柴油機(jī)活塞開裂故障分析及改進(jìn)

馬燕燕，崔凱，張金芳，劉蒙，黃鵬

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將燃料燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能[1-3]，其頂面的高溫燃?xì)怆S曲軸轉(zhuǎn)角瞬時(shí)變化，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2000～2500 ℃，導(dǎo)致活塞頂面溫度較高，工作環(huán)境惡劣?；钊诠ぷ髦袀鬟f動(dòng)力、密封燃燒室內(nèi)氣體，其在氣缸內(nèi)高速滑動(dòng)，承受周期性變化的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，存在低周疲勞和高周疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)，且活塞與缸套、活塞環(huán)、活塞銷相互作用，各種摩擦副產(chǎn)生摩擦熱，若冷卻不及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致活塞開裂、活塞環(huán)卡滯、拉缸、咬銷、燒傷等故障?；钊前l(fā)動(dòng)機(jī)中最易失效的零部件，一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)失效。

柴油機(jī)升功率不斷提升，已接近同排量汽油機(jī)升功率水平，部分輕型柴油機(jī)升功率可達(dá)40～90 kW/L，活塞頂面的燃?xì)鉁囟仍絹碓礁遊4-7]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)降低油耗和國六排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，輕型柴油機(jī)爆發(fā)壓力增大，活塞頂面承受的壓力也越來越大。在極端工況下，如冷熱沖擊試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)溫度變化較大，活塞存在低周疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn)；高負(fù)荷耐久試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和機(jī)械負(fù)荷均較大，活塞存在高周疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn)，若溫度超過活塞的承受溫度，可能導(dǎo)致熔頂故障。為應(yīng)對活塞惡劣的工作環(huán)境、增大活塞強(qiáng)度，中、重型柴油機(jī)普遍采用鋼活塞，以承受更高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，但鋼活塞材料成本高，采用分體鑄造后再進(jìn)行焊接制造工藝，制造成本遠(yuǎn)大于鋁活塞，不適用于輕型柴油機(jī)，且鋼活塞的質(zhì)量較大，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中會(huì)消耗更多發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，使柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性下降，只有爆發(fā)壓力超過20 MPa時(shí)才考慮采用鋼活塞。所以高功率輕型柴油機(jī)鋁活塞的可靠性問題有待進(jìn)一步研究。

本文中針對某高爆壓、高功率國六輕型柴油機(jī)鋁活塞在開發(fā)過程中出現(xiàn)的開裂故障，從試驗(yàn)工況，活塞熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，活塞材料的成分、金相、硬度等方面，綜合分析故障原因，提出具體改進(jìn)措施，對活塞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 故障現(xiàn)象

某輕型柴油機(jī)耐久試驗(yàn)進(jìn)行800 h后，拆檢發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)第1缸活塞頂面出現(xiàn)裂紋，所有氣缸的活塞頭部積碳嚴(yán)重，活塞內(nèi)腔變色嚴(yán)重，變色延伸至活塞銷孔位置，活塞銷輕微磨損，缸套網(wǎng)紋磨損，故障現(xiàn)象如圖1所示。

a)第1缸活塞開裂 b)活塞頭部積碳 c)活塞內(nèi)腔變色 d)缸套網(wǎng)紋磨損

圖1中活塞裂紋在活塞燃燒室與排氣門避閥坑相交處，活塞銷孔方向。從故障現(xiàn)象初步判斷活塞開裂是機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷綜合作用導(dǎo)致。

2 故障原因分析

活塞開裂類型較多，失效原因較復(fù)雜，根據(jù)試驗(yàn)拆檢情況及故障現(xiàn)象，從試驗(yàn)工況、活塞熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷、活塞材料及活塞冷卻能力等方面排查導(dǎo)致活塞開裂的原因。

