CN113202608A - 一种提高可靠性的排气系统结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高可靠性的排气系统结构，属于柴油机排气系统领域，包括设置在柴油机的排气管和缸盖之间的金属波形排气管衬垫、固定连接排气管和缸盖的若干个排气管螺栓，设置在排气管螺栓上的防松垫一、设置在排气管和排气弯管之间的弯管法兰一、固定连接排气管和排气弯管的若干个带孔螺栓、设置在弯管法兰一和带孔螺栓之间的防松垫二以及设置在排气弯管与脉冲转换器之间的弯管法兰二；所述排气弯管与脉冲转换器之间由若干个带孔螺栓二固定连接，同时在带孔螺栓二与弯管法兰二之间设置防松垫三。本发明解决了柴油机排气系统螺栓松动，结合面漏烟问题，满足了使用要求；且结构简单，安装维修简单易行。

Description

一种提高可靠性的排气系统结构

技术领域

本发明涉及柴油机排气系统技术领域，尤其是一种提高可靠性的排气系统结构，用于水冷系列柴油机排气系统。

背景技术

随着柴油机功率的不断提升，柴油机承受的机械负荷和热负荷不断增加，对柴油机排气系统的密封性能要求也越来越高。通过对近年来水冷柴油机故障汇总，发现排气系统中排气管与缸盖结合面漏烟、衬垫呲坏、排气管与排气弯管连接处漏烟及排气弯管与脉冲转换器连接处漏烟故障频发，严重影响柴油机的质量。

现有的水冷系列柴油机在使用过程中发现排气系统中排气管与缸盖结合面漏烟、衬垫呲坏、排气管与排气弯管连接处漏烟及排气弯管与脉冲转换器连接处漏烟故障。排气系统结构如图1，图2所示，排气管与缸盖通过6根M10螺栓紧固，中间采用非金属衬垫密封，螺栓材料42CrMo，拧紧力矩60Nm；排气弯管与排气管和脉冲转换器分别通过3根M8螺栓加锁紧螺母紧固，中间使用锥形密封环调整及密封。

通过分析，排气管与缸盖连接处的排气管螺栓材料的耐温性不足，不能满足功率提升后排气温度要求，造成螺栓变形，进而导致松动、结合面漏烟；螺栓力矩不足同样造成螺栓的松动，结合面漏烟，高温烟气对非金属衬垫烧蚀，漏烟故障加剧。排气弯管两端的法兰厚度较薄，在高温环境下易变形，弯管两端的螺栓缺少防松措施，安装时存在安装应力都易造成螺栓松动、结合面漏烟；

针对以上技术缺点，有必要设计一种解决水冷系列柴油机排气系统的螺栓松动和结合面漏烟问题的排气系统结构。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种提高可靠性的排气系统结构，通过提高紧固螺栓材料的耐温性能、增加螺栓拧紧力矩、设计了纯金属波形密封垫、增加的防松垫和穿钢丝防松措施、安装结构的设计，有效的解决了柴油机排气系统螺栓松动，结合面漏烟问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种提高可靠性的排气系统结构，该结构包括设置在柴油机的排气管和缸盖之间的金属波形排气管衬垫、固定连接排气管和缸盖的若干个排气管螺栓，设置在排气管螺栓上的防松垫一、设置在排气管和排气弯管之间的弯管法兰一、固定连接排气管和排气弯管的若干个带孔螺栓、设置在弯管法兰一和带孔螺栓之间的防松垫二以及设置在排气弯管与脉冲转换器之间的弯管法兰二；所述排气弯管与脉冲转换器之间也由若干个与带孔螺栓结构一致的带孔螺栓二固定连接，同时也在带孔螺栓二与弯管法兰二之间设置与防松垫二结构一致的防松垫三。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述防松垫一、防松垫二结构一致，均为锯齿形结构。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述排气管螺栓的规格型号为M10×45，拧紧力矩设置为65Nm。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述排气管螺栓的材质为40Cr10Si2Mo。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述带孔螺栓采用头部钻孔、穿钢丝的防松结构，所述钢丝沿带孔螺栓拧紧方向紧固。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述钢丝选用直径为φ1.2mm的钢丝；所述钢丝经退火处理。

