柴油发动机活塞失效分析

柴油发动机活塞失效分析

材料科学与工程学院 金属材料工程专业 笑嘻嘻

指导教师：学习

1. 前言

柴油机作为各种机械的动力装置，活塞是其主要配件之一， 由于它在气缸内以高速度作不匀速往复运动，且又在高温、高压和液体润滑困难等条件下工作，所以是一种容易磨损的配件。在一般正常使用情况下，只有在柴油机大修时才更换新活塞。活塞主要失效形式有：环岸断裂，严重时整圈脱落；环槽，销座和裙部的严重磨损；销座内侧上部出现裂纹以及燃烧室边缘烧蚀【1】。

在实际工作中，活塞除了正常磨损外，还有早期损坏失效的可能。如其顶部与气门相碰形成印痕、 活塞被捣碎及活塞顶部被顶出一个锥坑等【2】。柴油机因运转不正常，排气声音显著变化而停车后，若正转不动，反转易，则极有可能发生上述故障，至于故障产生的原因，可能多种多样的，但归纳起来，不外乎使用、 维修不当所致。

2. 柴油发动机活塞的主要失效形式

2.1环槽的磨损

钢顶铝裙活塞在运行中经常出现活塞环槽严重磨损的情况，尤其是货运车更加突出，其原因主要有：首先是活塞环与缸套的匹配不好，故寿命太短．随着大修间隔时间的延长，特别是激光淬火缸套的使用，使与之配对的活塞环更不耐磨，活塞环后期已进入剧烈磨损阶段，活塞环组已不能正常封气、 控油，机油消耗明显上升，这样就会使活塞环、活塞环槽及缸套剧烈磨损。另外，空气及机油滤清器的滤清效果不佳，机油没有按规定更换，机油内磨料过多，大修间隔时间过长，发动机高速、重载、柴油机运行条件恶化，喷油器雾化不良，燃烧质量差等都是加速活塞环槽、 缸套和活塞环磨损的因素【3】。

2.2活塞顶部开裂

活塞顶开裂主要是由于柴油机载荷反复变化而产生的热应力循环，气缸内燃烧压力周期

性变化而产生的机械应力循环，活塞顶表面的高温，以及钢顶和铝裙装配间隙不当而产生的附加应力等因素综合作用的结果。

2.2.1钢顶周向薄壁处开裂

图一钢顶铝裙支承面

如图一所示，当活塞顶和铝裙装配成一对时，对铝裙上产生A 、B 两个支承面。支承面 A 在自由状态下不起支承作用，按设计要求，二者问有一定的配合间隙，支承面 A 有～个坡度，在竖直方向上有一个高度差 ，这是为了更好地解决活塞顶和铝裙间在气体压力、惯性力和温度作用下的综合变形。即在自由状态下A 面径 自中心线向外呈张口状，在载荷作用下则呈闭合状，从而使配合面上受力均匀，不致出现应力集中问题．而活塞顶与铝裙之间的配合情况对活塞的应力状态、变形和寿命有着重要的影响。活塞顶火力岸周向裂纹的根本原因就是铝裙的支承面与钢顶的配合间隙增大，因为在高温下铝的热强度比钢低，此间隙在自由状态下很小，在载荷状态下由于气体力和温度的作用，铝裙为适应钢顶的变形，使得铝裙上的支承面 A 受挤压而发生塑性变形。这样由于该配合间隙的增大，引起活塞顶应力的增加，在这一增大的交变载荷作用下，活塞顶火力岸周向薄壁处产生疲劳裂纹。

2.2.2钢顶热裂、烧穿

活塞钢顶是在高温燃气的冲击下工作的。过高的活塞温度也是一个破坏因素，这在燃烧室较深及冷却较差的活塞中最常见。气缸中的燃气温度最高可达2500 K以上，在这样高的温度下工作的活塞除本身应具有足够的机械强度外，还必须具有良好的冷却性能，使活塞顶部温度及第一道气环温度严格控制在规定的范围内【4】。从活塞钢顶烧损的部位来看，钢顶在此处的厚度一般只有 4 ～7 mm ，当活塞内腔的壁面温度局部偏高时，就容易引起积碳，大大

