缸垫、缸盖螺栓等相关模型，装配建立为组合模型。考虑计算时间、计算精度及结构对称性，机体取1个整缸和2个半缸的剖分结构。为了提高网格质量、提高计算精度，对各零件模型都进行了适当简化，具体简化内容为：

1） 对气缸盖上沉孔、边长小于2 m m倒角等特征进行了删除简化。

2） 对整个机体刚度影响不大的小特征进行了删除简化。例如机体上沉孔、油孔、安装小凸台和部分圆角、倒角等。

3） 缸套与机体顶面相接触的区域，采用缸套与机体共用一面的方法来减小计算规模、减小非线性收敛难度。

4） 建立螺栓的简化模型。

简化后气缸盖的几何模型如图1所示。

图1 简化后气缸盖的几何模型

1.2 材料属性

组合模型各零件材料及材料的物理特性参数如表1。气缸盖材料皆为合金铸铁，其抗拉强度≥300 M Pa，其抗压强度一般为抗拉强度的3～5倍。

表1 各零件材料的物理特性参数

1.3 网格划分

本计算用有限元法对不同网格剖分进行反复试算，最终确定如图2～3所示的气缸盖模型网格，其中气缸盖、气门座圈、气缸垫、螺栓单元格长度控制为5 m m，机体、气缸套单元格长度略长，为15 m m，并对应力集中区域等细节区域进行了网格细化。

图2 气缸盖模型网格

图3 气缸盖组合模型网格

1.4 边界条件

在机体的前、后断面施加垂直于截断面方向的对称约束，并给机体底面1个固定约束，如图4所示。

图4 边界约束

对于由机体、缸套、气缸垫、气缸盖和紧固螺栓组成的研究组合结构，在气缸垫与气缸盖、紧固螺栓与气缸盖、气门座圈与气缸盖、螺栓螺纹与机体连接处建立了接触关系。其中气缸垫与气缸盖、气门座圈与气缸盖间建立标准接触关系，计算程序将根据接触状态对接触面上建立的接触单元自动完成作用力的传递，完成接触模拟；紧固螺栓与气缸盖、缸套与气缸垫、螺栓螺纹与机体连接处建立绑定接触关系。

1.5 载荷施加

某型钻井柴油机气缸盖的受力分为爆发压力和螺栓的预紧力2种。在预紧工况下，施加122 k N的螺栓预紧力。在爆发工况下，将13 M Pa的爆发压力按均布面力施加到气缸盖有限元模型的火力面上。另外，将按照面积比把作用在气门上的燃气压力换算到气门座圈的承力斜面上，也按均布面力加载，进、排气门座圈的承力斜面均按106.8M Pa计算。

2 计算结果及分析

2.1 位移

气缸盖的爆发工况最为恶劣，其中的火力面承受很大的气体压力，在高温下气体压力使得火力面的变形位移尤为突出。因此，火力面法向变形是重要的验算数值。该气缸盖火力面刚度计算结果如图5。气缸盖火力面法向变形数据如表2。由图5和表2知，该气缸盖火力面法向变形均是由中心区域a向边沿区域e逐渐减小，和实际工况变形趋势一致。最大变形位移量为120μm。

图5 气缸盖火力面法向变形

表2 气缸盖火力面法向变形μm

2.2 应力

气缸盖材料为铸铁，在进行结构强度分析时主要是校核其拉应力的分布，即最大主应力的分布。载荷条件是最恶劣工况，即13 M Pa的爆发压力。经过软件分析，该机组气缸盖最大主应力计算结果如图6～7。最大主应力数值如表3。通过分析在爆发工况下高应力区最大主应力值的变化情况，可以看出，在4个重要区域内，气道与主要承力部位螺栓之间应力值较高；该缸盖的最大主应力最大值小于材料的强度极限，可以满足使用要求。

图6 缸盖顶面最大主应力

图7 缸盖底面最大主应力

表3 气缸盖区域主应力M Pa

3 结论

1） 钻井柴油机的可靠性对钻井作业的安全、效率、效益等有重要影响。气缸盖是重要零件之一，受到工作载荷和热应力的双重作用，工况更恶劣。有必要进行研究，为设计提供理论参考。

2） 利用Pro／EWildfire 3.0及W orkBench 11.0软件建立气缸盖的有限元模型，在13 M Pa压力的爆发工况下分析气缸盖的应力、位移。该气缸盖不存在裂纹、漏水、烧蚀等问题。即使在最恶劣的工况下，仍然具有充足的强度余量。所以，该柴油机的气缸盖可以满足钻井要求。

3） 下一步工作将对该气缸盖继续进行分析，探讨其温度场、应力场对该气缸盖的影响。

［1］ 张勇，张有，陈国华，等.车用柴油机汽缸盖的三维有限元结构分析［J］.车用柴油机，1998（5）：18-21.

［2］ 史彦敏，李卫民.汽车柴油机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析［J］.工程图学学报，2009（2）：23-29.

［3］ 徐聪聪．柴油机气缸盖热-流-固多场耦合仿真研究［D］.太原：中北大学，2011.

［4］ 陈云龙.F-1600 H型高压泥浆泵L型液缸有限元分析［J］.石油矿场机械，2013，42（1）：42-46.

Finite Element Calculations of Cylinder Head on Some Drilling Diesel Engine

G O N G H ui-jun1，P A N G Zhi-wei2，W A N G Juan2，C H E N G G uo-feng3
（1．C C D C Changqing General Drilling Com pany，Xi’an710018，China；2．Shengli Oilfield Shengli Power M achinery Group Com pany Ltd．，Dongying257000，China；3．C C D C Changqing Supervision Com pany，Xi’an710018，China）

T he reliability of drilling diesel engine has a significant im pact on the security and efficiency of drilling operation.In order to analyze the stress and deformation of the cylinder head，finite element m odel was established by using Pro／E Wildfire3 and W orkBench 11.0 software，and a 13 M Pa explosion pressure on the cylinder head were im posed under the 122 k N bolt pre-tightening force.A nalysis results show that：the maxim u m principal stress of cylinder head on so me type of drilling diesel engine is lower than the strength limit of material，the maxim u m displacement is 120μm.The above results meet with the drilling requirements.

diesel engine；cylinder head；finite element analysis

T E924

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.022

1001-3482（2014）08-0095-03

2014-02-10

宫慧君（1981-），女，山东东营人，2003年毕业于中国石油大学，主要从事石油钻井机械装备的技术研究，E-mail：526165251＠qq.co m。