本发明技术方案的进一步改进在于：钢丝退火处理的温度为600℃。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述弯管法兰一和弯管法兰二的结构一致，厚度H3均为20mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述排气管螺栓、带孔螺栓和带孔螺栓二上均不设置锁紧螺母。

本发明技术方案的进一步改进在于：柴油机完成出厂台架试验并冷却至室温后，检查排气管螺栓、带孔螺栓和带孔螺栓二的拧紧情况，按照预设的拧紧力矩进行二次拧紧，消除安装应力。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明通过提高排气管螺栓的拧紧力矩，由原来的拧紧力矩从60Nm提高到65Nm，提高了螺栓的剩余预紧力，从而使螺栓不发生松动。

2、本发明通过设置金属波形排气管衬垫，并将材料优化为12Cr17Ni7-GB/T3280，利用波形弥补安装时螺栓预紧造成的衬垫变形，保证其密封性。

3、本发明通过改进螺栓材料，将42CrMo改为40Cr10Si2Mo，使螺栓材料具有较高的高温强度、抗蠕变性能、抗氧化性能，克服了螺栓易变形的问题，有效的提高了螺栓的耐温性能。

4、本发明通过增加锯齿形结构的防松垫和穿钢丝的防松措施，进一步加强了螺栓的紧固性，有效的防止了排气系统螺栓松动。

5、本发明通过增加排气弯管两端法兰盘厚度，由15mm改为20mm，有效的防止了法兰变形的可能性，增加了可靠性。

6、本发明采用排气总管与排气弯管直接螺栓连接，取消锁紧螺母的结构，进一步加强了排气总管与排气弯管连接的可靠性。

7、本发明在柴油机完成出厂台架试验并冷却至室温后，检查螺栓的拧紧情况，按照规定的拧紧力矩二次拧紧，消除了安装应力。

8、本发明通过提高紧固螺栓材料的耐温性能、增加螺栓拧紧力矩、设计了纯金属波形密封垫、增加的防松垫和穿钢丝防松措施、安装结构的设计，解决了柴油机排气系统螺栓松动，结合面漏烟问题，满足了使用要求。

9、本发明结构简单，安装维修简单易行。

附图说明

图1是本发明中排气管与缸盖安装结构示意图；

图2是本发明中排气弯管与脉冲转换器安装示意图；

图3是本发明中排气弯管安装示意图；

图4是本发明中衬垫的结构图；

图5是本发明中衬垫A-A剖示图；

图6是本发明中防松垫结构示意图；

图7是本发明中防松垫俯视图；

图8是本发明中带孔螺栓结构示意图；

图9是本发明中带孔螺栓俯视图；

图10是本发明中弯管法兰结构示意图。

其中，1、排气管，2、缸盖，3、排气管衬垫，31、衬垫本体，32、安装孔，33、定位孔，34、凸筋，341、波形垫片一，342、波形垫片二，343、波形垫片三，4、防松垫一，5、排气管螺栓，6、弯管法兰一，7、带孔螺栓，8、防松垫二，9、防松钢丝，10、排气弯管，11、弯管法兰二，12、脉冲转换器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，一种提高可靠性的排气系统结构，该结构包括设置在柴油机的排气管1和缸盖2之间的金属波形排气管衬垫3、固定连接排气管1和缸盖2的若干个排气管螺栓5，设置在排气管螺栓5上的防松垫一4、设置在排气管1和排气弯管10之间的弯管法兰一6、固定连接排气管1和排气弯管10的若干个带孔螺栓7、设置在弯管法兰一6和带孔螺栓7之间的防松垫二8以及设置在排气弯管10与脉冲转换器12之间的弯管法兰二11；所述排气弯管10与脉冲转换器12之间也由若干个与带孔螺栓7结构一致的带孔螺栓二固定连接，同时也在带孔螺栓二与弯管法兰二11之间设置与防松垫二8结构一致的防松垫三。