2.1 試驗(yàn)工況

國六輕型柴油機(jī)與國五輕型柴油機(jī)使用相同的活塞，國五輕型柴油機(jī)在耐久試驗(yàn)中未發(fā)生活塞開裂及內(nèi)腔變色。對比國五、國六輕型柴油機(jī)的差異及耐久試驗(yàn)后活塞狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，國五柴油機(jī)無廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)系統(tǒng)，國六柴油機(jī)裝配EGR系統(tǒng)，國六柴油機(jī)的進(jìn)氣溫度高于國五柴油機(jī)。通過對比初步判定國六柴油機(jī)的活塞頂面溫度高于國五柴油機(jī)，熱負(fù)荷高導(dǎo)致活塞疲勞開裂。

國六柴油機(jī)活塞頭部積碳較多，通過檢測活塞環(huán)磨損發(fā)現(xiàn)，氣環(huán)與油環(huán)的磨損均比國五柴油機(jī)大，特別是油環(huán)磨損嚴(yán)重，活塞環(huán)磨損檢測結(jié)果如表1所示。由表1可知：油環(huán)磨損是2道氣環(huán)磨損之和的2～6倍，油環(huán)磨損后，活塞環(huán)面壓力降低，活塞環(huán)下行時(shí)無法將潤滑油刮干凈，增加潤滑油損耗，導(dǎo)致活塞頭部積碳，積碳產(chǎn)生的顆粒物進(jìn)一步加劇活塞環(huán)磨損，形成惡性循環(huán)。

表1 活塞環(huán)磨損檢測結(jié)果 mm

綜上分析可知：帶EGR系統(tǒng)的國六柴油機(jī)缸內(nèi)燃?xì)鉁囟容^高，導(dǎo)致活塞頂面溫度升高，且EGR加劇活塞環(huán)磨損，因此需提升活塞環(huán)鍍層材料的耐磨性。

2.2 活塞熱負(fù)荷

活塞的熱邊界包括3部分：1)活塞燃燒室及頂面與高溫燃?xì)獾膶α鲹Q熱系數(shù)和平均溫度；2)活塞、缸套、活塞環(huán)的對流換熱系數(shù)和平均溫度；3)活塞冷卻噴嘴對活塞內(nèi)冷油道的對流換熱系數(shù)和平均溫度。采用燃燒分析軟件，計(jì)算得到活塞燃燒室及頂面與高溫燃?xì)獾膶α鲹Q熱系數(shù)和缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化如圖2所示。

a)對流換熱系數(shù) b)缸內(nèi)溫度

采用有限元分析軟件ABAQUS對活塞進(jìn)行溫度場仿真，通過熱機(jī)耦合法建立活塞仿真模型。活塞燃燒室的高溫燃?xì)馀c活塞的熱交換是周期性變化的[8-11]，一般采用穩(wěn)態(tài)邊界仿真分析活塞燃燒室及頂面與高溫燃?xì)獾钠骄鶎α鲹Q熱系數(shù)和平均溫度，曲軸轉(zhuǎn)角0～720°對應(yīng)的平均對流換熱系數(shù)

式中：φ為曲軸轉(zhuǎn)角,°;α為活塞燃燒室及頂面與高溫燃?xì)獾膶α鲹Q熱系數(shù),W/(m2·K)。

曲軸轉(zhuǎn)角0～720°對應(yīng)的缸內(nèi)平均溫度[12-14]

式中：T為缸內(nèi)溫度，K。

活塞內(nèi)冷油道、活塞環(huán)岸、活塞裙部、活塞內(nèi)腔等不同位置分別按照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置不同的溫度邊界和對流換熱系數(shù)。

活塞有限元模型由活塞、部分連桿小頭和活塞銷3部分組成，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，溫度場計(jì)算采用DC3D10單元類型，強(qiáng)度計(jì)算通常采用C3D10M單元類型[15-17]。網(wǎng)格劃分需關(guān)注細(xì)節(jié)，對開裂位置的網(wǎng)格細(xì)化處理，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。活塞有限元模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 活塞有限元模型網(wǎng)格劃分 圖4 額定轉(zhuǎn)速下活塞溫度場仿真結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)工況選擇計(jì)算工況，分別計(jì)算大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(1400 r/min)和額定轉(zhuǎn)速(3000 r/min)2個(gè)工況，得到大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的活塞溫度場，結(jié)果顯示額定轉(zhuǎn)速下活塞熱負(fù)荷更高，其仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：活塞溫度分布不均勻，最高溫度為307 ℃，位于活塞頂面與排氣門避閥坑相交處。高功率國六輕型柴油機(jī)活塞頂面和喉口熱負(fù)荷均較大。

