鋼活塞銷孔接觸磨損優化設計研究

羅紹杰?楚翔宇?李倩

摘 要 隨著柴油機排放、強化程度等的提升，爆壓和升功率不斷提高，活塞所承受的機械負荷和熱負荷也越來越高。鋼活塞銷孔直徑相對較大，活塞銷較短，因此，活塞銷的彎曲變形量較小，橢圓變形量較大，活塞銷孔外側應采取較大的異型銷孔設計，以防止銷孔外側拉。本文就鋼活塞銷孔接觸磨損優化設計展開探討。

關鍵詞 柴油機;鋼活塞;接觸磨損;銷孔形線;有限元計算

引言

在現代發動機活塞設計中，通常將活塞銷孔中心線相對于活塞中心線偏置一定距離，即采用銷孔偏心設計。銷孔偏心作為影響其二階運動的主要參數之一，在實際開發設計過程中，往往是解決活塞運動平穩性、發動機噪聲、摩擦損失、活塞側向力及缸套穴蝕等問題最簡單有效的方法。然而，銷孔偏心也會影響活塞受力及力矩平衡，進而對活塞二階運動和裙部潤滑特性產生重要影響，如改變了活塞裙部與氣缸壁間的接觸負荷，可能會加劇或改善活塞磨損等。

1 鑄鋼活塞應用概況

鑄鋼的機械強度高，耐熱性、耐蝕性以及耐磨性均優于鋁合金和鑄鐵，具有高的彈性模量，優良而穩定的高溫性能和比較低的線膨脹系數等優點，但缺點是密度大、加工麻煩、成本高，對缸套的磨損嚴重。為使活塞質量更輕，通常將鋼制活塞的結構設計得十分復雜，活塞體斷面很薄。由于省去了大量的材料，整個活塞的質量比目前鑲嵌耐熱奧氏體鑄鐵環槽的鋁合金活塞約輕30%，具有實際應用價值。制造工藝上，需要設計好鑄造工藝，以使得活塞體中較薄的截面都能準確鑄成且成品率較高，同時變形小。目前，熔模精密鑄造法是較理想的鑄造工藝。由于鋼制活塞鑄成之后還必須經過熱處理，以獲得較高的耐磨性，為了防止活塞結構上設計的薄壁部位在熱處理過程中產生過大變形，以保證活塞功能的正常發揮，需要嚴格控制其熱處理工藝過程。

2 鋼活塞銷孔失效分析

某歐VI直列六缸、四沖程，增壓水冷柴油發動機的活塞銷孔出現接觸磨損失效，對銷孔外側的失效進行分析，找出失效原因。（1）試驗情況。活塞經1600h耐久臺架試驗后銷孔外側接觸磨損失效的圖片可知，活塞銷孔外側接觸痕跡明顯、磨損嚴重，內側無接觸痕跡。銷孔的失效原因通常是活塞材料本身存在缺陷，局部壓力或應力集中、異常等。因此首先需進一步對活塞銷孔本體材料進行檢測，以排除材料本身的缺陷問題才能確定最終失效的根本原因。（2）金相檢驗。該活塞所用材料為42CrMo4，利用金相顯微鏡對失效部位材料的金相組織放大100倍檢測，可見鍛造纖維均勻的索氏體組織，沒有明顯的線狀或巢狀非金屬夾雜，從而判定材料的金相組織合格。（3）成分檢測。通過光譜儀對材料的化學成分進行檢測。結果顯示：材料的化學成分完全符合要求。另外，材料硬度標準要求為270一320HBW，對銷孔部位的布氏硬度進行檢測，實測平均值為295HBW，符合材料標準要求。通過對活塞銷孔外側接觸失效的檢測分析，初步判定失效的主要原因是銷孔形線及活塞結構設計不合理導致銷孔壓力集中分布在銷孔外側，從而造成銷孔外側發生磨損失效。

3 改進方案

3.1 早期磨損的預防措施

（1）潤滑油要及時進行更換，保證機械有良好的潤滑效果。①時刻做好機油壓力的檢查及測量工作，通常柴油機的機油壓力為0.15～0.4MPa，一般要求，柴油機在空轉的最低穩定轉速時，機油壓力不能低于0.05MPa。②我們可以按照不同季節配備不同的機油。嚴格按照說明書的要求，選擇適當標號的機油，對于高速柴油機，由于各部件配合較緊密，活動間隙小，一定要選擇黏度較低的機油。（2）平時要多注意學習，掌握正確操作，及時進行維護保養。①在進行作業時，要嚴格按照說明書的要求，啟動發動機時，應先預熱一段時間，在發動機達到一定溫度，此時處于最佳狀態，方可進行作業;需要注意的是，在冬季作業時，要預熱柴油機，或是搖轉發動機的曲軸，使機油的粘度減少，在充分完成各部位的潤滑后，方可從事機械作業。②柴油機嚴禁長時間超速或超負荷作業。長期高速作業或超負荷作業，會使氣缸內產生大量的高溫、高壓氣體，進一步破壞了潤滑油膜，影響了潤滑效果，同時，產生更大沖擊力，加劇氣缸、活塞及活塞環的磨損。③要注意檢查氣缸、活塞及活塞環的相互配合間隙。嚴格按照使用說明的要求，定期調整氣缸、活塞及活塞環之間的配合間隙，間隙值不能超過其極限值，發現間隙過大或過小要及時進行調整。④要加強檢查，及時清除氣缸、活塞及活塞環上堆積的積碳。因為積碳增多以后，會使燃燒室容積變小，柴油機工作效率降低，使潤滑油變質，影響潤滑的性能，加速機件磨損。

3.2 銷孔偏心設計

將活塞銷孔中心向次推力側偏置定義為正偏心，向主推力側偏置定義為負偏心。如果活塞整體與缸套發生瞬時接觸，將產生較大的沖擊力和噪聲。銷孔偏心的主要目的是實現活塞換向時平緩的過渡，降低活塞運動過程中的最大側向力。目前活塞設計中普遍采用銷孔偏心結構，通過優化銷孔偏心量，可以在很大程度上減少活塞處于上止點換向過程中對氣缸的沖擊。

3.3 銷孔形線改進

目前，高爆壓、高負荷柴油機活塞銷孔均采用異形銷孔結構。異形銷孔結構可以使銷孔在發動機工作狀態下適應活塞銷的橢圓變形和彎曲變形，從而優化活塞銷孔表面的壓力分布，使壓力在銷孔各個截面分布盡量均衡。在原銷孔形線（S1方案）的基礎上，設計了S2，S3，S43種形線改進方案，銷孔形線設計為喇叭形結構，通過調整內側、直段、外側3段的長度及銷孔直徑收縮量來優化銷孔形線。

其中S2，S3，S4方案銷孔外側形線收縮量相對于S1依次增大，靠近外側直線段長度依次減小，另外，減小S4內側長度、增大內側收縮量。

4 結語

在銷孔偏置設計時，需要根據不同的噪聲、摩擦損失及活塞接觸磨損要求，并綜合考慮發動機運行工況、活塞剛度、型線設計等因素的差異，對分析結果進行綜合評估，避免極端事件的發生。

參考文獻

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