如图6、7所示，所述防松垫一4、防松垫二8和防松垫三结构一致，均为锯齿形结构。具体的：防松垫一4、防松垫二8以及防松垫三的内径D1为10.7±0.2mm，外径D2为21±0.2mm，高度H2设置为2.5±0.25mm。防松垫一4的个数与排气管螺栓5的个数一致；防松垫二8的个数与带孔螺栓7的个数一致；防松垫三的个数与带孔螺栓二的个数一致。

所述所述排气管衬垫3包括衬垫本体31、设置在衬垫本体31两侧的两个安装孔32以及分别设置在两个安装孔32旁边的两个定位孔33；衬垫本体31由形状大小结构都一致的波形垫片一341、波形垫片二342以及波形垫片三343点焊在一起构成；波形垫片一341、波形垫片二342以及波形垫片三343均由本体段、坡面段及平面段一体成型；坡面段及平面段在排气孔密封区形成凸筋34；波形垫片一341与波形垫片二342相对设置，两者的本体段紧密贴合焊接在一起；波形垫片三343与波形垫片二342相对设置，两者的平面段紧密贴合焊接在一起；波形垫片三343与波形垫片一341平行设置。

具体的：波形垫片一341、波形垫片二342以及波形垫片三343均为不锈钢材质，均采用12Cr17Ni7-GB/T3280；所述坡面段的水平长度L为2mm；所述本体段与平面段的垂直距离H为0.6±0.1mm。

如图1所示，所述排气管螺栓5的规格型号为M10×45，拧紧力矩设置为65Nm。所述排气管螺栓5的材质为40Cr10Si2Mo。排气管螺栓5上不设置锁紧螺母，排气管1与缸盖2之间直接能过排气管螺栓5连接，排气管螺栓5设置为6根。

如图8、9所示，所述带孔螺栓7采用头部钻孔、穿钢丝的防松结构，所述钢丝沿带孔螺栓7拧紧方向紧固；所述钢丝选用直径为φ1.2mm的钢丝；所述钢丝经退600℃火处理；带孔螺栓7和带孔螺栓二上均不设置锁紧螺母；排气弯管10与排气管1之间通过带孔螺栓7直接连接、排气弯管10与脉冲转换器12之间均通过带孔螺栓二直接连接。带孔螺栓7和带孔螺栓二均设置为3根。

由图2可知，排气弯管10在脉冲转换器12两侧各有一根，所以带孔螺栓7和带孔螺栓二等部件的总个数需翻倍，具体个数也可以根据实际情况进行设置。

如图10所示，所述弯管法兰一6和弯管法兰二11的结构一致，厚度H3均为20mm。

柴油机完成出厂台架试验并冷却至室温后，检查排气管螺栓5、带孔螺栓7和带孔螺栓二的拧紧情况，按照预设的拧紧力矩进行二次拧紧，消除安装应力。

工作原理：

1）提高排气管螺栓5的拧紧力矩；

排气管螺栓5的规格型号为M10×45，原拧紧力矩为60Nm，通过有限元分析可以采用提高预紧力的方法来提高剩余预紧力，从而使螺栓不发生松动。通过仿真分析，排气管螺栓5的拧紧力矩均可提高为65Nm。

2）采用金属波形排气管衬垫3；

利用排气管密封垫的装配仿真计算，得出在排气管螺栓5拧紧状态下密封垫的主要变化；分析出密封垫的密封压力分布和高温下材料性能变化及热膨胀导致的密封压力变化趋势，在600℃工况下，密封垫已接近线接触状态，极易导致排气管漏烟故障。

根据仿真分析结果，设计了金属波形排气管衬垫3，利用波形弥补安装时螺栓预紧造成的衬垫变形，保证其密封性，改进后的排气管衬垫3结构如图4、5所示，材料优化为12Cr17Ni7-GB/T3280。

