船用柴油機(jī)活塞壽命研究

喬云杰，譚勇敢，姚俊杰

（常州中車(chē)柴油機(jī)零部件有限公司，江蘇常州 213100）

0 引言

活塞是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零部件，其工作環(huán)境極其復(fù)雜，不僅承受高溫、高壓和高速運(yùn)動(dòng)，還承受著高頻交變載荷。另外，也受著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體工作環(huán)境和工作狀態(tài)的影響。活塞的可靠性對(duì)內(nèi)燃機(jī)整體穩(wěn)定運(yùn)行具有關(guān)鍵影響作用，尤其隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度的不斷提高，要求活塞具有高強(qiáng)度、高質(zhì)量以及高可靠性。

國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)業(yè)廠家一直致力于高可靠性活塞的研究，大體可將活塞分為3個(gè)層次：1）基于工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)發(fā)生的故障或質(zhì)量異常而開(kāi)展的失效分析；2）對(duì)于新設(shè)計(jì)活塞的定壽研究；3）對(duì)正常使用活塞的延壽研究或維保研究。以下分別對(duì)3個(gè)方向的研究情況進(jìn)行介紹。

1 柴油機(jī)活塞典型的失效癥狀及對(duì)策

1.1 燃燒室過(guò)燒

燃燒室部位的溫度是整個(gè)活塞溫度的最高部位，一般情況下，長(zhǎng)期使用后會(huì)在表面產(chǎn)生燒蝕的痕跡，圖1和圖2是國(guó)內(nèi)某300缸徑船用柴油機(jī)活塞由于過(guò)燒而導(dǎo)致開(kāi)裂的失效照片[1]。

圖1 活塞燃燒室開(kāi)裂

圖2 活塞避閥部位過(guò)燒

經(jīng)過(guò)理化、性能以及失效分析，認(rèn)為活塞燃燒室本身溫度較高，長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致避閥坑部位過(guò)燒，同時(shí)在閥坑的圓角處產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，逐漸產(chǎn)生微裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展后就會(huì)導(dǎo)致活塞頂開(kāi)裂。

減少過(guò)燒的對(duì)策有2種方式：1）減少高溫燃?xì)鈧鲗?dǎo)給活塞的熱量，通過(guò)在燃燒室面噴涂或激光熔覆熱障涂層可達(dá)到降低170 ℃的隔熱效果[2]；2）加速活塞的本身熱量的傳遞，通過(guò)調(diào)整燃燒室壁厚、改善冷卻油路以及提高冷卻油速度等均可實(shí)現(xiàn)此目的。

1.2 環(huán)槽異常磨損

活塞環(huán)槽部位是最容易磨損的，絕大部分活塞的壽命取決于環(huán)槽部位的磨損情況。圖3和圖4是某缸徑為200 mm柴油機(jī)活塞在運(yùn)行近10 000 h后的磨損情況。

圖3 活塞宏觀使用情況

圖4 活塞環(huán)槽解剖后的形貌

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，活塞裙部外圓整體運(yùn)行磨合良好，但活塞頂積碳較嚴(yán)重，對(duì)環(huán)槽解剖后發(fā)現(xiàn)，第一環(huán)槽磨損非常嚴(yán)重，且圓周方向上分布不均，經(jīng)過(guò)測(cè)量磨損量范圍達(dá)到2 mm～4 mm，其余兩環(huán)槽正常磨損，從圖4可以看出，環(huán)槽底徑部位積碳較多且硬。

經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為該失效的原因有很多，如發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷高、燃燒異常、空氣中有雜質(zhì)、燃油及潤(rùn)滑油中有雜質(zhì)等；其中活塞燃燒室側(cè)有雜質(zhì)的可能性非常大。另外該活塞已經(jīng)超過(guò)運(yùn)行1年的質(zhì)保期。

通過(guò)加強(qiáng)整個(gè)柴油機(jī)的清潔度控制，按照操作說(shuō)明正常使用，按照維保手冊(cè)進(jìn)行保養(yǎng)，可有效避免此問(wèn)題發(fā)生。

1.3 活塞裙開(kāi)裂

活塞裙開(kāi)裂也是活塞失效的一種常見(jiàn)的模式，圖5為某柴油機(jī)組合活塞在運(yùn)行了700余小時(shí)后發(fā)生的活塞鋁裙開(kāi)裂[3]；圖6是MAN L23/30整體鐵活塞在運(yùn)行了20 000 h后，在某些船上集中爆發(fā)的活塞銷(xiāo)孔及中間加強(qiáng)筋骨處疲勞裂紋[4]。

