工程機械柴油機活塞熔頂故障的試驗分析

謝建新+康博+胡雪芳

摘要：針對某型工程機械柴油機活塞頂面熔化原因的不確定性，提出了基于形線測量、橢圓度測量、油道檢測、金相分析、合金元素檢測以及硬度測試的試驗研究方案。試驗結果表明，活塞頂面的形線和橢圓度均符合工作要求，活塞冷卻油道無鑄造缺陷，熔頂部分的合金元素無偏析，黑色共晶硅和條狀初晶硅分布均勻，活塞熔頂的主要誘因為柴油機的冷卻和潤滑系統故障，這對于提升該型柴油機的可靠性和使用壽命有著重要的意義。

關鍵詞：柴油機；活塞熔頂；合金元素；故障分析

中圖分類號：U415.5文獻標志碼：B

Experimental Analysis on Piston Melting Failure of Diesel Engine of Construction Machinery

XIE Jianxin1， KANG Bo2， HU Xuefang1

（1. School of Transport and Marine Engineering， Qingdao Huanghai University， Qingdao 266427， Shandong， China；

2. Hebei Province Expressway Management Bureau， Shijiazhuang 050051， Hebei， China）

Abstract： Aiming at the uncertainty of the melting at the top of the piston of a diesel engine for construction machinery， the experimental research scheme based on the measurement of the line， ellipse， oil passage， metallographic analysis， alloying element testing and hardness testing was put forward. The experimental results show that the shape and ellipticity of the top surface of the piston are in accordance with the working requirements； there is no casting defect in the cooling channel of the piston， and no segregation of alloying elements in the melted top； the black eutectic silicon and the striped primary crystal silicon uniformly distribute； the failure of the cooling and lubricating system is the main cause of piston melting. The research is of great significance in enhancing the reliability and service life of diesel engine.

Key words： diesel engine； piston top melting； alloying element； failure analysis

0引言

某整車廠與配套廠合作開發的工程機械柴油發動機（以下簡稱柴油機）運行時，出現了行駛無力并有白煙排出的現象，隨后無法啟動。對柴油機燃油噴射系統進行檢測，確定性能正常；對發動機的進氣系統進行檢測，發現4個氣缸中有2個氣缸壓力偏低；使用內窺鏡觀察二缸氣缸及活塞的狀態，發現二缸活塞頂面嚴重燒蝕變形，并出現局部的熔化現象，缸筒內壁拉傷嚴重。

柴油機活塞熔頂故障會給企業造成巨大經濟損失，但其形成因素并不明確[16]。本文綜合運用形線測量、橢圓度測量、油道檢測、金相分析、合金元素檢測以及硬度測試[211]等方法，對柴油機活塞熔頂故障的原因進行分析。通過對試驗結果的綜合類比和分析，得出故障因素，對于提升該發動機的可靠性和延長使用壽命有著重要的意義。

1活塞熔頂誘因分析

1.1柴油發動機冷卻故障

柴油機有2路冷卻系統：其中一路是外冷卻系統，它以冷卻液為媒介，通過水泵使冷卻液循環起來，從而將氣缸內的熱量帶出進行散熱；另一路通過機油泵使發動機潤滑油流經活塞內部的冷卻油道而使活塞溫度降低。柴油機與汽油機相比輸出功率較大，活塞頂面承受的可燃混合氣的溫度較高，若冷卻系統工作不良，活塞得不到及時冷卻降溫，會導致活塞機械強度降低，表面硬度下降，時間一長就會產生熔化拉缸的現象[12]。

1.2燃燒室積碳過多

一般情況下，若柴油機過載運行或柴油的品質較差，柴油機氣缸內將出現可燃混合氣燃燒不完全等問題[1315]，不完全燃燒的殘留物附著在活塞頂和氣缸內壁上，導致活塞和氣缸內壁的熱量不能及時被冷卻液帶走，使燃燒室的熱量越積越多，最終可能出現活塞頂面熔頂現象。

1.3活塞存在鑄造方面的缺陷

活塞鑄造較為復雜，在澆注之前需要對鋁液進行變質處理，使鋁合金中的初晶硅減少，而共晶硅數量增多并細化。在變質處理、澆注和熱處理工藝中，任何一道工序出現問題都會使活塞出現鑄造缺陷，造成熔頂現象[1620]。

1.4活塞熔頂的研究方案

根據主機廠提供的數據可知，使用的柴油性能和油品符合標準，因此，柴油機發生積碳的可能性較小，不會產生散熱不良。針對活塞熔頂的誘因，本文提出試驗方案，如圖1所示。檢測和分析的主要方法有：形線測量、橢圓度測量、油道檢測、金相分析、合金元素檢測以及硬度測試等。其中，通過對活塞熔頂部分的金相組織、熔頂硬度以及活塞原材料的合金成分分析，可直接判定活塞材料出現熔頂后的性能變化。endprint

2熔頂活塞檢測與分析

2.1活塞形線測量

活塞形線即活塞外輪廓線，一般使用形線儀進行測量。由于活塞的形線是由數控車床根據既定程序加工出來的，因此只要活塞存在形線，形線一定是符合標準的。對于熔頂拉缸的活塞，只需要確認其是否存在形線即可。熔頂活塞形線的檢測如圖2所示；從整個形線圖來看，故障活塞的形線是存在的；位置1、3的形線基本符合標準軌跡線，其中有一部分形線超出標準軌跡線是因為拉缸后活塞受到擠壓產生部分凸變形造成的；位置2、4的形線都發生了嚴重的凹陷變形，是拉缸以后活塞產生嚴重磨損造成的。綜上所述，故障活塞的加工形線在標準形線軌跡線范圍內，因此故障活塞的形線滿足要求。