影响钢顶的冷却，使钢顶局部温度升高。因该处材料强度较弱，故极易引起热裂，并在强大的高温燃气的冲击下，钢顶被烧穿而形成孔洞。

2.3活塞裙部失效

活塞裙的损坏一般是在高速、重载的大功率柴油机运行了十几万或二十几万公里之后出现的，这些损坏的部位和形状很有规律。有的裂纹起源于活塞螺栓沉孔座U 形槽内侧靠近活塞销的过渡圆角处，当该裂纹扩展横向贯通时，活塞裙断裂；在活塞裙内腔组合螺栓孔上的弹性套孔壁与连杆头避让坑底部圆角相交处也有发生裂纹现象。其结果损坏缸套、缸盖、连杆，甚至伤及曲轴与机体，危及行车安全并造成重大的经济损失。通过对损坏活塞裙的宏观和微观分析表明，活塞裙的断裂，属于机械应力引起的疲劳损坏。活塞裙损坏部位是活塞裙结构的薄弱环节，如活塞裙销座区，特别是螺栓下穿式组合活塞裙部销座区强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 形槽处形成了高应力集中区。活塞裙螺栓沉孔座面U 形槽根部加工质量不佳，有尖角或切削表面粗糙而形成撕裂缺口，是开裂损坏的另一重要原因【5】。此外，活塞裙毛坯的质量和性能，共晶硅铝金 S i 相和金属间化合物相的大小及分布状态，都直接影响活塞裙的疲劳强度

3. 活塞早期失效形式

3.1气门头部顶碰活塞

气门头部丁碰活塞产生的原因主要有：气门间隙发生变化；曲轴回转半径不对；气门凹陷度不合要求；正时齿轮传动位置存在误差；轴瓦或活塞销的配合间隙过大；凸轮轴与轴套间隙过大；减压机构调整不当等【7】【6】。 。

这些因素造成气门头部顶碰活塞产生循环撞击，从而活塞产生变形，断裂等失效。

3.2捣碎活塞

柴油机工作时，活塞顶与气门相碰是引起活塞被捣碎的主要原因之一。因此，易使气门在头部或在安装气门锁片的细颈处折断，进而造成气门掉人气缸，若不及时停车，危害极大。气门头部的断裂是气门损坏的一种形式，它发生在头部向杆部过渡的部位，即热负荷最大的位置。而气门杆部锁片切槽处断裂是损坏的又一种形式，导致此状况的出现不仅仅是由于材料的高温强度不足所致，而气门和配气机构参数选择不当及装配不良也会导致这种断裂的发生[8]。为此，引起捣碎活塞的具体原因有很多种，如：气门锁片脱落；气门弹簧折断或弹力

不足；气门导管严重磨损或安装不当；气门咬死在气门导管内；气门摇臂及衬套严重磨损；气门座圈脱落等。

3.3活塞顶部出现锥坑

实践证明，喷油嘴伸进燃烧室的距离必须符合技术要求。在喷油器的拆装过程中，如果不慎漏装了垫圈，喷油嘴伸出气缸盖下平面的长度增加，以至于活塞行至上止点时就会被喷油嘴顶住出现锥坑，造成顶坏活塞或顶断喷油嘴事故发生。

4. 改进措施

4.1合理选择配合间隙

图二 外圈配合间隙

图二所示，a 、b 为组合活塞顶裙外圈接触面间的初始配合问隙，这两个间隙对活塞应力状态影响很大。如果间隙过小时，活塞顶热变形在配合面受阻，环槽区应力增高，第一道环槽开口变窄，将会加快环槽磨损，活塞裙油环槽上部甚至出现压裂；而如果间隙过大，活塞顶的热应力虽小，但机械应力又太大。因此，必须通过三维有限元计算和多方案实验研究确定a 、b 间隙的最佳值。