圖5 鋁活塞裙開(kāi)裂

圖6 鐵活塞裙開(kāi)裂

對(duì)圖5的裂紋采用借助OLYMPUSSZX16型體視顯微鏡觀察宏觀斷口形貌，利用掃描電鏡觀察微觀形貌，找到裂紋源后通過(guò)能譜儀檢測(cè)源區(qū)成分，最后確定由于鑄造過(guò)程原材料產(chǎn)生縮松，鍛造后無(wú)法完全消除，當(dāng)存在于應(yīng)力集中區(qū)域后發(fā)生疲勞開(kāi)裂。圖6開(kāi)裂可能的原因是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)偏低或者材料本身存在缺陷，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后產(chǎn)生疲勞裂紋。

針對(duì)活塞裙開(kāi)裂的對(duì)策，一方面是加強(qiáng)產(chǎn)品制造過(guò)程中的質(zhì)量控制，減少材料缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品一致性；另一方面是改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的安全系數(shù)。同時(shí)，加強(qiáng)產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中的檢查能夠有效控制失效導(dǎo)致的損失。

1.4 螺紋松脫

針對(duì)中低速柴油機(jī)活塞，螺紋連接普遍存在，如：組合活塞的螺栓連接副、整體活塞的螺紋堵頭連接等，在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，螺紋副很容易發(fā)生松動(dòng)失效。圖7是2013年前后某柴油機(jī)活塞在運(yùn)行了1年半到2年的時(shí)間后發(fā)生了螺母松脫的情況，圖8是MAN28/32、23/30等系列活塞發(fā)生的悶塞意外松動(dòng)的示意圖，大多情況下是在運(yùn)行5年或者20 000 h運(yùn)行后被發(fā)現(xiàn)的[5]。

圖7 組合活塞螺母松脫

圖8 整體活塞悶塞松

由圖7可知：活塞螺栓沒(méi)有發(fā)生頸縮現(xiàn)象，在與螺母的連接部位螺紋被拉毛，且發(fā)生了折彎；經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為該活塞的連接螺紋型號(hào)為粗牙，自鎖能力較差，在較長(zhǎng)時(shí)間的使用后在交變應(yīng)力作用下，逐步發(fā)生了松脫。圖8的松動(dòng)經(jīng)過(guò)主機(jī)廠與活塞供應(yīng)商的分析，認(rèn)為是由于用于緊固悶塞的膠水老化導(dǎo)致的。

針對(duì)該活塞的螺紋，將其從粗牙優(yōu)化設(shè)計(jì)改為細(xì)牙后，未再發(fā)生螺紋松脫的現(xiàn)象。MAN公司在新的柴油機(jī)上采用了更強(qiáng)力的膠水Loctite2701代替之前的緊固膠水，有效減少了整體鐵活塞悶塞松脫情況的發(fā)生。

以上均是針對(duì)活塞在實(shí)際運(yùn)用暴露出的失效故障，通過(guò)失效分析，確定問(wèn)題發(fā)生的原因，進(jìn)而針對(duì)性的提出改進(jìn)措施或?qū)Σ?，從而提高了活塞的可靠性，達(dá)到甚至超越預(yù)期壽命。

2 活塞的定壽研究

活塞的壽命是指在正常工作條件下，產(chǎn)品能夠持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮正常功能的時(shí)間，其與活塞的質(zhì)保周期息息相關(guān)。相對(duì)于失效分析研究，活塞壽命的研究對(duì)于活塞的運(yùn)用更具有指導(dǎo)作用。理論上講，只有活塞發(fā)生故障后才能確定其壽命，而由于產(chǎn)品個(gè)體間的差異性以及使用工況的不同，每只活塞的壽命也不同，如何在產(chǎn)品批量使用前來(lái)確定它的壽命則更加復(fù)雜。新造或改進(jìn)的柴油機(jī)活塞可以參照以下路徑開(kāi)展定壽研究。本文重點(diǎn)對(duì)仿真分析、試驗(yàn)測(cè)試和線路考核進(jìn)行詳細(xì)介紹?；钊▔垩芯康募夹g(shù)路線見(jiàn)圖9。

