工程機(jī)械柴油機(jī)活塞熔頂故障的試驗分析

謝建新+康博+胡雪芳

摘要：針對某型工程機(jī)械柴油機(jī)活塞頂面熔化原因的不確定性，提出了基于形線測量、橢圓度測量、油道檢測、金相分析、合金元素檢測以及硬度測試的試驗研究方案。試驗結(jié)果表明，活塞頂面的形線和橢圓度均符合工作要求，活塞冷卻油道無鑄造缺陷，熔頂部分的合金元素?zé)o偏析，黑色共晶硅和條狀初晶硅分布均勻，活塞熔頂?shù)闹饕T因為柴油機(jī)的冷卻和潤滑系統(tǒng)故障，這對于提升該型柴油機(jī)的可靠性和使用壽命有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；活塞熔頂；合金元素；故障分析

中圖分類號：U415.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Experimental Analysis on Piston Melting Failure of Diesel Engine of Construction Machinery

XIE Jianxin1， KANG Bo2， HU Xuefang1

（1. School of Transport and Marine Engineering， Qingdao Huanghai University， Qingdao 266427， Shandong， China；

2. Hebei Province Expressway Management Bureau， Shijiazhuang 050051， Hebei， China）

Abstract： Aiming at the uncertainty of the melting at the top of the piston of a diesel engine for construction machinery， the experimental research scheme based on the measurement of the line， ellipse， oil passage， metallographic analysis， alloying element testing and hardness testing was put forward. The experimental results show that the shape and ellipticity of the top surface of the piston are in accordance with the working requirements； there is no casting defect in the cooling channel of the piston， and no segregation of alloying elements in the melted top； the black eutectic silicon and the striped primary crystal silicon uniformly distribute； the failure of the cooling and lubricating system is the main cause of piston melting. The research is of great significance in enhancing the reliability and service life of diesel engine.

Key words： diesel engine； piston top melting； alloying element； failure analysis

0引言

某整車廠與配套廠合作開發(fā)的工程機(jī)械柴油發(fā)動機(jī)（以下簡稱柴油機(jī)）運行時，出現(xiàn)了行駛無力并有白煙排出的現(xiàn)象，隨后無法啟動。對柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行檢測，確定性能正常；對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)4個氣缸中有2個氣缸壓力偏低；使用內(nèi)窺鏡觀察二缸氣缸及活塞的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)二缸活塞頂面嚴(yán)重?zé)g變形，并出現(xiàn)局部的熔化現(xiàn)象，缸筒內(nèi)壁拉傷嚴(yán)重。

柴油機(jī)活塞熔頂故障會給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，但其形成因素并不明確[16]。本文綜合運用形線測量、橢圓度測量、油道檢測、金相分析、合金元素檢測以及硬度測試[211]等方法，對柴油機(jī)活塞熔頂故障的原因進(jìn)行分析。通過對試驗結(jié)果的綜合類比和分析，得出故障因素，對于提升該發(fā)動機(jī)的可靠性和延長使用壽命有著重要的意義。

1活塞熔頂誘因分析

1.1柴油發(fā)動機(jī)冷卻故障

柴油機(jī)有2路冷卻系統(tǒng)：其中一路是外冷卻系統(tǒng)，它以冷卻液為媒介，通過水泵使冷卻液循環(huán)起來，從而將氣缸內(nèi)的熱量帶出進(jìn)行散熱；另一路通過機(jī)油泵使發(fā)動機(jī)潤滑油流經(jīng)活塞內(nèi)部的冷卻油道而使活塞溫度降低。柴油機(jī)與汽油機(jī)相比輸出功率較大，活塞頂面承受的可燃混合氣的溫度較高，若冷卻系統(tǒng)工作不良，活塞得不到及時冷卻降溫，會導(dǎo)致活塞機(jī)械強度降低，表面硬度下降，時間一長就會產(chǎn)生熔化拉缸的現(xiàn)象[12]。

