發(fā)動(dòng)機(jī)液壓鎖形成模式對(duì)活塞失效的影響

祝傳亮，曹?chē)?guó)帥，鄭洪國(guó)，黃超，趙昌鋒,張學(xué)祿

1.濱州渤海活塞有限公司，山東 濱州 256600；2.山東省發(fā)動(dòng)機(jī)活塞摩擦副重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256600

0 引言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，活塞組件的工作環(huán)境更趨惡劣[1-4]，發(fā)動(dòng)機(jī)更容易產(chǎn)生不同的失效模式。眾多的失效模式中，發(fā)動(dòng)機(jī)形成液壓鎖進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效是一種不太常見(jiàn)的失效模式，但是這種失效模式會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成極其嚴(yán)重的損害，導(dǎo)致相關(guān)零部件彎曲、碎裂等故障發(fā)生，甚至可能造成整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。

本文中針對(duì)液壓鎖形成模式對(duì)活塞失效的影響進(jìn)行研究，分析液壓鎖失效模式的判定思路，為液壓鎖導(dǎo)致的活塞失效分析提供參考。

1 活塞失效分析

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于靜止或運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，液體(水、冷卻劑、機(jī)油或燃油)以非正常狀態(tài)進(jìn)入燃燒室，由于液體具有不可壓縮性，活塞和曲軸在壓縮行程中承受巨大的應(yīng)力，在該應(yīng)力作用下導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件出現(xiàn)不同形式的失效，如活塞環(huán)岸斷裂、連桿彎曲、曲軸損壞等，這種情況導(dǎo)致的失效稱(chēng)為液壓鎖失效。

1.1 失效描述

某1.3 L直列四缸四沖程增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行耐久試驗(yàn)運(yùn)行到356 h時(shí)，由于曲軸箱壓力過(guò)大報(bào)警，拆機(jī)后發(fā)現(xiàn)4只活塞的第2環(huán)岸均出現(xiàn)了斷裂，部分活塞的第3環(huán)岸也出現(xiàn)了斷裂失效。活塞失效面外觀如圖1所示。

圖1 活塞失效面外觀

1.2 失效原因分析

在熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、高溫等因素綜合作用下，如果活塞環(huán)岸承受的載荷大于設(shè)計(jì)承受能力，活塞極易發(fā)生環(huán)岸斷裂失效[5-8]。活塞環(huán)岸在載荷Fg作用下斷裂失效示意圖如圖2所示。活塞環(huán)岸斷裂是一種常見(jiàn)的失效模式，造成活塞斷裂的原因主要有：1)活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足；2)活塞材料不合格，導(dǎo)致活塞各項(xiàng)物理性能參數(shù)下降，不能滿足活塞的使用要求；3)活塞失效部位存在鑄造缺陷；4)發(fā)動(dòng)機(jī)有液體進(jìn)入缸孔，形成液壓鎖；5)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，如果超負(fù)荷工作，活塞及相關(guān)零部件的變形量過(guò)大；6)燃燒系統(tǒng)工作不正常，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。

圖2 環(huán)岸斷裂失效示意圖

通過(guò)核對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)明顯超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，也沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，因此導(dǎo)致活塞環(huán)岸斷裂的上述原因中最后2項(xiàng)可以排除。

1.2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

仿真計(jì)算軟件為分析活塞工作狀態(tài)提供強(qiáng)有力的手段[9-11]。以活塞中心線為z軸，x、y軸分別平行、垂直于活塞銷(xiāo)中心線[12]。采用ANSYS軟件對(duì)故障件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，建立活塞網(wǎng)格模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共296 669個(gè)單元、434 643個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。對(duì)活塞環(huán)岸部位的疲勞系數(shù)進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：活塞最小疲勞系數(shù)為1.307，位于主推力側(cè)，滿足活塞環(huán)岸的疲勞系數(shù)許用限值，符合設(shè)計(jì)要求，因此活塞設(shè)計(jì)方案不存在強(qiáng)度不足的問(wèn)題，造成活塞失效的原因1)可以排除。

圖3 活塞網(wǎng)格模型 圖4 活塞環(huán)岸部位疲勞系數(shù)

1.2.2 物理性能檢測(cè)

活塞本體鋁合金材料的物理性能影響活塞的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，活塞物理性能參數(shù)主要包括材料成分、金相、抗拉強(qiáng)度以及硬度等[13]。