4.2采用锥形裙部支承面

组合活塞内、外支承面的径向定位和配合间隙对活塞的受力状况影响很大，为了保证组合活塞在全部宽度上接触良好，将裙部支承面设计成从内侧向下倾斜至外侧的结构。研究表明，随着倾斜度的增加，热态下支承面内侧的脱开量明显减少。

4.3对冷却油腔结构参数进行优化

对高强度柴油机活塞来说，进行高效的冷却，降低其热负荷，是活塞设计成功的关键之

一。振荡冷却是组合活塞理想的冷却方式，设计良好的振荡冷却，传入活塞的热量90％以上可被冷却油带走。冷却效果取决于冷却腔的结构、冷却机油的充满度及冷却油量等。组合活塞的冷却方式主要有两种：一是活塞采用外腔进油 ( 连杆一活塞销一活塞裙一活塞顶) 中央腔回油的结构 ( 见图 二 ) ；二是采用喷油冷却 ( 见图三) 。良好的冷却标志是活塞各特征点的最高温度均在许用范围内，其衡量指标据有关资料介绍为：进出油差 2 0 ~4 0℃；对于连杆供油的组合活塞冷却油量推荐值为5.1~11.5 kg/(kW·h) ；充满度为40 ~60 ％为最佳；活塞内外冷却腔的热交换系数达到 837 k J/( m·h ·℃) 加快环槽磨损，活塞裙油环槽上部甚至出现压裂； 以上要达到上述指标必须优化振荡冷却腔结构系而如果间隙过大，活塞顶的热应力虽小，但机械应数，找出最佳进出油孔直径和出油孔高度等【9】。

图三 喷油冷却油孔

4.4活塞环及环槽表面强化处理

活塞环槽摩擦副匹配的优化，采用高性能和寿命长的活塞环， 采用高效空滤系统， 提高机油品质，按规定更换机油，提高“三滤”滤清质量和柴油机清洁度等是降低活塞环槽磨损的主要措施。对活塞环槽而言，可以采取表面氮化、激光淬火、感应淬火、镀铬、加环槽护圈等办法，提高其耐磨性【10】。活塞顶经离子软氮化后，其耐磨性、耐蚀性和疲劳强度均明显提高【11】。目前采用活塞顶软氮化处理来提高环槽耐磨性的活塞已装车运用，效果良好。

【1】侯林冲, 段莉萍, 王有祁, 等. 大功率柴油机活塞裂纹失效分析 [J]. 金属热处理 ,2007,32(S1):286-289.

【2】 吴福云 . 柴油机活塞失效原因分析【J 】. 西部探矿工程，2008（12）：235—242

【3】 杜子文. 柴油机组合活塞失效分析及改进措施. 重庆三峡学院学报 ，2010（3）：12—14

【4】 唐滔，冯春等．机车柴油机组合活塞的温度场数字模拟【J 】．机械设计与制造，2008(11 )：198 - 200

【5】 吉凤贤，徐晓飞等．多处损伤的疲劳裂纹扩展分析方法研究 [ J ] ．机械强度，2003( 3 )：264 —266

【6】 杨英，周湘晔，兆文忠．2 4 0 ／2 7 5系列柴油机钢顶铝裙组合活塞裂损分析及解决对策【J 】 ． 铁

道学报 ， 2005( 2) ：40 - 43

【7】 刘瑞堂．机械零件失效分析［ Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003(6)

[8] 陈文旗，胡树兵，胡晨晨. 柴油机活塞开裂失效分析. 金属热处理，2011（9）:115—118

【9】 四冲程柴油发动机活塞疲劳开裂分析. 生产现场，2011（8）13—20

【10】 济南柴油机股份有限公司．190柴油机理化检验规程［Ｒ］ ．济南：2011

【11】 迟绍宁，张水利. Ｌ型船用柴油机活塞失效分析研究. 铁道机车车辆，2011（10）:383—390