中速柴油機(jī)活塞銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙飛，史乃祥

（1.鎮(zhèn)江市高等?？茖W(xué)校，江蘇鎮(zhèn)江221028；2.合肥熔安動(dòng)力機(jī)械有限公司，合肥230601）

0 引 言

活塞銷是連接活塞與連桿的零件，在工作時(shí)，承受燃?xì)鈮毫突钊B桿組件往復(fù)慣性力的交變沖擊，因此，活塞銷與活塞銷座必須具備足夠的強(qiáng)度、承壓面積和耐磨性[1]。其中活塞銷的剛度至關(guān)重要，如果縱向剛度不足，就會(huì)引起負(fù)荷分配不均勻，產(chǎn)生彎曲變形，使活塞銷座產(chǎn)生疲勞破壞；如果橫向剛度不足，則會(huì)使活塞銷產(chǎn)生橢圓變形，潤滑油膜產(chǎn)生破壞，引起活塞銷咬住?；钊N座和連桿小頭襯套邊緣處還要承受剪切力，活塞銷與活塞銷座之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度小，難以實(shí)現(xiàn)完全的液體潤滑，導(dǎo)致表面磨損嚴(yán)重。因此，要求活塞銷有一定的強(qiáng)度和剛度，減小變形量；還要求表面有很高的硬度，芯部有良好的韌性，以提高抗疲勞和抗磨損能力。

1 活塞銷與銷座的配合特點(diǎn)

目前，大多數(shù)中速柴油機(jī)都采用浮動(dòng)式活塞銷，活塞銷在連桿小頭和活塞銷座中浮動(dòng)，其特點(diǎn)是減少活塞銷和連桿小頭襯套的磨損，銷的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)使磨損均勻，載荷均布，相對(duì)地提高了銷的疲勞強(qiáng)度。

浮動(dòng)式活塞銷必須軸向定位，以免擦傷氣缸套。當(dāng)活塞銷內(nèi)有冷卻油流過時(shí)，兩端必須有封油措施。

2 活塞銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 常規(guī)設(shè)計(jì)

活塞銷與銷座是一對(duì)摩擦副，二者在工作過程中的變形相互影響，由大量實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析得知，銷座的最大應(yīng)力數(shù)值及應(yīng)力分布規(guī)律主要取決于活塞銷的彎曲變形，為了保證活塞銷和銷座的可靠性，應(yīng)從限制活塞銷的彎曲變形入手，由此決定活塞銷的機(jī)構(gòu)型式。確定活塞銷尺寸時(shí)，按重要性進(jìn)行排列，順序如下：1）活塞銷的彎曲變形；2）活塞銷的橢圓變形；3）銷座上的表面壓力；4）活塞銷的應(yīng)力。

設(shè)計(jì)活塞銷時(shí)，首先根據(jù)柴油機(jī)的特點(diǎn)和要求選擇材料和結(jié)構(gòu)型式，確定活塞銷外徑D和長度L，并對(duì)活塞銷的彎曲撓度和最大橢圓變形校核確定活塞銷內(nèi)徑D0，同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度校核，最后制訂技術(shù)要求并繪制施工圖樣。

為了獲得質(zhì)量輕而剛度與強(qiáng)度高的結(jié)構(gòu)，活塞銷通常都做成空心，圖1和圖2是最常用的活塞銷結(jié)構(gòu)。其中圖2為錐形內(nèi)孔，即所謂等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，在小缸徑的高速機(jī)上用得較多[2]，在船用中速機(jī)上很少使用。此結(jié)構(gòu)一般可減輕質(zhì)量約10%左右，尺寸大約減輕6%，由于柴油機(jī)指標(biāo)不斷提高，對(duì)活塞銷的強(qiáng)度和剛度也提高了要求，減重優(yōu)勢(shì)越來越不明顯，因此也就不適用于中速強(qiáng)載柴油機(jī)。

2.2 油冷活塞的活塞銷設(shè)計(jì)

2.2.1 帶縱向油孔的活塞銷

現(xiàn)在的中速柴油機(jī)，活塞頭部大都采用油冷，滑油從主軸頸進(jìn)入連桿體到活塞銷，再從活塞銷座到達(dá)活塞頂部，頂部的油腔內(nèi)始終保持一定的油量，在活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中發(fā)生振蕩，熱量被回油帶走，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，銷座往頂部供油如圖4所示。