3）改进螺栓材料，提高耐温性能；

排气管螺栓5现用材料为42CrMo，在使用过程中存在螺栓变形情况，为提高螺栓的耐温性能，对同类型柴油机排气管螺栓的材料进行了研究发现：40Cr10Si2Mo是一种马氏体不锈耐热钢，该材料具有较高的高温强度、抗蠕变性能、抗氧化性能，适用于制造柴油机的排气系统零部件，故将排气管螺栓5的材质更改为40Cr10Si2Mo。

4）排气弯管两端螺栓紧固增加防松垫和穿钢丝的防松措施；

根据现有柴油机的结构，为了防止排气系统螺栓松动，采用了锯齿形防松垫结构，如图6、7所示。排气弯管两端的连接螺栓采用头部钻孔，穿钢丝的防松措施，带孔螺栓7结构如图8、9所示。钢丝沿螺栓拧紧方向紧固，钢丝选用直径φ1.2 mm，经600℃退火处理，安装结构如图3所示。

5）排气弯管10两端法兰盘厚度由15mm改为20mm，如图10所示。防止法兰变形，增加可靠性；

6）排气管1与缸盖之间直接用排气管螺栓5连接，排气管1与排气弯管10之间直接用带孔螺栓7连接，排气弯管10与脉冲转换器12之间直接用带孔螺栓二连接，均取消锁紧螺母，如图1、3所示。

7）柴油机完成出厂台架试验并冷却至室温后，检查各个螺栓的拧紧情况，应按照规定预设的拧紧力矩二次拧紧，消除安装应力。

综上所述，本发明通过提高紧固螺栓材料的耐温性能、增加螺栓拧紧力矩、设计了纯金属波形密封垫、增加的防松垫和穿钢丝防松措施、安装结构的设计，解决了柴油机排气系统螺栓松动，结合面漏烟问题，满足了使用要求；且结构简单，安装维修简单易行。

Claims (10)

1.一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：该结构包括设置在柴油机的排气管（1）和缸盖（2）之间的金属波形排气管衬垫（3）、固定连接排气管（1）和缸盖（2）的若干个排气管螺栓（5），设置在排气管螺栓（5）上的防松垫一（4）、设置在排气管（1）和排气弯管（10）之间的弯管法兰一（6）、固定连接排气管（1）和排气弯管（10）的若干个带孔螺栓（7）、设置在弯管法兰一（6）和带孔螺栓（7）之间的防松垫二（8）以及设置在排气弯管（10）与脉冲转换器（12）之间的弯管法兰二（11）；所述排气弯管（10）与脉冲转换器（12）之间也由若干个与带孔螺栓（7）结构一致的带孔螺栓二固定连接，同时也在带孔螺栓二与弯管法兰二（11）之间设置与防松垫二（8）结构一致的防松垫三。

2.根据权利要求1所述的一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：所述防松垫一（4）、防松垫二（8）结构一致，均为锯齿形结构。

3.根据权利要求1所述的一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：所述排气管螺栓（5）的规格型号为M10×45，拧紧力矩设置为65Nm。

4.根据权利要求1所述的一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：所述排气管螺栓（5）的材质为40Cr10Si2Mo。

5.根据权利要求1所述的一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：所述带孔螺栓（7）采用头部钻孔、穿钢丝的防松结构，所述钢丝沿带孔螺栓（7）拧紧方向紧固。

6.根据权利要求5所述的一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：所述钢丝选用直径为φ1.2mm的钢丝；所述钢丝经退火处理。

7.根据权利要求6所述的一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：钢丝退火处理的温度为600℃。

8.根据权利要求1所述的一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：所述弯管法兰一（6）和弯管法兰二（11）的结构一致，厚度H3均为20mm。

9.根据权利要求1任一项所述的一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：所述排气管螺栓（5）、带孔螺栓（7）和带孔螺栓二上均不设置锁紧螺母。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种提高可靠性的排气系统结构，其特征在于：柴油机完成出厂台架试验并冷却至室温后，检查排气管螺栓（5）、带孔螺栓（7）和带孔螺栓二的拧紧情况，按照预设的拧紧力矩进行二次拧紧，消除安装应力。

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