圖9 活塞定壽研究的技術(shù)路線

2.1 仿真分析

隨著三維仿真技術(shù)以及有限元分析軟件的發(fā)展與運(yùn)用，其對(duì)活塞可靠性研究的起著越來(lái)越重要的作用，其分析流程如下：利用Pro’E、UG和Catia等設(shè)計(jì)軟件完成活塞的三維造型，然后將此造型導(dǎo)入ANSYS、Abaqus等有限元分析軟件，將活塞、活塞銷(xiāo)、連桿以及組合活塞內(nèi)部各零件增加約束，考慮到溫度場(chǎng)、燃燒室壓力、內(nèi)部應(yīng)力以及熱機(jī)耦合后的載荷，設(shè)置好相關(guān)零件的材料參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)有限元計(jì)算，便可以得到活塞的應(yīng)變和應(yīng)力圖，活塞的溫度分布、最大變形和最大應(yīng)力也能得出。通過(guò)最大應(yīng)力與材料的屈服強(qiáng)度比較，可以得到零件或某區(qū)域的安全系數(shù)。當(dāng)施加載荷為高周循環(huán)載荷時(shí)，可以得到高周疲勞應(yīng)力，與材料疲勞強(qiáng)度比較，能夠得出零件的疲勞壽命。

圖10 為某活塞在最大壓力負(fù)荷下各部位的應(yīng)力分布，此時(shí)活塞銷(xiāo)是最危險(xiǎn)的零件，針對(duì)活塞其活塞銷(xiāo)孔上部靠近開(kāi)檔處應(yīng)力最大，此部位安全系數(shù)最低[6]。圖11 是針對(duì)同一活塞設(shè)計(jì)的2種不同冷卻結(jié)構(gòu)的溫度分布圖，通過(guò)比較，采用盲孔冷卻結(jié)構(gòu)的最高溫度較低，且溫度梯度變化更平緩。

圖10 活塞最大壓應(yīng)力下的應(yīng)力分布

圖11 2種結(jié)構(gòu)方案活塞的溫度分布

2.2 試驗(yàn)測(cè)試

活塞樣件制造出并經(jīng)過(guò)尺寸、材料性能和化學(xué)成分等常規(guī)檢測(cè)后，還需要結(jié)合其壽命要求做各種試驗(yàn)測(cè)試，包括環(huán)槽強(qiáng)化工藝匹配磨損測(cè)試、活塞靜強(qiáng)度應(yīng)力測(cè)試、活塞殘余應(yīng)力測(cè)試、活塞快速壽命試驗(yàn)、活塞機(jī)械動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試、單缸機(jī)試驗(yàn)和整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)等。

針對(duì)普遍存在的活塞環(huán)槽磨損嚴(yán)重問(wèn)題，采用MPX-2000盤(pán)銷(xiāo)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)采用不同強(qiáng)化工藝的活塞環(huán)槽進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，從而選取磨損量最少的環(huán)槽強(qiáng)化方案[7]。

圖12是我司采用WS-3811型動(dòng)、靜態(tài)多功能應(yīng)變儀，通過(guò)切割法對(duì)某組合活塞鋁裙的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，控制活塞的殘余應(yīng)力對(duì)其疲勞壽命有正影響。圖13是MAHLE公司利用動(dòng)態(tài)疲勞設(shè)備測(cè)試活塞的疲勞壽命[8]，主要是對(duì)活塞材料及結(jié)構(gòu)在機(jī)械交變載荷下疲勞壽命進(jìn)行驗(yàn)證。中國(guó)船舶集團(tuán)第七一一研究所針對(duì)缸徑為270的某新型高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞，通過(guò)了1.5倍爆發(fā)工況的疲勞強(qiáng)度考核試驗(yàn)，對(duì)活塞銷(xiāo)孔、頂裙結(jié)合面以及活塞裙等薄弱部位進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)了耐久疲勞考核[9]。中車(chē)大連機(jī)車(chē)研究所利用IST活塞壽命快速試驗(yàn)裝置對(duì)某鋼頂鋁裙組合活塞的鋁裙銷(xiāo)孔部位疲勞開(kāi)裂進(jìn)行了驗(yàn)證[7]，裝置見(jiàn)圖14；采用高頻感應(yīng)加速熱疲勞試驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖15）借鑒英國(guó)機(jī)車(chē)柴油機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)的方法和經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)1 500個(gè)加速熱疲勞壽命試驗(yàn)循環(huán)，驗(yàn)證活塞頭的熱疲勞壽命滿足正常工作2.5年以上[10]。

