MAN哥本哈根公司降低柴油发动机部件内的残余应力

对于哥本哈根的MAN Diesel and Turbo (MDT)来说,了解和控制发动机部件内的残余应力水平是实现经济性生产的关键因素。要成功处理本项任务,MDT采用一种完善的、有效的和专业的质量管理体系,确保零部件的质量。下文中介绍了其柴油发动机的工程、生产和质量管理方面的见解。

MAN柴油技术(MDT)发动机几十年来一直凭其质量闻名于世。2014年,大约48000艘船只采用MDT的2冲程和4冲程发动机(功率输出高达87MW),运输了全球一半以上的海运商业货物。柴油发动机的零部件清单包括大量各类铸件(诸如气缸套,轴承盖和气缸座)。2冲程发动机中大约30%由铸件构成,且相对于较小孔四冲程发动机,2冲程发动机的整个框架结构采用一个零件铸出。材质从钢到CGI不等,提供诸如足够强度和良好传热性的必要的材料性能。很多铸件被归类为“控制部件”。这标志着它们以承担重要功能而著称,并提出对制造工艺的挑战,通常涉及到可铸性和耐久性。为了确保其寿命,MDT一直在研究将部件内的残余应力降到最低。在有些案例和某些条件下,残余应力可能累积到有害的量级并缩短发动机寿命。MDT质量管理部门希望尽可能避免此类问题,因为导致的后果很难处理。

本范例为两冲程发动机的气缸座。这些气缸座是GJL-250灰铁或 GJS-500 球铁砂铸件,重量高达40吨。由于它的功能需求、几何结构并需要改变壁厚,可能会出现严重的应力状况。为了找到危险区域并验证设计和工艺变化,MDT采用了 MAGMASOFT®软件。

在框架箱体上部的支持气缸套的气缸座

为了确保由 MAGMASOFT®获得的残余应力结果正确反映应力情况,MDT一开始采用环芯测量方法对实际气缸座进行残余应力测量。该方法特别适应于粗糙结构的材料(诸如铸铁)。在此背景下,MDT和MAGMA合作验证了MAGMA应力模块(MAGMAstress)的粘-弹-塑性材料的新的能力。这是成功的关键,因为MDT发现当考虑铸型内铸件缓慢冷却期间产生的蠕变效应时采用MAGMASOFT®可以预测实际存在的应力水平。因为此原因和后续的成功确认工作,将在MAGMA5 5.3版中公开提供此新的时间相关塑性模型。

为了在生产中获得某些类型发动机的必要材料性能,要研究设计变更,以使得气缸座更易于铸造。此外,也希望优化设计以使得残余应力最小化。基于良好配合,MAGMASOFT®被用于确定最优的设计修改。主要变化是大幅度减小气缸座顶部处的壁厚,同时,对一些较薄部位稍微进行加厚。还引入较大的筋片,以降低对砂芯的热影响。

设计变更前(左侧)和后(右侧)的残余应力水平

最终设计是用MAGMASOFT®反复修改的结果。在关键区域内的预计局部应力降低了50%。而且,新设计导致每个铸件减重1000公斤-相当于大幅度节约了10%的材料和能源。

在以上示例中,MDT发动机的制造和组装是一个巨大的挑战。由于集约化生产既不经济也不环保的事实,这就变得更为复杂。因此,全球很多MDT的零部件都由靠近当地船厂的合伙人和授权方生产和组装。为了确保全球范围内零件和发动机质量,MDT已经为标准化、许可和故障查找解决,设置了高标准。从预设计到生产到支持的各步骤依赖于简明的文件。全球各供货商或被许可人必须满足严格定义的各项要求。该程序涉及三个关键要素:分析、通讯和文件(所有都应可靠和可分清责任)。此处,MAGMASOFT® 是MDT的一种重要工具。该软件可以标出质量检验区域,确认铸造工艺建议,并帮助被许可人了解应该注意之处。而且,MDT采用MAGMASOFT® 作为一种标准工具,以描述铸造过程中可能遇到的困难,因为该软件为技术讨论提供一个卓越的平台。

自2006年以来,成功将MAGMASOFT® 软件广泛应用于各领域,MDT逐步将该软件更深入地融入到公司的生产和经营过程。随着项目增长,公司也期待具有新功能的MAGMA5 5.3版 软件。运用虚拟试验的新能力将可以在较少时间内评估更多组合的潜在合格工艺和设计变量,且能比以前更容易地评估和解释复杂的结果。

MAN Diesel & Turbo SE的办公楼

MAN Diesel & Turbo SE, based in Augsburg, Germany, is the world’s leading provider of large-bore diesel engines and turbomachinery for marine and stationary applications. It designs two-stroke and four-stroke engines with power outputs from 47 kW to 87 MW. MDT also designs and manufactures gas turbines up to 50 MW, steam turbines and compressors. The product range is rounded off by turbochargers, propellers, gas engines and chemical reactors. MDT’s range of goods includes complete marine propulsion systems, turbomachinery units for the oil & gas as well as the process industries, and complete power plant solutions. Customers receive worldwide after-sales services marketed under the MAN PrimeServ brand. Reliability, efficiency and longevity are all trademarks of MDT’s products.

 

* Text and images courtesy of MAN Diesel & Turbo SE, Denmark