杜子文

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川南充 637100）

由于目前柴油機(jī)向高速、重載及大功率方向發(fā)展，相應(yīng)對(duì)柴油機(jī)的強(qiáng)度提出了更高的要求.作為柴油機(jī)中工作條件最為苛刻的活塞，其設(shè)計(jì)、加工及材料等方面隨著柴油機(jī)的日益強(qiáng)化也在不斷更新，這些方面的工作質(zhì)量直接影響著柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性及使用壽命.

本文重點(diǎn)針對(duì)柴油機(jī)所用鋼頂組合活塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、失效形式及原因等方面進(jìn)行分析，特別對(duì)其薄弱環(huán)節(jié)即對(duì)活塞頂、活塞環(huán)槽、活塞裙的失效機(jī)理進(jìn)行探討，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施.

1 大功率柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)

大功率柴油機(jī)的活塞結(jié)構(gòu)型式從最先的整體鋁合金活塞，到合金鑄鐵、可鍛鑄鐵整體活塞再到鋼頂組合活塞經(jīng)歷了三個(gè)階段.

第一代整體鋁合金活塞具有工藝性好、成本低、質(zhì)量輕、線膨脹系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)，但高溫下疲勞強(qiáng)度、硬度均較低，而且存在耐磨性差，環(huán)槽易磨損，容易產(chǎn)生裂紋等缺點(diǎn)，所以不能滿足現(xiàn)代大功率柴油機(jī)高強(qiáng)度的要求.

第二代合金鑄鐵、可鍛鑄鐵整體活塞雖然能滿足現(xiàn)代大功率柴油機(jī)高強(qiáng)度的要求，但由于鑄造及模鍛技術(shù)要求高，成本高，質(zhì)量難于保證，大量使用受到限制.

第三代鋼頂組合活塞有鋼頂鋁裙組合和鋼頂鐵裙組合兩種型式.

鋼頂鋁裙組合活塞具有整體鋁合金活塞及合金鑄鐵、可鍛鑄鐵整體活塞的優(yōu)點(diǎn).采用耐熱、耐磨的合金鋼解決了活塞頂部熱強(qiáng)度和磨損問題，液態(tài)模鍛鋁裙強(qiáng)度高、重量輕，既可提高銷座比壓又可減少活塞慣性力，故在大功率柴油機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用.

鋼頂鐵裙組合活塞是目前國(guó)際上高強(qiáng)度機(jī)車柴油機(jī)最新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高承載活塞.它綜合了鋼頂鋁裙活塞和整體球鐵活塞的優(yōu)點(diǎn)，充分利用不同材料的特性來滿足柴油機(jī)對(duì)活塞不同部位的特殊要求，使其不僅具有優(yōu)良的使用性能，而且工作可靠、使用壽命長(zhǎng).

2 大功率柴油機(jī)活塞主要失效形式及原因

2.1 環(huán)槽的不正常磨損

鋼頂鋁裙活塞在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)活塞環(huán)槽嚴(yán)重磨損的情況，尤其是貨運(yùn)車更加突出，其原因主要有：首先是活塞環(huán)與缸套的匹配不好，故壽命太短.隨著大修間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，特別是激光淬火缸套的使用，使與之配對(duì)的活塞環(huán)更不耐磨，活塞環(huán)后期已進(jìn)入劇烈磨損階段，活塞環(huán)組已不能正常封氣、控油，機(jī)油消耗明顯上升，這樣就會(huì)使活塞環(huán)、活塞環(huán)槽及缸套劇烈磨損.另外，空氣及機(jī)油濾清器的濾清效果不佳，機(jī)油沒有按規(guī)定更換，機(jī)油內(nèi)磨料過多，大修間隔時(shí)間過長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)高速、重載、柴油機(jī)運(yùn)行條件惡化，噴油器霧化不良，燃燒質(zhì)量差等都是加速活塞環(huán)槽、缸套和活塞環(huán)磨損的因素.

2.2 活塞頂部開裂

活塞頂開裂主要是由于柴油機(jī)載荷反復(fù)變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力循環(huán)，氣缸內(nèi)燃燒壓力周期性變化而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力循環(huán)，活塞頂表面的高溫，以及鋼頂和鋁裙裝配間隙不當(dāng)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力等因素綜合作用的結(jié)果.