圖12 活塞殘余應(yīng)力測(cè)試

圖14 活塞壽命快速試驗(yàn)裝置

圖15 加速熱疲勞試驗(yàn)裝置

中國(guó)船舶集團(tuán)第七一一研究所和中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所等都有單缸機(jī)試驗(yàn)設(shè)備，可以根據(jù)活塞的缸徑及行程開(kāi)發(fā)單缸機(jī)用于對(duì)活塞進(jìn)行試驗(yàn)，單缸機(jī)工況與整機(jī)基本一致，是可靠性非常高的試驗(yàn)驗(yàn)證手段，通過(guò)單缸機(jī)試驗(yàn)可以測(cè)試活塞的溫度場(chǎng)、活塞與環(huán)及缸套的磨合情況、進(jìn)一步驗(yàn)證仿真分析后薄弱部位的磨損情況，評(píng)估預(yù)測(cè)活塞疲勞壽命。以上試驗(yàn)考核通過(guò)后，就進(jìn)入整機(jī)考核，對(duì)于小缸徑或缸數(shù)較少的柴油機(jī)，以及不具備單缸機(jī)條件的生產(chǎn)廠家，可以直接用整機(jī)做臺(tái)架試驗(yàn)。

臺(tái)架試驗(yàn)考核包括可靠性試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)，按照J(rèn)B/T 9773—1999和JB/T 51127—1999標(biāo)準(zhǔn)的要求，試驗(yàn)時(shí)間至少是1 000 h，試驗(yàn)后對(duì)樣件拆檢，檢查整機(jī)的磨損和損壞情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)要精密測(cè)量活塞、活塞環(huán)和活塞銷(xiāo)等零件。

2.3 線路考核

柴油機(jī)的使用環(huán)境、使用工況不同，對(duì)活塞的壽命及可靠性影響較大，因此從可靠性角度考慮，活塞完全定型前還需要實(shí)際運(yùn)用考核，此時(shí)裝機(jī)量不宜過(guò)多。

在機(jī)車(chē)柴油機(jī)活塞領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外對(duì)定壽管理具有大量的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，也有明確的活塞壽命要求，如：國(guó)內(nèi)DF系列內(nèi)燃機(jī)車(chē)活塞的壽命為運(yùn)行30萬(wàn)公里（約5 000 h），影響其壽命的主要因素是活塞頂環(huán)槽的磨損；2005年左右從國(guó)外引進(jìn)的HX系列內(nèi)燃機(jī)車(chē)活塞的壽命為90萬(wàn)公里（約12 000 h），制約其壽命的主要是活塞裙的疲勞開(kāi)裂失效。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)用考核，以上活塞壽命穩(wěn)定，可靠性高。

3 活塞的增壽研究

活塞的增壽研究分3大方向：1）對(duì)薄弱結(jié)構(gòu)或材料的優(yōu)化改進(jìn)，提高產(chǎn)品本質(zhì)壽命；2）規(guī)范維修保養(yǎng)，延長(zhǎng)整體運(yùn)用壽命；3）利用再制造技術(shù)，延長(zhǎng)個(gè)體使用壽命。

3.1 提高產(chǎn)品本質(zhì)壽命

1）既有產(chǎn)品的匹配副協(xié)同提升。活塞環(huán)槽表面強(qiáng)化處理能夠顯著提高活塞的壽命，為更好的協(xié)同提升，活塞環(huán)材料優(yōu)選更耐磨的球鐵或采用端面鍍鉻工藝；缸套的表面珩磨紋路優(yōu)化，增加儲(chǔ)油和潤(rùn)滑功能，可提升活塞外圓的磨損壽命。

2）材料缺陷的等級(jí)優(yōu)化提升。針對(duì)鍛造活塞，提高材料等級(jí)、確定原材料熔煉方式，控制P、S、H、O和N等有害元素的含量，可以減少或杜絕活塞開(kāi)裂；針對(duì)鑄造鐵活塞，通過(guò)優(yōu)化澆注工藝，控制熔煉過(guò)程，可減少疏松、夾雜以及冷隔等材料缺陷，提升疲勞壽命；針對(duì)鋁活塞材料，在熔煉過(guò)程中增加精煉時(shí)間，提高澆注溫度，降低澆注速度，增加除氣效果可以有效減少疏松、氣孔缺陷，提升疲勞壽命。利用超聲波、射線探傷以及表面滲透或磁粉探傷手段，能夠?qū)θ毕莸燃?jí)進(jìn)行評(píng)定，確保材料滿足使用要求。

