鋼活塞銷孔接觸磨損優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

羅紹杰 楚翔宇 李倩

濱州渤海活塞有限公司 山東 濱州 256600

引言

在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)活塞設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。銷孔偏心作為影響其二階運(yùn)動的主要參數(shù)之一，在實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，往往是解決活塞運(yùn)動平穩(wěn)性、發(fā)動機(jī)噪聲、摩擦損失、活塞側(cè)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(jìn)而對活塞二階運(yùn)動和裙部潤滑特性產(chǎn)生重要影響，如改變了活塞裙部與氣缸壁間的接觸負(fù)荷，可能會加劇或改善活塞磨損等。

1 鑄鋼活塞應(yīng)用概況

鑄鋼的機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱性、耐蝕性以及耐磨性均優(yōu)于鋁合金和鑄鐵，具有高的彈性模量，優(yōu)良而穩(wěn)定的高溫性能和比較低的線膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是密度大、加工麻煩、成本高，對缸套的磨損嚴(yán)重。為使活塞質(zhì)量更輕，通常將鋼制活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得十分復(fù)雜，活塞體斷面很薄。由于省去了大量的材料，整個活塞的質(zhì)量比目前鑲嵌耐熱奧氏體鑄鐵環(huán)槽的鋁合金活塞約輕30%，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。制造工藝上，需要設(shè)計(jì)好鑄造工藝，以使得活塞體中較薄的截面都能準(zhǔn)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(jīng)過熱處理，以獲得較高的耐磨性，為了防止活塞結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)的薄壁部位在熱處理過程中產(chǎn)生過大變形，以保證活塞功能的正常發(fā)揮，需要嚴(yán)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(fā)動機(jī)的活塞銷孔出現(xiàn)接觸磨損失效，對銷孔外側(cè)的失效進(jìn)行分析，找出失效原因。（1）試驗(yàn)情況。活塞經(jīng)1600h耐久臺架試驗(yàn)后銷孔外側(cè)接觸磨損失效的圖片可知，活塞銷孔外側(cè)接觸痕跡明顯、磨損嚴(yán)重，內(nèi)側(cè)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(yīng)力集中、異常等。因此首先需進(jìn)一步對活塞銷孔本體材料進(jìn)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(yàn)。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(xué)成分進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示：材料的化學(xué)成分完全符合要求。另外，材料硬度標(biāo)準(zhǔn)要求為270一320HBW，對銷孔部位的布氏硬度進(jìn)行檢測，實(shí)測平均值為295HBW，符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。通過對活塞銷孔外側(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致銷孔壓力集中分布在銷孔外側(cè)，從而造成銷孔外側(cè)發(fā)生磨損失效。

3 改進(jìn)方案

3.1 早期磨損的預(yù)防措施

（1）潤滑油要及時進(jìn)行更換，保證機(jī)械有良好的潤滑效果。①時刻做好機(jī)油壓力的檢查及測量工作，通常柴油機(jī)的機(jī)油壓力為0.15～0.4MPa，一般要求，柴油機(jī)在空轉(zhuǎn)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，機(jī)油壓力不能低于0．05MPa。②我們可以按照不同季節(jié)配備不同的機(jī)油。嚴(yán)格按照說明書的要求，選擇適當(dāng)標(biāo)號的機(jī)油，對于高速柴油機(jī)，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(jī)油。（2）平時要多注意學(xué)習(xí)，掌握正確操作，及時進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。①在進(jìn)行作業(yè)時，要嚴(yán)格按照說明書的要求，啟動發(fā)動機(jī)時，應(yīng)先預(yù)熱一段時間，在發(fā)動機(jī)達(dá)到一定溫度，此時處于最佳狀態(tài)，方可進(jìn)行作業(yè)；需要注意的是，在冬季作業(yè)時，要預(yù)熱柴油機(jī)，或是搖轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的曲軸，使機(jī)油的粘度減少，在充分完成各部位的潤滑后，方可從事機(jī)械作業(yè)。②柴油機(jī)嚴(yán)禁長時間超速或超負(fù)荷作業(yè)。長期高速作業(yè)或超負(fù)荷作業(yè)，會使氣缸內(nèi)產(chǎn)生大量的高溫、高壓氣體，進(jìn)一步破壞了潤滑油膜，影響了潤滑效果，同時，產(chǎn)生更大沖擊力，加劇氣缸、活塞及活塞環(huán)的磨損。③要注意檢查氣缸、活塞及活塞環(huán)的相互配合間隙。嚴(yán)格按照使用說明的要求，定期調(diào)整氣缸、活塞及活塞環(huán)之間的配合間隙，間隙值不能超過其極限值，發(fā)現(xiàn)間隙過大或過小要及時進(jìn)行調(diào)整。④要加強(qiáng)檢查，及時清除氣缸、活塞及活塞環(huán)上堆積的積碳。因?yàn)榉e碳增多以后，會使燃燒室容積變小，柴油機(jī)工作效率降低，使?jié)櫥妥冑|(zhì)，影響潤滑的性能，加速機(jī)件磨損。

3.2 銷孔偏心設(shè)計(jì)

將活塞銷孔中心向次推力側(cè)偏置定義為正偏心，向主推力側(cè)偏置定義為負(fù)偏心。如果活塞整體與缸套發(fā)生瞬時接觸，將產(chǎn)生較大的沖擊力和噪聲。銷孔偏心的主要目的是實(shí)現(xiàn)活塞換向時平緩的過渡，降低活塞運(yùn)動過程中的最大側(cè)向力。目前活塞設(shè)計(jì)中普遍采用銷孔偏心結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化銷孔偏心量，可以在很大程度上減少活塞處于上止點(diǎn)換向過程中對氣缸的沖擊。

3.3 銷孔形線改進(jìn)

目前，高爆壓、高負(fù)荷柴油機(jī)活塞銷孔均采用異形銷孔結(jié)構(gòu)。異形銷孔結(jié)構(gòu)可以使銷孔在發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下適應(yīng)活塞銷的橢圓變形和彎曲變形，從而優(yōu)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)了S2，S3，S43種形線改進(jìn)方案，銷孔形線設(shè)計(jì)為喇叭形結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整內(nèi)側(cè)、直段、外側(cè)3段的長度及銷孔直徑收縮量來優(yōu)化銷孔形線。

其中S2，S3，S4方案銷孔外側(cè)形線收縮量相對于S1依次增大，靠近外側(cè)直線段長度依次減小，另外，減小S4內(nèi)側(cè)長度、增大內(nèi)側(cè)收縮量。

4 結(jié)語

在銷孔偏置設(shè)計(jì)時，需要根據(jù)不同的噪聲、摩擦損失及活塞接觸磨損要求，并綜合考慮發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況、活塞剛度、型線設(shè)計(jì)等因素的差異，對分析結(jié)果進(jìn)行綜合評估，避免極端事件的發(fā)生。