2.2.1 鋼頂周向薄壁處開裂

圖1 鋼頂鋁裙支承面

當(dāng)活塞頂和鋁裙裝配成一對(duì)時(shí)，對(duì)鋁裙上產(chǎn)生A、B兩個(gè)支承面（見圖1）.支承面A在自由狀態(tài)下不起支承作用，按設(shè)計(jì)要求，二者間有一定的配合間隙，支承面A有一個(gè)坡度，在豎直方向上有一個(gè)高度差（δ），這是為了更好地解決活塞頂和鋁裙間在氣體壓力、慣性力和溫度作用下的綜合變形.即在自由狀態(tài)下A面徑自中心線向外呈張口狀，在載荷作用下則呈閉合狀，從而使配合面上受力均勻，不致出現(xiàn)應(yīng)力集中問題.而活塞頂與鋁裙之間的配合情況對(duì)活塞的應(yīng)力狀態(tài)、變形和壽命有著重要的影響.活塞頂火力岸周向裂紋的根本原因就是鋁裙的支承面與鋼頂?shù)呐浜祥g隙增大，因?yàn)樵诟邷叵落X的熱強(qiáng)度比鋼低，此間隙在自由狀態(tài)下很小，在載荷狀態(tài)下由于氣體力和溫度的作用，鋁裙為適應(yīng)鋼頂?shù)淖冃危沟娩X裙上的支承面A受擠壓而發(fā)生塑性變形.這樣由于該配合間隙的增大，引起活塞頂應(yīng)力的增加，在這一增大的交變載荷作用下，活塞頂火力岸周向薄壁處產(chǎn)生疲勞裂紋.

2.2.2 鋼頂熱裂、燒穿

活塞鋼頂是在高溫燃?xì)獾臎_擊下工作的.過高的活塞溫度也是一個(gè)破壞因素，這在燃燒室較深及冷卻較差的活塞中最常見.氣缸中的燃?xì)鉁囟茸罡呖蛇_(dá)2 500 K以上，在這樣高的溫度下工作的活塞除本身應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度外，還必須具有良好的冷卻性能，使活塞頂部溫度及第一道氣環(huán)溫度嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍內(nèi).從活塞鋼頂燒損的部位來看，鋼頂在此處的厚度一般只有4～7 mm，當(dāng)活塞內(nèi)腔的壁面溫度局部偏高時(shí)，就容易引起積碳，大大影響鋼頂?shù)睦鋮s，使鋼頂局部溫度升高.因該處材料強(qiáng)度較弱，故極易引起熱裂，并在強(qiáng)大的高溫燃?xì)獾臎_擊下，鋼頂被燒穿而形成孔洞.

2.3 活塞裙部失效

活塞裙的損壞一般是在高速、重載的大功率柴油機(jī)運(yùn)行了十幾萬或二十幾萬公里之后出現(xiàn)的，這些損壞的部位和形狀很有規(guī)律.有的裂紋起源于活塞螺栓沉孔座 U形槽內(nèi)側(cè)靠近活塞銷的過渡圓角處，當(dāng)該裂紋擴(kuò)展橫向貫通時(shí)，活塞裙斷裂；在活塞裙內(nèi)腔組合螺栓孔上的彈性套孔壁與連桿頭避讓坑底部圓角相交處也有發(fā)生裂紋現(xiàn)象.其結(jié)果損壞缸套、缸蓋、連桿，甚至傷及曲軸與機(jī)體，危及行車安全并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失.通過對(duì)損壞活塞裙的宏觀和微觀分析表明，活塞裙的斷裂，屬于機(jī)械應(yīng)力引起的疲勞損壞.活塞裙損壞部位是活塞裙結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，如活塞裙銷座區(qū)，特別是螺栓下穿式組合活塞裙部銷座區(qū)強(qiáng)度因螺栓孔而大大削弱.螺栓孔位置的布置受到限制，活塞裙部的U形槽處形成了高應(yīng)力集中區(qū).活塞裙螺栓沉孔座面U形槽根部加工質(zhì)量不佳，有尖角或切削表面粗糙而形成撕裂缺口，是開裂損壞的另一重要原因.此外，活塞裙毛坯的質(zhì)量和性能，共晶硅鋁金Si相和金屬間化合物相的大小及分布狀態(tài)，都直接影響活塞裙的疲勞強(qiáng)度.