1.2燃燒室積碳過多

一般情況下，若柴油機(jī)過載運行或柴油的品質(zhì)較差，柴油機(jī)氣缸內(nèi)將出現(xiàn)可燃混合氣燃燒不完全等問題[1315]，不完全燃燒的殘留物附著在活塞頂和氣缸內(nèi)壁上，導(dǎo)致活塞和氣缸內(nèi)壁的熱量不能及時被冷卻液帶走，使燃燒室的熱量越積越多，最終可能出現(xiàn)活塞頂面熔頂現(xiàn)象。

1.3活塞存在鑄造方面的缺陷

活塞鑄造較為復(fù)雜，在澆注之前需要對鋁液進(jìn)行變質(zhì)處理，使鋁合金中的初晶硅減少，而共晶硅數(shù)量增多并細(xì)化。在變質(zhì)處理、澆注和熱處理工藝中，任何一道工序出現(xiàn)問題都會使活塞出現(xiàn)鑄造缺陷，造成熔頂現(xiàn)象[1620]。

1.4活塞熔頂?shù)难芯糠桨?/p>

根據(jù)主機(jī)廠提供的數(shù)據(jù)可知，使用的柴油性能和油品符合標(biāo)準(zhǔn)，因此，柴油機(jī)發(fā)生積碳的可能性較小，不會產(chǎn)生散熱不良。針對活塞熔頂?shù)恼T因，本文提出試驗方案，如圖1所示。檢測和分析的主要方法有：形線測量、橢圓度測量、油道檢測、金相分析、合金元素檢測以及硬度測試等。其中，通過對活塞熔頂部分的金相組織、熔頂硬度以及活塞原材料的合金成分分析，可直接判定活塞材料出現(xiàn)熔頂后的性能變化。endprint

2熔頂活塞檢測與分析

2.1活塞形線測量

活塞形線即活塞外輪廓線，一般使用形線儀進(jìn)行測量。由于活塞的形線是由數(shù)控車床根據(jù)既定程序加工出來的，因此只要活塞存在形線，形線一定是符合標(biāo)準(zhǔn)的。對于熔頂拉缸的活塞，只需要確認(rèn)其是否存在形線即可。熔頂活塞形線的檢測如圖2所示；從整個形線圖來看，故障活塞的形線是存在的；位置1、3的形線基本符合標(biāo)準(zhǔn)軌跡線，其中有一部分形線超出標(biāo)準(zhǔn)軌跡線是因為拉缸后活塞受到擠壓產(chǎn)生部分凸變形造成的；位置2、4的形線都發(fā)生了嚴(yán)重的凹陷變形，是拉缸以后活塞產(chǎn)生嚴(yán)重磨損造成的。綜上所述，故障活塞的加工形線在標(biāo)準(zhǔn)形線軌跡線范圍內(nèi)，因此故障活塞的形線滿足要求。

2.2活塞橢圓度測量

由于活塞在運行過程中頂部獲得的熱量最多，產(chǎn)生的膨脹量也最大，為了防止其頂部變形過大導(dǎo)致拉缸，一般將活塞加工成一個上小下大的近似圓錐體?；钊诠ぷ鬟^程中，頭部金屬體積大，受熱變形量大，底部金屬體積小，受熱變形量小，活塞膨脹后形成一個近似的圓柱體，與圓柱形的氣缸配合從而能進(jìn)行正常的工作。活塞的橢圓度用圓度儀進(jìn)行測量，測量位置與圖2一致，得出1、4位置的橢圓度曲線如圖3所示。

可以看出，位置1沒有拉缸現(xiàn)象發(fā)生，活塞損傷較小，活塞在該位置的橢圓度線與標(biāo)準(zhǔn)橢圓度線基本吻合，符合標(biāo)準(zhǔn)值；位置4的橢圓度失真較嚴(yán)重，變形明顯，證明該位置承受熱量和載荷較大，易產(chǎn)生磨損，與形線的測量結(jié)果一致。橢圓度檢測結(jié)果表明，活塞頂面的熔化現(xiàn)象與活塞機(jī)械加工的質(zhì)量和工作時的承載狀態(tài)無關(guān)。

