高強化船用柴油機組合活塞裙部型面設計與驗證

王星全,張俊青,徐濤,王占宜,夏金寶，張新超

1.濱州渤海活塞有限公司，山東 濱州 256602； 2.山東省發(fā)動機活塞摩擦副重點實驗室，山東 濱州 256602

0 引言

船用柴油機作為船舶及其它海上設施的源動力，與陸用柴油機相比具有難替代性，所以船用柴油機及其零部件的設計制造尚有很大的發(fā)展空間[1]。活塞作為船用柴油機中關鍵零部件之一，運行環(huán)境非常苛刻，在機械負荷和熱負荷的交變作用下，活塞容易產(chǎn)生疲勞破壞、拉缸及異常磨損等故障，活塞的工作狀況直接影響到船用柴油機的可靠性、耐久性及排放性能等。

在工作狀態(tài)下活塞裙部和缸套合理配合，并在配合面形成均勻穩(wěn)定的油膜，才能保證活塞運行的平穩(wěn)性和耐久性，防止發(fā)生拉缸等故障，同時減少發(fā)動機的摩擦功率損失，降低機油耗和漏氣量，減輕柴油機的振動和噪聲。因此活塞在設計時必須考慮到熱負荷和機械負荷對活塞裙部變形的影響，以及工作狀態(tài)下活塞裙部型面對油膜形成的影響等因素[2-5]。

本文中主要研究某高強化船用柴油機鋼頂鐵裙組合活塞的裙部型面設計，進行數(shù)值仿真分析、選擇合理方案并優(yōu)化，然后通過臺架試驗驗證設計方案的合理性。該研究可為船用柴油機組合活塞的裙部型面設計提供參考。

1 活塞裙部型面設計理論

本文中的船用發(fā)動機為V型12缸四沖程水冷柴油機，主要參數(shù)如表1所示,其活塞裙部型面的設計主要包括縱向形線設計和橫向橢圓設計。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

1.1 縱向中凸曲線

在工作狀態(tài)下，活塞裙部的縱向形線不是一條直線而是一條中凸曲線。裙部縱向使用中凸曲線相對于使用直線有以下優(yōu)點[6-9]：1)中凸曲線對于活塞的導向性能比直線更好，可以使活塞運行狀態(tài)更平穩(wěn)；2)可以減小活塞的二階運動和敲擊動能，有利于減緩缸套的穴蝕，降低發(fā)動機的振動和噪聲；3)活塞在下止點換向時，能夠避免裙部下端和缸套內側下沿發(fā)生刮擦；4)可以使活塞在上行和下行過程中均能形成油楔，并在活塞裙部和缸套的配合面之間形成剛度較大的油膜，保證活塞裙部和缸套之間的良好潤滑，避免發(fā)生因金屬直接接觸而導致的拉缸等故障；同時還有利于降低活塞裙部的摩擦力，減少摩擦功率損失。

柴油機活塞裙部的縱向中凸曲線一般分為上段區(qū)、直段區(qū)和下段區(qū)3段，設計時需根據(jù)活塞裙部縱向的溫度分布、壁厚變化等因素，并通過圓弧和直線擬合、指數(shù)曲線和直線擬合或斜線與直線相交的方式獲得,其中通過斜線與直線相交獲得的裙部形線，在早期的整體鑄鐵活塞和鋼頂鐵裙活塞上使用較多，目前新設計的活塞中已經(jīng)很少使用[10-12]。

目前在柴油機活塞裙部縱向中凸曲線設計中，經(jīng)常使用的是指數(shù)曲線和直線擬合，如圖1所示[13-14]，圖中X1、X2為曲線上的點與曲線起點的縱向距離，Y1、Y2為曲線上的點到曲線起點的橫向距離(即裙部直徑收縮量)。通常情況下，上段區(qū)縱向跨度較大，橫向的收縮量也較大。