2.3 活塞機(jī)械負(fù)荷

活塞在氣缸中作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，受力包括4部分[18-20]：1)活塞頂面受周期性變化的氣體爆發(fā)壓力的直接作用，使活塞產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和變形；2)活塞的往復(fù)慣性力；3)活塞在上、下止點(diǎn)換向時(shí)受到側(cè)向力作用，活塞銷孔偏置導(dǎo)致側(cè)向力不同；4)活塞銷、活塞環(huán)、缸套對活塞的摩擦力，這部分力較小，可忽略不計(jì)。通過仿真計(jì)算得到活塞在額定轉(zhuǎn)速下的最大爆發(fā)壓力、最大加速度分別為131.86 kN、10.07 km/s2。

約束連桿小頭，在活塞頂面施加最大爆發(fā)壓力，活塞銷和活塞施加往復(fù)加速度，通過有限元仿真額定轉(zhuǎn)速下的活塞應(yīng)力，計(jì)算活塞的疲勞強(qiáng)度，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：危險(xiǎn)位置在活塞內(nèi)部進(jìn)油孔外，活塞燃燒室最小安全系數(shù)為1.14，滿足設(shè)計(jì)要求，與開裂位置并不對應(yīng)。

圖5 活塞疲勞強(qiáng)度

2.4 活塞材料

2.4.1 裂紋源分析

從活塞開裂部位取樣進(jìn)行電鏡分析，發(fā)現(xiàn)活塞為疲勞開裂，裂紋源起于排氣門避閥坑倒角處，裂紋源未見明顯缺陷，電鏡分析結(jié)果如圖6所示。

a)裂紋源取樣 b)裂紋源電鏡分析圖

2.4.2 活塞金相分析

活塞燃燒室金相組織為細(xì)小的α-Al，化合物相，短條狀共晶硅，部分塊狀初晶硅，分布均勻，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖7a)所示；但活塞燃燒室和排氣門避閥坑倒角處存在加工毛刺，導(dǎo)致應(yīng)力集中，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，如圖7b)所示。

a)活塞燃燒室處金相組織 b)活塞裂紋源處金相組織

2.4.3 活塞材料硬度分析

沿活塞銷孔直徑處取樣進(jìn)行硬度檢測，1～4號測點(diǎn)分布如圖8所示。1～4號測點(diǎn)殘余硬度衰減比例依次為：26%、28%、25%、28%。由于硬度檢測存在一定誤差，從結(jié)果看活塞喉口和頂面相差不大，活塞殘余硬度衰減正常，滿足要求。

圖8 活塞硬度檢測點(diǎn)分布

2.5 活塞冷卻能力

2.5.1 活塞冷卻噴嘴打靶試驗(yàn)

活塞冷卻噴嘴流量和打靶效率直接影響活塞冷卻能力，對4個(gè)氣缸的活塞冷卻噴嘴進(jìn)行打靶試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表2可知：第1缸活塞的冷卻能力比其他活塞差。冷卻能力差是活塞開裂的原因之一。

表2 活塞冷卻噴嘴打靶檢測結(jié)果

2.5.2 機(jī)油壓力

機(jī)油壓力影響活塞噴嘴流量，間接影響活塞冷卻能力，機(jī)油壓力低易導(dǎo)致拉缸化瓦等故障。測量結(jié)果顯示機(jī)油壓力正常。

通過以上分析，活塞開裂的主要原因?yàn)椋?)活塞燃燒室和排氣門避閥坑相交處存在尖角，導(dǎo)致應(yīng)力集中，成為開裂源；2)第1缸活塞冷卻噴嘴流量最小，活塞熱負(fù)荷高于其他幾缸；3)帶EGR系統(tǒng)的國六柴油機(jī)燃燒條件變化，缸內(nèi)溫度高，活塞溫度明顯升高，強(qiáng)度接近限值，雖然最小安全系數(shù)不在避閥坑開裂位置，但高溫導(dǎo)致整個(gè)活塞可靠性降低。國六柴油機(jī)燃?xì)鉁囟雀邔?dǎo)致活塞頂面溫度升高問題不可避免，但可以通過提升活塞材料強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 優(yōu)化措施