2.3活塞油道檢測

柴油機(jī)活塞設(shè)有冷卻油道，潤滑油在活塞冷卻油道循環(huán)往復(fù)流動，將活塞的部分熱量帶走，使活塞溫度降低?；钊鋮s油道是鑄造而成的，在鑄造過程中易出現(xiàn)油道內(nèi)徑變小的現(xiàn)象，導(dǎo)致流經(jīng)冷卻油道的潤滑油量變少，使活塞的冷卻效果變差。由于活塞冷卻油道在活塞內(nèi)部，無法直接檢測，因此本文采用注水法和切割法進(jìn)行間接檢測。

（1）注水法。注水測試法的原理如圖4所示，將軟管一端連接壓力機(jī)出水管，另一端的接頭插入活塞冷卻油道入口，冷卻油道出口同樣連接1根軟管，以便觀察水的流速。通過手動水壓機(jī)將水注入到活塞冷卻油道中，觀察油道入口和出口水的流速是否一致。流速不一致說明活塞油道內(nèi)有“隔墻”，阻礙水流；若一致則證明活塞油道內(nèi)部無“隔墻”。

（2）切割法。本文將故障活塞沿著第1道活塞環(huán)和第2道活塞環(huán)之間的位置切開，如圖5所示，觀察故障活塞冷卻油道內(nèi)壁是否存在“隔墻”，即檢測是否有阻斷油道的鑄造薄壁。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁光滑，沒有“隔墻”結(jié)構(gòu)，可知故障活塞冷卻油道沒有鑄造缺陷。

2.4金相組織與元素分析

活塞材料為S2N鋁硅合金，本文使用小型切割機(jī)從檢測的熔頂活塞上截取20～45 mm長的一段，通過鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕等步驟制備了金相試樣，將其置于XJG05型臥式金相顯微鏡上進(jìn)行觀察，如圖6所示。

從圖6中可以看出，該材料屬于共晶組織，共晶硅呈粒狀或桿狀較均勻地分布在 αAl基體上，其上還分布有數(shù)量較多的金屬化合物相，例如Mg、Fe、Gu等。黑色共晶硅和條狀初晶硅沒有偏析等現(xiàn)象，均勻分布在鋁金屬之間。與標(biāo)準(zhǔn)金相圖譜比較，共晶硅和初晶硅顆粒大小符合標(biāo)準(zhǔn)，未出現(xiàn)組織異常。

將金相試樣的檢測表面再次磨平、拋光，采用光譜分析儀進(jìn)行合金元素含量的檢測，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，熔頂活塞中的合金元素仍在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，并沒有發(fā)生嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象，與圖6中的結(jié)果一致。

中的測試數(shù)據(jù)可知，被測8個點的硬度值均低于硬度標(biāo)準(zhǔn)值110～140 HB，不符合活塞硬度要求。由此可見，柴油機(jī)活塞承受的最高溫度是導(dǎo)致熔頂故障和限制柴油機(jī)提高功率的關(guān)鍵因素之一。經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)的反復(fù)驗證可知：柴油機(jī)鋁合金活塞頂面的極限溫度須小于350 ℃，超過該溫度時，活塞頂部將會產(chǎn)生細(xì)小的裂紋；活塞長時間處于330 ℃以上時，受到高溫氣體交變載荷的沖擊，將出現(xiàn)硬度迅速降低甚至局部熔化，導(dǎo)致熔頂故障的發(fā)生。

3結(jié)語

本文對引起某型工程機(jī)械柴油發(fā)動機(jī)活塞頂面熔化的3種主要因素進(jìn)行了分析，其中，根據(jù)柴油的性能和油品排除了燃燒室的積碳因素。根據(jù)試驗研究結(jié)果可得出以下結(jié)論。