3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升。通過(guò)運(yùn)用考核，對(duì)發(fā)現(xiàn)的壽命薄弱區(qū)域優(yōu)化改進(jìn)，可有效提升產(chǎn)品壽命。如針對(duì)銷(xiāo)孔的磨損情況采用內(nèi)大外小的喇叭口形狀改善受力情況，減少表面壓力；針對(duì)頂裙裝配面的微動(dòng)磨損情況，優(yōu)化活塞裙內(nèi)支撐面的型線，可改善磨損效果；根據(jù)活塞外圓的磨合情況，優(yōu)化型線和橢圓輪廓，增加表面微觀儲(chǔ)油槽，可減少磨損；針對(duì)活塞過(guò)熱或過(guò)燒情況，改善冷卻結(jié)構(gòu)，增加冷卻效果，可提高活塞的使用壽命。

3.2 規(guī)范維修保養(yǎng)

MAN公司給出的柴油機(jī)維護(hù)說(shuō)明書(shū)中明確規(guī)定了活塞的檢修周期和檢修內(nèi)容，如24 000 h后對(duì)活塞進(jìn)行狀態(tài)檢查，規(guī)定如果環(huán)槽超限，活塞頂必須報(bào)廢；滬東重機(jī)股份有限公司針對(duì)PA6活塞制訂了維保手冊(cè)，明確了6 000 h后檢修的內(nèi)容和報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，包括表面探傷及外觀檢查、環(huán)槽間隙及裝配間隙檢查和銷(xiāo)孔尺寸檢查等內(nèi)容，為保證產(chǎn)品可靠運(yùn)行提出了更換建議。通過(guò)定期的檢修，可以排除故障隱患，更換磨損零件，提升活塞整體使用壽命。

3.3 利用再制造技術(shù)

PA6活塞、EMD機(jī)車(chē)活塞，在環(huán)槽超限后可以通過(guò)將環(huán)槽車(chē)大再配以厚度增加的活塞環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞的增壽；GE公司的7FDL柴油機(jī)活塞，其銷(xiāo)套底孔分為3個(gè)等級(jí)，確?；钊逛N(xiāo)孔超差后可以通過(guò)更換銷(xiāo)套達(dá)到延壽目的；Laser Cladding Singapore公司，采用了激光熔覆技術(shù)對(duì)某缸徑為200 mm的船用柴油機(jī)活塞進(jìn)行了環(huán)槽修復(fù)，從而延長(zhǎng)使用壽命；采用補(bǔ)焊或者鍍鉻的方法修復(fù)低速機(jī)活塞頭環(huán)槽已經(jīng)具有幾十年的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

增壽研究同時(shí)也要考慮到活塞的可靠性和匹配性，為了在安全性與經(jīng)濟(jì)性平衡，需要做大量工程經(jīng)驗(yàn)積累。基于豐富的壽命管理經(jīng)驗(yàn)，考慮到鋁合金材料疲勞壽命曲線的特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)水平，我司確定了鍛造鋁裙的強(qiáng)制報(bào)廢企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即使結(jié)構(gòu)尺寸和無(wú)損探傷滿足檢修規(guī)程要求，一旦達(dá)到報(bào)廢條件，便不再進(jìn)行檢修。

4 結(jié)論

1）針對(duì)船用柴油機(jī)活塞常見(jiàn)故障，研究其失效模式、失效機(jī)理以及改進(jìn)措施，針對(duì)性的解決了薄弱部位壽命問(wèn)題，可滿足使用要求。

2）對(duì)于活塞的定壽管理研究給出了清晰的技術(shù)路線，從仿真分析、試驗(yàn)測(cè)試到線路考核，介紹了完整的流程和較為全面的內(nèi)容方法。積累大量的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，建立仿真分析、試驗(yàn)測(cè)試與線路考核間的相互驗(yàn)證關(guān)系，利用考核結(jié)果修正仿真計(jì)算和試驗(yàn)評(píng)估模型，是將來(lái)重點(diǎn)研究方向。

3）船用中速柴油機(jī)活塞的增壽研究相對(duì)較少，隨著柴油機(jī)負(fù)荷率以及強(qiáng)化系數(shù)的不斷提高，既有活塞的承載能力逐漸接近極限，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)、規(guī)范維保以及再制造技術(shù)等措施，可以增加使用壽命，滿足市場(chǎng)需求。