為保證銷與銷座之間充分潤滑，銷上鉆有4排縱向孔，在圓周上均布，每排3孔，如圖5所示。油孔口必須倒圓拋光，以防應(yīng)力集中。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于每排孔之間的夾角為90°，可縮小銷座上油槽的角度，不至于油槽進(jìn)入承壓區(qū)，同時(shí)，也不會(huì)對(duì)銷座的剛性影響太大。如圖4所示，油槽的角度為110°，大于90°，可保證任意位置都有一孔與油槽相通。

此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：當(dāng)有一對(duì)縱向油槽轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，在活塞力的作用下，變形中性面正好是這一對(duì)油槽所在的平面，變形量大，剛性大為削弱，且橫向孔易產(chǎn)生開裂傾向。縱向孔為盲孔，末端用M8的螺塞封住，加工后里面的鐵屑不易清理。

如圖6所示，為避免上述缺點(diǎn)，將縱向孔改為3個(gè)，間隔120°均布；盲孔改為通孔；內(nèi)孔的兩端面倒角為60°，磨削時(shí)可作為中心孔用?；钊N的磨削建議用外圓磨床，因無心磨常出現(xiàn)棱邊，有時(shí)測(cè)量出的外圓直徑很好，但實(shí)際上可能是一個(gè)多棱體。

油孔夾角由90°改為120°，則銷座上的環(huán)形油槽包角要相應(yīng)增大，因?yàn)殇N座工作時(shí)上面為主承壓面，下面受到的力很小，因此，我們要把環(huán)槽向下方擴(kuò)展[3]，使包角大于120°（如140°），這樣就保證任何時(shí)候有一孔向環(huán)槽供油。

2.2.2 不帶縱向油孔的活塞銷

盡管對(duì)活塞銷作了以上改動(dòng)，可靠性和工藝性有所提高，經(jīng)過多年的實(shí)踐得知，平均有效壓力達(dá)到2 MPa以上時(shí)仍然經(jīng)常出問題。一方面是通用性結(jié)構(gòu)尺寸上的限制；另一方面，縱向油孔確實(shí)危害太大，不但影響受力，而且影響加工工藝，因此出現(xiàn)了不帶縱向油孔的活塞銷。

如圖7所示，活塞銷取消了縱向油孔，從連桿體來的滑油經(jīng)中間的徑向孔進(jìn)入內(nèi)孔，再經(jīng)兩端的徑向孔進(jìn)入銷座。采用此結(jié)構(gòu)，內(nèi)孔的兩端必須密封，最簡單的辦法就是用鋁板密封，然后用孔用彈性擋圈限位。

兩端的擋油板不可只采用過盈式壓入或采用圖8所示結(jié)構(gòu)，除非內(nèi)孔尺寸較小。因?yàn)椴裼蜋C(jī)正常工作時(shí)滑油壓力都為0.30～0.45 MPa，冷態(tài)下起動(dòng)柴油機(jī)有時(shí)可能達(dá)0.6 MPa，擋板受到的軸向力很大，有可能脫開。假如滑油壓力P為0.4 MPa，則圖7中的擋板受到的軸向力為F=πD02×P/4=3.14×452×0.4/4≈636 N。式中：D0為活塞銷內(nèi)徑。

圖8中采用的是沖壓件，壓入后再進(jìn)行滾壓，在如此高壓力作用下也容易變形脫落。

為了解決銷孔兩端的封油擋板受力問題，可采用圖9所示的結(jié)構(gòu)，在銷孔中加一套管，兩端開有R5的環(huán)槽，在此處進(jìn)行滾壓，同時(shí)端部進(jìn)行滾壓翻邊。這樣不但減小了套管的受力，還避免了開彈性擋圈槽產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。

以圖9中的尺寸為例，則套管端部受到的力為

F=π（d12-d22）×P/4=3.14×（652-542）×0.4/4≈411 N。

式中：d1為活塞銷兩端密封孔內(nèi)徑；d2為套管外徑。

若采用圖8所示結(jié)構(gòu)，則受到的力為

F′=πd12×P/4=3.14×652×0.4/4≈1327 N。

式中：d1為活塞銷兩端密封孔內(nèi)徑。

由此可見，F(xiàn)′是F的3倍多，內(nèi)孔中加上整體套管之后，不但端面受到的力減小了，而且消除了軸向移動(dòng)的力，因?yàn)閮啥耸艿降牧Υ笮∠嗟?、方向相反。它的特點(diǎn)是工藝上顯得有點(diǎn)復(fù)雜，要事先做一個(gè)圖10所示的套管，裝入活塞銷內(nèi)孔后再進(jìn)行滾壓。