圖1 普通活塞裙縱向中凸曲線示意圖 圖2 鑄鐵裙縱向中凸曲線示意圖

上段指數(shù)曲線方程為：

(1)

下段指數(shù)曲線方程為：

(2)

式中A1、A2、c1、c2為系數(shù)。

對于船用整體鑄鐵活塞或鋼頂鐵裙組合活塞來說，其材料的熱膨脹系數(shù)比鋁合金小，壁厚比較薄并且均勻，所以其裙部縱向中凸曲線的直線段較長，上下兩端的徑向收縮量相對較小，如圖2所示。

1.2 橫向橢圓

在機械負荷和熱負荷的共同作用下，活塞銷座和裙部都會產(chǎn)生相應的變形，最終使活塞裙部沿銷孔方向直徑變大、沿垂直于銷孔方向直徑變小。為了使活塞裙部橫截面在工作狀態(tài)下能夠更接近圓形，并且與缸套貼合更好，實現(xiàn)均壓接觸，一般在活塞裙部型面設計時，橫向截面會做成以銷孔方向為短軸、垂直于銷孔方向為長軸的橢圓。

圖3 活塞橢圓形狀示意圖

設計活塞橫向橢圓時需要綜合考慮發(fā)動機的熱負荷、機械負荷、活塞裙部結構、活塞裙部材料、缸孔的變形等因素。因此對于不同的活塞，其裙部橫向橢圓不一定相同；對于同一只活塞，不同高度上的橫向橢圓也不一定相同。

活塞裙部橫向橢圓的形式多種多樣，船用柴油機活塞的裙部橫向橢圓主要有一次橢圓、二次橢圓、多次橢圓、凸臺橢圓、偏心圓+橢圓等幾種形式[15-16]，如圖3所示。

根據(jù)標準橢圓方程，可推導出任意與長軸成夾角α方向上的半徑收縮量

(3)

式中：ΔR為半徑縮量，G為橢圓度，α為與長軸的夾角，β為系數(shù)。

在橢圓設計時，β一般為-0.25<β<0.25[17]。當β=0時，公式(3)為一次橢圓收縮量公式；當β<0時，在除短軸和長軸之外的方向上半徑收縮量減小，橢圓比標準橢圓“胖”；當β>0時，在除短軸和長軸之外的方向上半徑收縮量增大，橢圓比標準橢圓“瘦”。

對于整體薄壁鑄鐵活塞和鋼頂鐵裙活塞裙部橫向橢圓的設計一般分兩種情況：1)對于懸掛式彈性銷座結構的活塞，其活塞裙部為壁厚均勻的薄壁桶狀結構，橫向截面一般設計為橢圓度比較小的標準橢圓，或者直接設計成圓形；2)帶有面窗的桁架式結構活塞，其裙部橫向截面需要根據(jù)加強筋的位置、面窗的結構形式等因素，合理選擇橢圓的形式。

2 裙部型面設計及優(yōu)化

2.1 裙部型面設計方案對比

2.1.1 設計方案

根據(jù)活塞裙部型面的設計理論，對活塞裙部型面提出2個設計方案并進行有限元仿真分析，對活塞裙部型面進行優(yōu)化和改進。

方案A如圖4所示，在整個裙部高度上橫截面是橢圓度為0.2的標準橢圓，縱向形線為中凸曲線。圖4 b)中環(huán)繞橢圓一周的數(shù)值為角度，每10°為一個刻度；橢圓內的數(shù)值是圖中每個圓的半徑(單位為mm)。

a)裙部縱向形線 b) 裙部橫向橢圓 圖4 活塞裙部型面方案A

方案B如圖5所示，裙部縱向形線與方案A略有不同。橫向橢圓是修正系數(shù)均為β=0.2的二次橢圓，并且橢圓度隨裙部高度的變化呈線性變化。其中，在裙部高度45 mm處的橫向截面橢圓度為0.25，在裙部高度222.4 mm處的橫向截面橢圓度為0.20。

a)裙部縱向形線 b) 高度45 mm處裙部橫向橢圓圖5 活塞裙部型面方案B

2.1.2 有限元分析

通過有限元分析模擬額定工況下裙部側向壓力最大時方案A和B的裙部接觸壓力分布，結果分別如圖6、7所示(圖中單位為MPa)。由圖6、7可知，方案B的裙部最大接觸壓力低于方案A，并且接觸壓力分布比方案A更均勻，所以對方案B進一步優(yōu)化。