采用光譜分析儀對(duì)活塞材料成分進(jìn)行檢測(cè)，活塞材料化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。由表2可知，材料各成分配比滿足要求。

表2 活塞材料的主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

將活塞制作成金相檢測(cè)樣塊，如圖5所示。通過(guò)金相顯微鏡進(jìn)行金相檢測(cè)，金相檢測(cè)微觀組織如圖6所示。由圖6可知：基體α-固溶體較細(xì)小，共晶硅呈短條狀，初晶硅呈小塊狀，分布均勻(二級(jí))；鐵相針狀，鐵相夾雜物不明顯(一級(jí))，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 金相檢測(cè)樣塊 圖6 活塞微觀金相組織

受失效影響，在原活塞本體上無(wú)法取出抗拉強(qiáng)度試棒，因此調(diào)取同批次未裝機(jī)活塞進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和硬度檢測(cè)，活塞物理性能檢測(cè)結(jié)果如表3所示。由表3可知，活塞材料物理性能滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 活塞物理性能檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)以上檢測(cè)分析，材料物理性能滿足要求，失效原因2)可以排除。

1.2.3 鑄造缺陷檢測(cè)

如果活塞本體中存在鑄造缺陷，缺陷部位將會(huì)導(dǎo)致活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，活塞有可能在該部位出現(xiàn)失效。

為了確定開(kāi)裂處是否存在鑄造等其它宏觀缺陷，對(duì)開(kāi)裂部分進(jìn)行CT掃描，CT檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：活塞各方向均沒(méi)有明顯鑄造缺陷。因此，造成活塞失效原因3)可以排除。

a)水平方向 b)平行于銷(xiāo)孔方向 c)垂直于銷(xiāo)孔方向

1.3 失效原因確認(rèn)

通過(guò)以上分析可知，造成活塞失效的原因4)具有最大可能。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行詳細(xì)拆解檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)空濾、進(jìn)氣歧管內(nèi)有機(jī)油殘留，進(jìn)氣壓力傳感器中也發(fā)現(xiàn)有很厚的油漬，可以判定機(jī)油進(jìn)入缸孔形成液壓鎖是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效的主要原因。

2 形成液壓鎖的液體來(lái)源及判定方法

2.1 液體來(lái)源

發(fā)動(dòng)機(jī)形成液壓鎖的液體主要包括冷卻液、機(jī)油和燃油。1)冷卻液。缸墊密封不好，或缸蓋的平面度達(dá)不到使用要求，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升高或開(kāi)鍋現(xiàn)象，冷卻液壓力升高，越過(guò)密封墊進(jìn)入缸孔、燃燒室，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。2)機(jī)油。發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)出現(xiàn)燒機(jī)油的情況，具體失效過(guò)程為：發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量增大，大量氣體通過(guò)活塞組進(jìn)入曲軸箱，導(dǎo)致曲軸箱壓力增大，曲通管或油氣分離器堵塞，機(jī)油通過(guò)曲通管進(jìn)入空濾、進(jìn)氣管、燃燒室，出現(xiàn)燒機(jī)油、冒藍(lán)煙、動(dòng)力下降等異常現(xiàn)象。隨著進(jìn)入油量的增多，進(jìn)入的機(jī)油不能完全燃燒，剩余的機(jī)油會(huì)導(dǎo)致液壓鎖失效的發(fā)生。3)燃油。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油故障，噴油嘴出現(xiàn)長(zhǎng)噴油現(xiàn)象，導(dǎo)致缸孔內(nèi)在壓縮沖程時(shí)積存大量燃油，形成液壓鎖。

2.2 液壓鎖形成判定思路

發(fā)動(dòng)機(jī)從失效到拆機(jī)一般會(huì)間隔一段時(shí)間，在條件允許的前提下，間隔時(shí)間應(yīng)該盡可能短。如果發(fā)動(dòng)機(jī)不能及時(shí)拆機(jī)，可能會(huì)導(dǎo)致造成失效的冷卻液或油品揮發(fā)，不能準(zhǔn)確判斷失效的具體原因，因此及時(shí)拆機(jī)對(duì)判定發(fā)動(dòng)機(jī)液壓鎖失效非常重要。