3 主要改進(jìn)措施

3.1 合理選擇配合間隙

圖2所示，a、b為組合活塞頂裙外圈接觸面間的初始配合間隙，這兩個(gè)間隙對(duì)活塞應(yīng)力狀態(tài)影響很大.如果間隙過小時(shí)，活塞頂熱變形在配合面受阻，環(huán)槽區(qū)應(yīng)力增高，第一道環(huán)槽開口變窄，將會(huì)加快環(huán)槽磨損，活塞裙油環(huán)槽上部甚至出現(xiàn)壓裂；而如果間隙過大，活塞頂?shù)臒釕?yīng)力雖小，但機(jī)械應(yīng)力又太大.因此，必須通過三維有限元計(jì)算和多方案實(shí)驗(yàn)研究確定a、b間隙的最佳值.

圖2 外圈配合間隙

3.2 采用錐形裙部支承面

組合活塞內(nèi)、外支承面的徑向定位和配合間隙對(duì)活塞的受力狀況影響很大，為了保證組合活塞在全部寬度上接觸良好，將裙部支承面設(shè)計(jì)成從內(nèi)側(cè)向下傾斜至外側(cè)的結(jié)構(gòu).研究表明，隨著傾斜度的增加，熱態(tài)下支承面內(nèi)側(cè)的脫開量明顯減少.

3.3 對(duì)冷卻油腔結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

對(duì)高強(qiáng)度柴油機(jī)活塞來說，進(jìn)行高效的冷卻，降低其熱負(fù)荷，是活塞設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵之一.振蕩冷卻是組合活塞理想的冷卻方式，設(shè)計(jì)良好的振蕩冷卻，傳入活塞的熱量 90%以上可被冷卻油帶走.冷卻效果取決于冷卻腔的結(jié)構(gòu)、冷卻機(jī)油的充滿度及冷卻油量等.組合活塞的冷卻方式主要有兩種：一是活塞采用外腔進(jìn)油（連桿一活塞銷一活塞裙一活塞頂）中央腔回油的結(jié)構(gòu)（見圖 2）；二是采用噴油冷卻（見圖 3）.良好的冷卻標(biāo)志是活塞各特征點(diǎn)的最高溫度均在許用范圍內(nèi)，其衡量指標(biāo)據(jù)有關(guān)資料介紹為：進(jìn)出油差 20～40 ℃；對(duì)于連桿孔供油的組合活塞冷卻油量推薦值為 5.2～l1.5 kg／(kW·h)；充滿度為40～60%為最佳；活塞內(nèi)外冷卻腔的熱交換系數(shù)達(dá)到837 kJ／（m2·h·℃）以上.要達(dá)到上述指標(biāo)必須優(yōu)化振蕩冷卻腔結(jié)構(gòu)系數(shù)，找出最佳進(jìn)出油孔直徑和出油孔高度等.

圖3 噴油冷卻油孔

3.4 活塞環(huán)及環(huán)槽表面強(qiáng)化處理

活塞環(huán)槽摩擦副匹配的優(yōu)化，采用高性能和壽命長(zhǎng)的活塞環(huán)，采用高效空濾系統(tǒng)，提高機(jī)油品質(zhì)，按規(guī)定更換機(jī)油，提高“三濾”濾清質(zhì)量和柴油機(jī)清潔度等是降低活塞環(huán)槽磨損的主要措施.對(duì)活塞環(huán)槽而言，可以采取表面氮化、激光淬火、感應(yīng)淬火、鍍鉻、加環(huán)槽護(hù)圈等辦法，提高其耐磨性.活塞頂經(jīng)離子軟氮化后，其耐磨性、耐蝕性和疲勞強(qiáng)度均明顯提高.目前采用活塞頂軟氮化處理來提高環(huán)槽耐磨性的活塞已裝車運(yùn)用，效果良好.

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