بخشی از مقاله
چکیده
طی آزمون 500 ساعت دوام یک موتور احتراق داخلی چهار استوانه1 با سوخت گاز، به دلیل شکستن نشیمنگاه دریچه هوا2 و فنر دریچه هوا3، آزمون با موفقیت به پایان نرسید و در نهایت بعد از 450 ساعت از آزمون دوام به دلیل خرابی موتور که ناشی از شکست نشیمنگاه دریچه و دریچه بود، موتور خاموش شد و آزمون متوقف گردید. لذا با توجه به اهمیت موضوع، سناریو های مختلف خرابی قطعات و ارتباط میان عوامل گوناگون و خرابی های مختلف بررسی گردید.
با توجه به اینکه در این مساله سه قطعه دریچه ها، نشمینگاه دریچهها و فنر دریچه ها آسیب دیده بود، هریک از سناریوها به صورت جداگانه بررسی گردید. در نهایت چنین نتیجه گیری شد که بستار از نظر ابعادی در برخی موارد - از جمله هم محوری راهنمای دریچه ها4 و نشیمنگاه دریچه ها و... - تفاوت فاحشی با نقشه دارد. این موضوع سبب وارد شدن نیروهای نامتقارن و بیش از حد خستگی به فنرهای دریچه ها شده است و باعث خستگی کم چرخه5 و شکست چندین باره فنرهای دریچه ها در طول آزمون شده است. در این پژوهش، با استفاده از روش TEAP سناریوهای مختلف بررسی شده اند و براساس درجه اهمیت و درجه سختی، اولویت بندی شده اند.
مقدمه
عملکرد اساسی فنرها، ذخیره انرژی مکانیکی با تغییر شکل الاستیک و آزادسازی آن می باشد. بر این اساس، فنر دریچه هوا و دود در موتور احتراق داخلی، سبب باز و بسته شدن دریچه می شود. چرخش میل-بادامک باعث می شود دریچه باز و فنر آن فشرده شود. بنابراین با نیروی فنر و و چرخش میلبادامک، دریچه بسته می شود. این فرآیند برای تمامی دریچه های استوانه های موتور، تکرار می گردد. در طول عملکرد و عمر موتور، دریچه ها، تحت بارگذاری مکانیکی و حرارتی میلون ها بار باز و بسته می شوند.
کی وی سادکاهار1، در تحقیق خود پیرامون تحلیل خرابی فنر دریچه یک خودرو، که از مشتری عودت شده بود، با استفاده از میکروسکوپ نوری2، تحلیل ریزساختاری روی نمونه را انجام داد. او نتیجه گرفت که وجود مواد غیرفلزی در نزدیکی سطح دریچه سبب خرابی آن گشته است.[1] لوکجان ویتک3، در پژوهشی به تحلیل خرابی و تنش مکانیکی -حرارتی دریچه گاز خروجی موتور دیزل پرداخته است.
در این تحقیق اثر علائم ساحلی4، که مشخصه خرابی خستگی است، مشاهده شده است. مشاهدات او بیان می کند که وجود ترک روی دریچه، به دلیل نواقص ساختاری قطعه نمی باشد. تحلیل اجزای محدود غیر خطی به منظور بررسی خرابی انجام شده است. رسوب کربن روی سطح نمشینگاه دریچه سبب ایجاد تنش خمشی شدید روی دریچه شده که عامل اصلی ایجاد خرابی خستگی دریچه بوده است.
کام چول او 5، سانگ وو چا6، یک روششناسی جهت تحلیل دوام دریچه موتور با درنظر گرفتن تغییر شکل حرارتی ارائه کرده اند. آنها با استفاده از تحلیل FEA نتیجه گرفتند که بیشترین خرابی در گردن دریچه7 اتفاق می افتد. تماس های موقت بین دریچه و نشیمنگاه به علت تغییر شکل نشیمنگاه، تنزل استحکام ماده به علت دمای بالا، بار های دینامیکی ناشی از باز و بسته شدن دریچه، از عوامل مهم این خرابی ذکر شده اند.
آجای پاندی8 در پژوهش خود به بررسی اثر دمای بالا روی ریزساختار دریچه موتور پرداخته است. در این مقاله تحلی خرابی دریچه ها مورد تحقیق قرار گرفته اند. تغییرات ریزساختار دریچه ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی - SEM9 - مطالعه شد. دریچه ای که دچار خرابی شده بود به همراه یک دریچه نو برای مقایسه، بررسی شدند. سختی دریچه به دلیل قرارگرفتن در دمای بالا، کاهش پیدا کرده است.[4] گولی یادایا کومار10 دریچه موتور احتراق داخلی را به وسیله روش اجزای محدود تحلیل خرابی کرده است. آنها در این مقاله به مودهای خرابی دریچه هوا و دود پرداخته اند. این خرابی ها ناشی از خستگی، اثرات دمای بالا می-شوند. شار حرارتی ناشی از بارگذاری حرارتی-مکانیکی، میادین تنش به صورت شماتیک تعیین و نشان داده شده است.
پژوهش حاضر مربوط تحلیل خرابی شکست فنر و نشیمنگاه دریچه طی آزمون دوام 500 ساعت می باشد. در طول آزمون دوام 500 ساعت موتور احتراق داخلی چهار استوانه با سوخت گاز چندین بار فنر دریچه های هوا در زمان های مختلف شکسته شد که شرح آن در جدول1 آمده است.
جدول :1خرابی های موتور در طول آزمون دوام 500
بعد از گذشت 450 ساعت از آزمون دوام، موتور متوقف شد. بعد از بررسی های انجام شده مشخص شد که یکی از دریچه های هوای استوانه شماره 1 شکسته شده و نشیمنگاههای این استوانه از محل قرارگیری در داخل بستار خارج و خرد شده است.