3.1 優(yōu)化燃燒室形狀

由于活塞燃燒室和排氣門避閥坑相交處為直角，去除邊緣位置毛刺較困難?？蓪⒒钊紵液团艢忾T避閥坑相交處修改為圓角，保證相交處的角度大于120°，這樣就不需要作毛刺處理。優(yōu)化后活塞燃燒室和排氣門避閥坑相交處形狀如圖9所示，優(yōu)化前的燃燒室如灰色所示，優(yōu)化后的燃燒室如綠色所示。優(yōu)化前后活塞燃燒室容積變化為0.1 mL，變化較小，在可接受范圍。

圖9 優(yōu)化后燃燒室和避閥坑相交處形狀

3.2 增大活塞冷卻噴嘴流量

增大活塞冷卻噴嘴管徑，噴嘴外機(jī)油的體積流量從2.8 L/min增大至3.5 L/min，加強(qiáng)活塞冷卻能力，降低活塞頂面及內(nèi)腔溫度。

3.3 提升活塞材料強(qiáng)度

目前活塞熱處理工藝為T5時(shí)效處理，將活塞毛坯淬火后在時(shí)效爐中進(jìn)行時(shí)效處理。為提升活塞材料強(qiáng)度，對活塞進(jìn)行T6時(shí)效處理，先將活塞毛坯固溶處理后再進(jìn)行時(shí)效處理。優(yōu)化后對活塞試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度分析，抗拉強(qiáng)度提高約10%?；钊牧闲阅苓M(jìn)一步提高，適用于爆發(fā)壓力大于18 MPa的柴油機(jī)。

3.4 驗(yàn)證優(yōu)化效果

首先測試活塞優(yōu)化后柴油機(jī)的性能，其排放、油耗、功率、轉(zhuǎn)矩幾乎無變化，性能滿足要求?；钊麅?yōu)化后進(jìn)行多次柴油機(jī)耐久試驗(yàn)，拆機(jī)檢測均未發(fā)現(xiàn)活塞開裂問題，活塞內(nèi)腔變色情況改善，改進(jìn)措施有效，優(yōu)化后活塞頂面、內(nèi)腔情況如圖10所示。

a)活塞頂面 b)活塞內(nèi)腔

4 結(jié)論

1)通過分析活塞耐久試驗(yàn)工況、活塞熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷、活塞冷卻能力等因素，結(jié)合有限元仿真軟件計(jì)算活塞溫度場和疲勞強(qiáng)度，分析某高功率國六輕型柴油機(jī)耐久試驗(yàn)鋁活塞開裂的故障原因?yàn)榛钊紵液团艢忾T避閥坑相交處存在應(yīng)力集中區(qū)域，柴油機(jī)高溫燃?xì)饧盎钊鋮s噴嘴流量小導(dǎo)致活塞頂面溫度高，可靠性降低。

2)為降低活塞頂面溫度、提高活塞強(qiáng)度，改進(jìn)燃燒室形狀、增大活塞冷卻噴嘴流量、優(yōu)化活塞熱處理工藝，解決了柴油機(jī)鋁活塞開裂故障。

3)在開發(fā)高爆壓、高功率柴油機(jī)時(shí)應(yīng)關(guān)注設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，避免活塞頂面和燃燒室等高溫區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中。鋁活塞的可靠性是柴油機(jī)性能提升的瓶頸，開發(fā)新型耐高溫的鋁活塞成為解決柴油機(jī)活塞開裂失效問題的關(guān)鍵。