發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)或使用過(guò)程中，一旦出現(xiàn)形成液壓鎖失效但拆機(jī)不及時(shí)的情況，如何判斷導(dǎo)致失效的根本原因?qū)⑹且粋€(gè)非常棘手的問(wèn)題。如果拆機(jī)后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的液體，判定發(fā)動(dòng)機(jī)形成液壓鎖導(dǎo)致的失效可以從以下思路著手。

2.2.1 冷卻液形成的液壓鎖

在活塞、缸套等相關(guān)零部件形成的密閉空間內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)冷卻液泄漏時(shí)，由于冷卻液的揮發(fā)性較差，拆機(jī)過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)冷卻液，可以直接判定該種失效模式。如果出現(xiàn)泄漏，由于冷卻液的清洗作用，失效缸的活塞與其它缸的活塞相比要相對(duì)干凈，該種現(xiàn)象可以作為液壓鎖失效的間接判定依據(jù)。冷卻液進(jìn)入缸孔后的活塞外觀如圖8所示。

圖8 冷卻液進(jìn)入缸孔后的活塞外觀

2.2.2 機(jī)油形成的液壓鎖

發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在活塞頂面會(huì)形成一定厚度的燃油積碳，正常情況下積碳以固體狀牢固地附著在活塞頂面，不易脫落。機(jī)油進(jìn)入到缸孔后，對(duì)活塞頂面的積碳有溶解稀釋作用，最終活塞頂面積碳與機(jī)油融合成油泥狀。因此，活塞頂面的積碳如果以油泥狀態(tài)存在，基本可以判斷機(jī)油導(dǎo)致的液壓鎖失效。

2.2.3 燃油形成的液壓鎖

由于燃油的易揮發(fā)性，燃油導(dǎo)致的液壓鎖失效模式很難通過(guò)拆機(jī)找到直接證據(jù)。燃油導(dǎo)致的液壓鎖一般是噴油正常但發(fā)動(dòng)機(jī)失火不能正常工作造成的，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出功率下降、動(dòng)力不足的現(xiàn)象。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降可以作為判定燃油導(dǎo)致液壓鎖的一種外在表現(xiàn)。

3 液壓鎖導(dǎo)致的活塞失效模式及預(yù)防

3.1 活塞環(huán)岸斷裂

導(dǎo)致活塞環(huán)岸斷裂的原因有很多，液壓鎖是其中之一。活塞環(huán)岸斷裂的失效模式較多發(fā)生在活塞的主推力側(cè)，一般情況下為活塞第2環(huán)岸斷裂，比較嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致第3環(huán)岸甚至油環(huán)槽以下區(qū)域出現(xiàn)斷裂。

3.2 活塞頂面開(kāi)裂

活塞在活塞銷(xiāo)的支撐下可以簡(jiǎn)化為懸臂梁受力模型，如圖9所示，活塞銷(xiāo)簡(jiǎn)化為O點(diǎn)，活塞簡(jiǎn)化為懸臂梁，當(dāng)頂部壓力F足夠大時(shí)，懸臂梁就會(huì)在O點(diǎn)處出現(xiàn)斷裂。對(duì)應(yīng)到活塞組件，則沿銷(xiāo)孔方向活塞頂面出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖9 摩擦副組件受力模型

如果活塞沿銷(xiāo)孔方向從頂面開(kāi)裂，則為脆性斷裂，失效面沒(méi)有明顯的疲勞裂紋區(qū)，具體失效外觀如圖10所示。

圖10 活塞開(kāi)裂失效模式外觀

3.3 預(yù)防措施

液壓鎖產(chǎn)生的活塞失效模式屬于被動(dòng)失效，一旦出現(xiàn)這種失效模式，活塞基本報(bào)廢，嚴(yán)重者甚至整機(jī)報(bào)廢，應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)液壓鎖失效，而解決該種失效只能從發(fā)動(dòng)機(jī)的角度考慮，防止冷卻液或油品非正常進(jìn)入缸孔。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的活塞環(huán)岸斷裂失效，總結(jié)了導(dǎo)致活塞失效的原因，進(jìn)行了失效分析，確定本次活塞失效的根本原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)形成了液壓鎖；分析了形成液壓鎖的液體來(lái)源及診斷方法，總結(jié)了液壓鎖導(dǎo)致的活塞失效模式，為環(huán)岸斷裂或液壓鎖產(chǎn)生的活塞失效提供了詳細(xì)的分析方法。