（1）故障活塞的加工形線在標(biāo)準(zhǔn)形線軌跡線范圍內(nèi)，活塞頂端無粘缸現(xiàn)象發(fā)生，其橢圓度線與標(biāo)準(zhǔn)橢圓度線基本吻合；因此，塞頂面的熔化現(xiàn)象與活塞機(jī)械加工的質(zhì)量和工作時的承載狀態(tài)無關(guān)。

（2）通過注水法和切割法對油道性能進(jìn)行檢測，結(jié)果表明故障活塞冷卻油道無鑄造缺陷；對活塞熔頂金相組織和合金元素含量的分析表明，共晶硅和初晶硅顆粒大小符合標(biāo)準(zhǔn)，未現(xiàn)組織異常，無元素偏析。因此，活塞頂面的熔化現(xiàn)象與制造工藝、材料屬性無關(guān)。

（3）根據(jù)不同溫度下活塞頂面融化部分的多參考點硬度測試結(jié)果可知，活塞長時間處于330 ℃以上時，頂面的硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值，證明活塞在熔化之前過熱且沒有及時散熱，最終導(dǎo)致頂面熔化的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳予，程春樂，王渭松，等.DF4型機(jī)車16V240柴油機(jī)活塞故障的分析與預(yù)防[J].內(nèi)燃機(jī)，2014（4）：5658.

[2]陳文旗，胡樹兵，胡晨晨.柴油機(jī)活塞開裂失效分析[J].金屬熱處理，2011（S1）：116121.

[3]張小榮，陳培磊，姜起東.發(fā)動機(jī)活塞開裂分析[J].理化檢驗：物理分冊，2013，49（5）：330333.

[4]楊晉平.電控柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)檢修[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2012，29（4）：8385.

[5]王孝敬.工程機(jī)械用柴油機(jī)潤滑系統(tǒng)故障原因分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2001，18（3）：2426.

[6]張帥，李曉榮，蘇輝，等.柴油發(fā)動機(jī)活塞熔頂開裂失效分析[J].汽車零部件，2014（11）：5253.

[7]吳波，叢茜，熙鵬.帶有仿生孔的活塞裙部試驗研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2015，55（1）：3138.

[8]李闖，張翼，蔡強.冷卻油腔形狀對活塞溫度場影響[J].煤礦機(jī)械，2015，37（3）：8285.

[9]秦朝舉，張衛(wèi)正.柴油機(jī)活塞用鋁合金材料燒蝕性能研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2014，35（5）：107112.

[10]王毅，楊靖，鄧幫林，等.試驗與仿真相結(jié)合的發(fā)動機(jī)活塞熱負(fù)荷分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，41（8）：2329.

[11]鄧士杰，崔翔，王東.基于PNN的發(fā)動機(jī)PT燃油系統(tǒng)故障診斷[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2013，30（2）：8183.

[12]張俊紅，何振鵬，張桂昌，等.柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷耦合研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2011（1）：7883.

[13]雷基林.增壓柴油機(jī)活塞三維有限元分析及溫度場試驗研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2005.

[14]童寶宏，張強.不同工況下柴油機(jī)活塞變形的三維有限元分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（9）：159163.

[15]呂彩琴，蘇鐵熊，趙振峰.柴油機(jī)活塞在復(fù)雜載荷條件下的強度研究[J].車輛與動力技術(shù)，2009（2）：3136.

[16]景旭文，徐振中，李煥.基于多學(xué)科耦合的柴油機(jī)活塞性能優(yōu)化研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2009（6）：112114.

[17]楊世壽，雷基林，畢玉華，等.柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷研究[J].鐵道機(jī)車與動車，2011（7）：2730.

[18]樓狄明，陶建蘭.柴油機(jī)活塞拉缸實例分析和試驗研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2001（5）：1820.

[19]李希斌，郜文國.現(xiàn)代柴油機(jī)活塞型線設(shè)計方法[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車，2000（5）：2123.

[20]王梁，朱艷芳.柴油機(jī)活塞燒熔和開裂機(jī)理及預(yù)防措施[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2000（3）：45.

[責(zé)任編輯：王玉玲]endprint