柴油機活塞銷孔型線對比分析研究

張利敏， 盧士勇， 韓琦， 劉志剛， 張偉

(1. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 中國人民解放軍駐618廠軍事代表室， 北京 100072； 3. 陸軍裝甲兵軍事代表局業務處， 北京 100851)

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柴油機活塞銷孔型線對比分析研究

張利敏1， 盧士勇2， 韓琦3， 劉志剛1， 張偉1

(1. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 中國人民解放軍駐618廠軍事代表室， 北京 100072； 3. 陸軍裝甲兵軍事代表局業務處， 北京 100851)

針對某柴油機活塞銷孔的磨損問題，分別借助有限元方法和EHD仿真方法研究了不同銷座結構匹配多種銷孔型線對接觸應力的影響，及不同活塞銷孔型線對潤滑特征評價參數的影響。綜合研究表明，活塞銷孔型線與熱變形匹配不合理所引起的潤滑狀態惡化是導致活塞銷孔磨損的直接原因，因此通過合理調整銷孔型線可使接觸應力均勻，潤滑狀態良好，并有效降低活塞銷座磨損風險。

內燃機； 活塞銷孔； 型線； 磨損； 潤滑

隨著發動機功率及轉速的提高，活塞所承受的燃氣壓力及慣性力越來越高，活塞銷座承受的機械負荷和熱負荷也越來越高，傳統的圓柱形活塞銷孔開裂和磨損的問題制約了發動機的可靠性，因此需采用異形銷孔型線使活塞銷孔應力均布，降低活塞銷座處的應力集中，達到提高銷座承載能力、防止開裂、降低磨損的目的。

活塞銷座設計過程中，合理匹配銷孔型線是關鍵環節。目前對于銷孔型線多在工程經驗的基礎上采用有限元方法進行評價[1-4]，通過表征異形銷孔對結構接觸表面應力水平的差異，在結構上判斷銷孔型線匹配的合理性。另外，在分析活塞銷運動及摩擦磨損狀態方面以及在評價異形活塞銷孔結構時還采用考慮活塞熱變形的彈流潤滑分析方法[5-9]，通過潤滑特征評價型線匹配的合理性，該方法能夠準確直觀地反映不同異形結構對潤滑特性及磨損狀態的影響。在實際使用過程中，綜合利用兩種評價方法可快速、準確地匹配銷孔型線，同時對使用過程中出現的問題進行快速排查并完成設計改進。

本研究針對某高強化柴油機活塞銷孔磨損故障，通過調整銷孔型線及銷座結構，開展多方案結構有限元對比分析，在此基礎上，借助彈流潤滑分析方法，開展不同型線下活塞銷孔軸承潤滑狀態研究，從而優選銷孔型線，最終方案經整機試驗進行了驗證。

1 活塞銷座故障分析

某柴油機為V型、12缸、四沖程、水冷、增壓機型，活塞采用振蕩冷卻油腔，楔形銷座結構。圖1示出活塞銷孔試驗后磨損照片。通過對活塞銷孔磨損情況觀察及檢測可知，活塞銷孔外側磨損嚴重，內側無接觸痕跡，說明活塞的熱變形很大，活塞銷整個承力面靠外，這樣的匹配狀態導致活塞銷的彎曲變形及橢圓變形增大，從而使活塞銷座過度磨損，因此需進一步開展不同銷座結構與活塞型線對銷孔承載的影響研究，調整結構方案。

圖1 活塞銷孔試驗后磨損情況

2 活塞銷座及型線有限元對比分析

針對前述問題，通過調整活塞銷座結構和銷孔型線，分別提出3種匹配方案(見表1)。其中銷孔型線示意見圖2，分別為3段型線和7段型線，其中3段型線為初期驗證試驗時所采用的型線，中間直段較長，且內外錐孔錐度相同；7段型線中間直段較短，銷孔外側型線較內側型線長，且在外側設置了更大的尺寸增量。銷座結構見圖3，分別采用楔形和階梯形兩種結構形式，受結構限制，文中所采用的楔形銷座比階梯形銷座窄。

表1 活塞計算模型方案

圖3 不同活塞銷座結構示意

首先建立了活塞組件分析模型，其中包括活塞、活塞銷、連桿和連桿小頭襯套。為逼近真實工況，活塞銷孔與活塞銷、活塞銷與連桿小頭之間按照有摩擦的非線性接觸定義，連桿大頭端施加位移約束。表2示出了活塞組件有限元分析步所施加的載荷。圖4示出采用同一熱邊界，不同銷座結構的活塞溫度場計算結果。

表2 有限元計算中施加的部分載荷及約束

圖4 活塞溫度場計算結果

圖5示出僅受機械載荷作用下，各方案右側銷孔承力面內提取的應力變化曲線，其中x0，x1分別為銷孔內、外側距活塞中心線距離。由圖5可知，在相同的機械載荷作用下，各方案對應銷孔上側圓角處應力最大，按應力從大到小排序為方案2、方案1、方案3。方案1由于采用3段型線，在直線的交點處存在型線的突變點，導致應力突然增大，通過圖5可清晰地看到這兩處直線交點處形成的應力凸點。方案2由于銷座寬度較窄不能覆蓋型線長度，導致銷孔靠近內側直徑尺寸偏小，因此應力最大。方案3除上側圓角處應力較高外，其余各處應力變化相對平緩，且較方案1和方案2應力幅值明顯降低。