2.2活塞橢圓度測量

由于活塞在運行過程中頂部獲得的熱量最多，產生的膨脹量也最大，為了防止其頂部變形過大導致拉缸，一般將活塞加工成一個上小下大的近似圓錐體。活塞在工作過程中，頭部金屬體積大，受熱變形量大，底部金屬體積小，受熱變形量小，活塞膨脹后形成一個近似的圓柱體，與圓柱形的氣缸配合從而能進行正常的工作?；钊臋E圓度用圓度儀進行測量，測量位置與圖2一致，得出1、4位置的橢圓度曲線如圖3所示。

可以看出，位置1沒有拉缸現象發生，活塞損傷較小，活塞在該位置的橢圓度線與標準橢圓度線基本吻合，符合標準值；位置4的橢圓度失真較嚴重，變形明顯，證明該位置承受熱量和載荷較大，易產生磨損，與形線的測量結果一致。橢圓度檢測結果表明，活塞頂面的熔化現象與活塞機械加工的質量和工作時的承載狀態無關。

2.3活塞油道檢測

柴油機活塞設有冷卻油道，潤滑油在活塞冷卻油道循環往復流動，將活塞的部分熱量帶走，使活塞溫度降低。活塞冷卻油道是鑄造而成的，在鑄造過程中易出現油道內徑變小的現象，導致流經冷卻油道的潤滑油量變少，使活塞的冷卻效果變差。由于活塞冷卻油道在活塞內部，無法直接檢測，因此本文采用注水法和切割法進行間接檢測。

（1）注水法。注水測試法的原理如圖4所示，將軟管一端連接壓力機出水管，另一端的接頭插入活塞冷卻油道入口，冷卻油道出口同樣連接1根軟管，以便觀察水的流速。通過手動水壓機將水注入到活塞冷卻油道中，觀察油道入口和出口水的流速是否一致。流速不一致說明活塞油道內有“隔墻”，阻礙水流；若一致則證明活塞油道內部無“隔墻”。

（2）切割法。本文將故障活塞沿著第1道活塞環和第2道活塞環之間的位置切開，如圖5所示，觀察故障活塞冷卻油道內壁是否存在“隔墻”，即檢測是否有阻斷油道的鑄造薄壁。從圖5可以發現，內壁光滑，沒有“隔墻”結構，可知故障活塞冷卻油道沒有鑄造缺陷。

2.4金相組織與元素分析

活塞材料為S2N鋁硅合金，本文使用小型切割機從檢測的熔頂活塞上截取20～45 mm長的一段，通過鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕等步驟制備了金相試樣，將其置于XJG05型臥式金相顯微鏡上進行觀察，如圖6所示。

從圖6中可以看出，該材料屬于共晶組織，共晶硅呈粒狀或桿狀較均勻地分布在 αAl基體上，其上還分布有數量較多的金屬化合物相，例如Mg、Fe、Gu等。黑色共晶硅和條狀初晶硅沒有偏析等現象，均勻分布在鋁金屬之間。與標準金相圖譜比較，共晶硅和初晶硅顆粒大小符合標準，未出現組織異常。

將金相試樣的檢測表面再次磨平、拋光，采用光譜分析儀進行合金元素含量的檢測，結果如表1所示。從表1中可以看出，熔頂活塞中的合金元素仍在標準范圍之內，并沒有發生嚴重的偏析現象，與圖6中的結果一致。

中的測試數據可知，被測8個點的硬度值均低于硬度標準值110～140 HB，不符合活塞硬度要求。由此可見，柴油機活塞承受的最高溫度是導致熔頂故障和限制柴油機提高功率的關鍵因素之一。經過試驗數據的反復驗證可知：柴油機鋁合金活塞頂面的極限溫度須小于350 ℃，超過該溫度時，活塞頂部將會產生細小的裂紋；活塞長時間處于330 ℃以上時，受到高溫氣體交變載荷的沖擊，將出現硬度迅速降低甚至局部熔化，導致熔頂故障的發生。

3結語

本文對引起某型工程機械柴油發動機活塞頂面熔化的3種主要因素進行了分析，其中，根據柴油的性能和油品排除了燃燒室的積碳因素。根據試驗研究結果可得出以下結論。

（1）故障活塞的加工形線在標準形線軌跡線范圍內，活塞頂端無粘缸現象發生，其橢圓度線與標準橢圓度線基本吻合；因此，塞頂面的熔化現象與活塞機械加工的質量和工作時的承載狀態無關。

（2）通過注水法和切割法對油道性能進行檢測，結果表明故障活塞冷卻油道無鑄造缺陷；對活塞熔頂金相組織和合金元素含量的分析表明，共晶硅和初晶硅顆粒大小符合標準，未現組織異常，無元素偏析。因此，活塞頂面的熔化現象與制造工藝、材料屬性無關。

（3）根據不同溫度下活塞頂面融化部分的多參考點硬度測試結果可知，活塞長時間處于330 ℃以上時，頂面的硬度低于標準值，證明活塞在熔化之前過熱且沒有及時散熱，最終導致頂面熔化的發生。

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[責任編輯：王玉玲]endprint