圖6 方案A裙部接觸壓力分布 圖7 方案B裙部接觸壓力分布

2.2 裙部型面設計方案優(yōu)化

從方案B的裙部接觸壓力分布情況可知，首先應解決的是活塞下裙部與面窗相接的棱邊處局部接觸壓力過大的問題，然后進一步細化裙部型面設計，使裙部接觸壓力分布更均勻。經(jīng)過不斷調整和計算，最終確定優(yōu)化方案(方案C )，如圖8所示。

a)裙部縱向形線 b)高度45 mm處裙部橫向橢圓圖8 裙部型面優(yōu)化方案(方案C)

圖9 優(yōu)化方案(方案C)裙部接觸壓力

方案C中，對活塞裙部不同高度上的橫向橢圓進行分段處理，將公式(3)中的系數(shù)β設置為變量，根據(jù)不同高度上接觸壓力分布情況，確定β[18-19]。

優(yōu)化方案的裙部接觸壓力有限元計算結果如圖9所示(圖中單位為MPa)。由圖9可知，方案C裙部的接觸壓力分布與方案B相比有了非常大的改善，并且最大接觸壓力也從18.33 MPa降低到9.16 MPa。因此從理論分析的角度看，方案C比方案B更有利于減小活塞裙部和缸套的摩擦磨損并延長活塞和缸套的使用壽命；使活塞裙部導向更好，有利于減小發(fā)動機的振動、噪聲，進而有利于減小缸套的穴蝕。

3 試驗驗證

根據(jù)方案C進行該活塞的樣件生產(chǎn)，然后對樣件的關鍵尺寸進行逐一檢驗，并交付主機廠進行相關試驗驗證。第一階段試驗為柴油機性能試驗，主要包括起動試驗、各缸工作均勻性試驗、調速性能試驗、負荷特性試驗、速度特性試驗、萬有特性試驗等，累計試驗時間為200 h，主要考察柴油機是否達到預期設計要求。根據(jù)以往經(jīng)驗，通過這些試驗可以驗證活塞裙部與缸套的配合情況。如果活塞裙部型面設計不合理，試驗過程中活塞裙部和缸套的相應部位就會出現(xiàn)異常磨損，甚至在試驗剛開始的階段就會出現(xiàn)拉缸的故障。

根據(jù)柴油機第一階段試驗后主機廠反饋的結果，活塞在試驗過程中運行正常，試驗后活塞裙部與缸套的貼合非常好，無異常磨損等現(xiàn)象，達到預期設計目標。

4 結論

對某高強化船用柴油機鋼頂鐵裙組合活塞，提出不同的裙部型面設計方案并根據(jù)有限元分析結果進行優(yōu)化，最后對優(yōu)化后的方案進行試驗驗證。

1)優(yōu)化改進后方案C的最大接觸壓力和壓力分布均優(yōu)于方案A、B，說明合理的裙部型面能顯著改善活塞裙部與缸套的接觸情況。

2)從臺架試驗反饋的結果來看，試驗過程中活塞運行正常，試驗后活塞裙部與缸套貼合正常，無異常磨損，說明設計方案滿足發(fā)動機的使用要求。

3)隨著船用柴油機強化程度和壽命要求的不斷提高，活塞裙部的型面也越來越復雜，活塞裙部橫向橢圓需要設計高次橢圓甚至更復雜的橢圓，才能更好地與缸套匹配。