圖5 機械載荷作用下各方案銷座孔應力的變化

圖6示出活塞在熱機耦合工況下，各方案活塞銷孔承力面內提取的應力變化曲線。綜合前述分析結果，活塞型線可部分補償活塞熱變形，因此熱機耦合工況下的活塞應力比機械載荷下的活塞應力要小。方案3銷孔上側圓角處應力大幅下降，銷座孔承載面應力均勻，整體接觸狀態較好，而其余兩個方案的應力分布規律與機械載荷下的應力分布規律基本一致。由此針對前述銷座磨損故障可初步確定采用階梯形銷座匹配7段型線結構，該設計對解決銷座磨損故障作用較大。

圖6 熱機載荷作用下各方案銷座孔應力的變化

3 不同銷孔型線下潤滑特征參數對比分析

由于結構有限元分析沒有考慮軸承內油膜潤滑的影響，因此還需借助彈流潤滑分析方法進一步驗證采用階梯形銷座匹配不同型線時的油膜壓力分布情況。

采用AVLExcitePU軟件建立活塞銷座EHD分析模型(見圖7)，并在模型中輸入疊加熱變形的各型線參數，計算分析銷座孔油膜峰值壓力在銷座孔承壓區的分布情況，以及其他可表征潤滑狀態特征的指標值。

圖7 活塞銷座EHD分析模型

考慮到銷座孔對稱且受力狀態相同，因此僅列出如圖8所示的右銷座孔峰值壓力曲線。由圖可知，就整體分布而言，在活塞受力情況下，無型線下的銷座孔峰值壓力遠高于采用型線的情況，由此表明銷孔型線設置的必要性。而對比3段線和7段線型線下的峰值壓力，7段線雖在局部時刻稍高于3段線，但在多數時刻低于3段線。為進一步揭示采用7段型線和3段型線峰值壓力的分布特點，圖9示出了3種型線方案在爆發時刻下的銷座孔峰值壓力分布。由圖可知，無型線下的銷孔峰值壓力在銷孔內外側均存在較大值，且高壓區更偏向于銷孔外側；3段線型線下的銷孔峰值壓力有較大程度降低，而高壓區基本位于銷座孔中部，且在直線段相交的位置存在較高的載荷；7段線型線下的銷孔峰值壓力與3段線分布較為接近，但高壓區偏向于銷孔內側。由上述分析可知，考慮到該柴油機熱負荷較大，活塞銷孔外側相對于內側變形更大，因此7段線異形型線更適合該機型銷座孔。

圖8 右銷座孔峰值壓力曲線

圖9 不同型線爆發時刻的峰值壓力分布

表3示出了3種型線方案對應的銷孔潤滑典型特征參數。無型線方案在油膜峰值壓力均值、粗糙接觸壓力峰值、最小油膜厚度三方面均最差，而采用7段型線方案各評價指標均最優。由此可知，采用7段型線銷座孔發生咬粘磨損的風險較小。

為驗證上述型線分析結果，在整機上開展搭載試驗，考察采用各型線后銷孔承載區的接觸狀態及磨損情況。圖10示出了階梯型銷孔匹配7段型線的活塞銷孔試驗后的表面磨損狀態，由圖可見銷孔表面沒有明顯的磨痕，各區域接觸情況正常，表明調整后的活塞銷孔型線有效。

表3 3種不同型線方案對應的潤滑特征參數

圖10 改進后銷孔結構整機試驗表面狀態

4 結論

a) 通過有限元仿真分析可知，采用階梯形銷座匹配7段活塞銷孔型線，銷孔應力分布幅值及分布梯度較理想，可作為方案合理性的初始判斷依據；

b) 通過潤滑分析可知，7段型線相比原3段型線，各潤滑特征評價指標均較優，可有效降低活塞銷孔磨損風險。

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[編輯: 李建新]

ComparisonofPistonPinHoleProfilesforDieselEngine

ZHANGLimin1,LUShiyong2,HANQi3,LIUZhigang1,ZHANGWei1

(1.ChinaNorthEngineResearchInstitute(Tianjin),Tianjin300400,China; 2．MilitaryRepresentativeOfficeofCPLADesignatedtoPlant618,Beijing100072,China;3.OperationOfficeofArmouredForceMilitaryRepresentativeBureau，Beijing100851,China)

In order to solve the wear problem of piston pin hole for a diesel engine, the FE and EHD methods were used to analyze the influence of piston pin hole structure and profile matching on the contact stress and the influence of different profiles on lubrication evaluating index. The results show that the direct reason of scuffing problem is the worse lubrication resulted by the mismatch between profile and thermal deformation. Accordingly, homogeneous contact stress, good lubrication and low risk of scuffing can be obtained by matching a reasonable profile for piston pin hole.

internal combustion engine; piston pin hole； profile; wear; lubrication

2017-03-06;

2017-06-20

張利敏(1983—)，男，副研究員，博士，主要研究方向為內燃機結構設計及優化;tju.zlmwan@aliyun.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.014

TK413.33

B

1001-2222(2017)03-0078-04