這種不帶縱向油孔的活塞銷還有一 個(gè) 優(yōu)點(diǎn)，那就是可以對(duì)內(nèi)孔處的徑向油孔邊進(jìn)行倒角 或 修圓，從而避免尖角應(yīng)力的產(chǎn)生。

2.2.3 不帶油孔的活塞銷設(shè)計(jì)

以上介紹了油冷活塞的活塞銷設(shè)計(jì)，再具體一點(diǎn)就是整體油冷活塞的活塞銷。當(dāng)柴油機(jī)強(qiáng)化到一定程度，整體球鐵的活塞的頂部強(qiáng)度、環(huán)槽的處理等已不能滿足要求，因此出現(xiàn)了鋼頂鐵裙或鋼頂鋁裙的活塞。對(duì)活塞銷也提出了更為嚴(yán)格的要求，以前那種帶油孔的活塞銷已很難滿足要求，圖11所示的無油孔活塞銷又開始使用，它的使用是基于活塞頂冷卻油路的變化。

如圖11所示，冷卻油從連桿的小頭頂部進(jìn)入活塞頂中部的導(dǎo)油管，對(duì)活塞頂進(jìn)行冷卻后經(jīng)鉆孔回流到外部油腔，再經(jīng)銷座上的油孔回到油底殼。銷座的潤滑靠回油來實(shí)現(xiàn)，其油路方向與以前的方向剛好相反。

這種結(jié)構(gòu)的活塞銷的強(qiáng)度、剛度和加工工藝都達(dá)到了最佳，是未來柴油機(jī)采用的趨勢(shì)。使用的前提是組合式活塞，冷卻油從頂部中間位置進(jìn)入，連桿小頭結(jié)構(gòu)也要相應(yīng)地調(diào)整。

3 合理的選材和結(jié)構(gòu)選型

活塞銷的結(jié)構(gòu)是與銷座、連桿小頭的結(jié)構(gòu)及材料分不開的，在滿足要求的情況下要做到結(jié)構(gòu)最簡單、工藝良好、綜合成本最低。

活塞銷大都用含碳量較低的優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼作材料，表面滲碳淬硬。強(qiáng)載度不高的柴油機(jī)活塞銷一般選用20Cr、15CrA、20Mn2、20CrMo鋼，高速強(qiáng)載柴油機(jī)活塞銷一般采用18CrMnTi、20SiMnVB、18CrNiWA，以及18Cr2Ni4WA、12CrNi3A等高級(jí)合金鋼作材料; 有些強(qiáng)載柴油機(jī)活塞銷采用38CrMoAlA和30CrMoV等合金鋼[4]作材料，表面經(jīng)滲氮處理后可獲得高的硬度，且不易咬死。

活塞銷的主要尺寸一般在下列范圍內(nèi)：1）活塞銷外徑d=（0.35～0.45）D，D為氣缸直徑，缸徑越大，強(qiáng)載度越高，d越趨上限。2）活塞銷長度l=（0.80～0.88）D；3）活塞銷內(nèi)孔d0=（0.4～0.6）d。

4 結(jié) 論

活塞銷的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)的演變過程，但絕不是倒退，而是升華，是柴油機(jī)強(qiáng)化到一定階段的必然產(chǎn)物。采用哪種結(jié)構(gòu)要根據(jù)柴油機(jī)的具體指標(biāo)要求，合理選擇，以可靠性為出發(fā)點(diǎn)，兼顧經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，可靠性也是一個(gè)總體指標(biāo)，不能顧此失彼。本文認(rèn)為：平均有效壓力在2.2 MPa以下的采用整體活塞或組合式活塞，配圖7所示結(jié)構(gòu)的活塞銷，鉆3排縱向孔為宜；平均有效壓力在2.2 MPa以上的采用組合式活塞，中間供冷卻油，采用圖1所示結(jié)構(gòu)的活塞銷。