شکل :1استوانه شماره 1 بعد از باز شدن موتور
-2بررسی خرابی
با توجه به اینکه چندین خرابی در قطعات مرتبط رخ داده است و از آنجا که این قطعات هر کدام قبلا آزمون های صحه گذاری را چندین بار طی نموده اند و هدف این آزمون صحه گذاری آنها نبوده لذا انتظار هیچ گونه شکستی از آنها وجود نداشت. از اینرو حل این مساله قدری پیچیده به نظر می رسد.
لذا تصمیم گرفته شد که برای حل این مساله از روش های کلاسیک حل مساله استفاده شود. همچنین برای ساده تر شدن مساله ابتدا تلاش شد تمامی اطلاعات و شواهدی را که کمکی به حل مساله می کنند جمع آوری و ثبت شود.
شکل :2مراحل مختلف حل مساله
برای حل مساله روش های مختلفی وجود دارد از جمله روش استخوان ماهی، روش اصلاح شده دلفی، روش تحلیل هزینهBمنفعت و ...که در اینجا با توجه به نوع مساله که یک مساله علت و معلولی است ما از روش استخوان ماهی استفاده کرده ایم.
مراحل اجرای روش استخوان ماهی به شرح زیر است:
- 1 تعریف دقیق مساله - معلول - و درج آن بطور کامل
- 2 رسم دنده های اصلی استخوان ماهی بر اساس مقوله های مختلف
- 3 اجرای روش توفان فکری در مورد علت ها
- 4 تکوین پیشنهادها بر روی نمودار
- 5 ارزیابی نموداری برای انتخاب بهترین راه حل از بین نظرات
-1-2شرح مساله
در اینجا مساله اصلی، یافتن علل خرابی فنر دریچه ها و شکست دریچهها و نشیمنگاه دریچهها در آزمون دوام 500 ساعت موتور ملی با سوخت گاز میباشد.
-2-2 جمع آوری نشانه ها و شواهد مساله
-1 موتور حدود 550 ساعت در سخت ترین شرایط با سوخت گاز کار کرده است که از این 550 ساعت 450 ساعت آن در چرخه دوام 500 است بوده و مابقی آن در آزمون آب بندی - حدود 13/5 ساعت - ، آزمون خنک کاری - حدود 30 ساعت - ، آزمون مصرف روغن - حدود 15 ساعت - ، آزمون های عملکرد با گاز و بنزین و عیب یابی موتور بوده است.
-2 قطعات موتور قبل از آزمون دوام توسط واحد تضمین کیفیت اندازه گیری شده است. نتایج این اندازه گیری ها نشان می دهد که قطر برخی از راهگاه استکانیهای روغنی ، موقعیت آنها و هم محوری آنها ، زاویه مخروطی نشیمنگاه دریچه ها، قطر راهنمای دریچه ها، استوانه ای بودن راهنمای دریچه ها، هم محوری راهنمای دریچهها و نشیمنگاه دریچه ها خارج از محدوده مجاز نقشه است.
-3 بعد از گذشت حدود 250 ساعت از آزمون دوام شکستگی سرامیک داخل واکنشگر شیمیایی مشاهده شد. دقیقا نمی توان گفت که علت این شکستگی عدم تشکیل شعله و ذوب شدن واکنشگر است یا اینکه در اثر ضربات و ارتعاشات مکانیکی شکسته است. این شکست باعث بالارفتن فشار گازهای خروجی برای مدت چند ساعت شده است. اگر گازهای خروجی با دمای بالا به راحتی خارج نشوند دمای سطوح اطراف محل عبور گاز به شدت افزایش می یابد.
-4بعد از گذشت 300 ساعت از شروع آزمون، دمای گازهای خروجی به بیش از محدوده مجاز افزایش یافته و این موضوع سبب توقف آزمون شد که بعد از بررسی تراکم استوانه ها مشخص شد، برخی از استوانه ها تراکم ندارند و بعد از باز شدن بستار مشخص شد که فنر دریچه های هوای دوم و چهارم شکسته شده است و بعد از تعویض فنرها آزمون ادامه یافت و دقیقا مشخص نیست که هر دو فنر با هم شکسته است و یا اینکه با فاصله زمانی رخ داده است.
لازم به ذکر است که هربار شکست فنر دریچه ها - به خصوص در دورهای زیاد موتور و حداکثر بار - باعث وقوع احتراق ناقص و بالا رفتن دما در اطراف دریچه ها، داخل شاخک های چندراهه خروجی، واکنشگر و سایر مسیر گازهای خروجی خواهد شد. با توجه به این نکته می توان گرفتگی و ذوب شدگی واکنشگر را به این موضوع ارتباط داد و این احتمال وجود دارد که شاید یکی از فنر ها زودتر دچار مشکل شده است.
-5بعد از گذشت 450 ساعت از چرخه دوام موتور متوقف گردید. بعد از باز شدن موتور مشخص شد که:
الف.دریچه هوا استوانه شماره 1 از ناحیه اتصال ساق دریچه و کلگی جدا شده است.
ب.نشیمنگاه های دریچه های هوا آسیب دیده و از جای خود خارج شده است.
ج.در اثر برخورد کلگی دریچه با سطح بالایی سمبه ،سمبه آسیب دیده است.
د. سطح داخلی استوانه خراش برداشته است. ه. دریچه های دیگر این استوانه کج شده است و.راهنمای دریچه شکسته شده است
ی. خرده های نشیمنگاه در استوانه های دیگر نیز دیده می شود.
ف.در پشت نشیمنگاه دریچه های هوا و بر روی محل قرارگیری نشیمنگاه هوا در بستار نیز ذرات دوده به وضوح دیده می شود.
