柴油机活塞销孔开裂分析与优化

柴油机活塞销孔开裂分析与优化

0发动机排放、活性和效率问题本用汽车具有广阔的功率、高效率和低能耗的优点。它主要位于船舶、船只和其他海上设备中，不受取代。中、低速柴油机活塞通常采用铸铁、锻钢材料,中、高速柴油机广泛采用铝合金材料为应对全球环境污染问题,国际海事组织(internationalmaritimeorganization,IMO)自2016年开始强制实施IMOTierⅢ排放标准,对船用柴油机提出了更高的要求。随着发动机低排放、高功率的要求,发动机爆发压力和功率不断提高,活塞承受的机械负荷和热负荷不断增加,活塞销孔-活塞销是发动机工作环境最恶劣的摩擦副之一,销孔接触压力不断提高,容易发生磨损、咬合、疲劳开裂等失效问题。活塞销孔异形结构可以适应活塞和活塞销的变形,改善销孔接触压力分布,提高销孔的承载能力,防止应力集中、干摩擦和疲劳开裂针对某船用柴油机活塞销孔开裂问题,从活塞材料和设计角度出发,分析导致销孔开裂的根本原因,提出优化销座结构并增加销孔形线的改进措施,利用有限元分析软件对优化前后活塞进行对比,结果表明达到了优化的目的,并通过试验验证了改进措施的有效性。1控制阀效全面损伤某船用柴油机型式为V型、六缸、四冲程、增压中冷,其主要技术参数如表1所示。该发动机在台架试验后拆检,发现第1、6缸活塞销孔上方轻微开裂,第4缸活塞环拉伤气缸套,造成活塞卡滞后从活塞销孔位置开裂,如图1所示,开裂位置位于销孔上方,燃烧室被击穿,内腔机油结焦,头部和裙部外圆拉伤,检查各缸的连杆未发现烧瓦现象,曲轴轴颈及机体均无损坏,冷却系统和润滑系统无明显异常,活塞未发现高温现象,检查发动机其他缸未发现拉缸现象。2应力开裂严重破裂活塞销孔开裂形式主要有两种:一种是疲劳开裂,虽然销孔承受的应力低于材料的屈服点,但在交变应力作用下,经过长时间的工作而产生裂纹导致销孔开裂;另一种是应力开裂,销座和销孔设计不合理或者工艺存在缺陷造成销孔处受力不均匀产生应力集中而发生开裂将失效活塞沿裂纹延伸面打开,如图2所示,开裂位置位于销孔上方,裂纹贯穿到燃烧室底部造成穿孔。裂纹源位于活塞销孔上侧面与内侧销座的倒角处,裂纹自起始位置扩展至燃烧室底部,燃气沿裂纹将燃烧室底部与内冷油道较薄弱处击穿,并在内冷油道的狭小空间内剧烈燃烧形成热熔孔洞,燃气继续沿裂纹下行,导致部分位置发黑,燃气下串后活塞出现拉缸。2.1残余硬度和显微组织为确认活塞开裂原因,利用能谱仪对1缸、6缸、4缸活塞开裂部位进行化学成分检测分析。化学成分质量分数如表2所示。由表2可知,失效部位化学成分符合材料的标准要求。利用布氏硬度计测量失效部位材料的残余硬度,结果如表3所示,符合材料的硬度要求。利用金相显微镜检测失效部位材料的显微组织如图3所示。由图3可知,基体显微组织三级,利用电子显微镜确定裂纹源区域,如图4所示。由图4可知,铝合金纤维组织均匀致密,未见明显的缩松、氧化物夹杂等铸造缺陷。经检测分析,失效部位的化学成分、理化特性都符合活塞材料的设计要求,电镜分析未发现明显的铸造缺陷,计算活塞销孔比压为58.8MPa,小于活塞销孔许可承载能力60MPa,需从其他方面分析销孔开裂原因。2.2销孔外侧接触压力分析活塞和活塞销的受力变形趋势如图5所示。由图5可知,销孔上侧面应力沿销孔轴线分布不平衡,出现应力梯度,销孔内侧靠近内侧销座一侧接触压力明显高于销孔外侧。综上所述,活塞销孔开裂的主要原因为销孔上侧面接触压力分布不均,尤其内侧在机械载荷和热载荷的耦合作用下局部产生接触应力峰值,导致应力开裂。3重新设计组合结构活塞销孔开裂的根本原因为销孔上侧面内侧在机械载荷和热载荷的耦合作用下产生接触应力峰值,根据失效原因制定优化改进方案,通过优化活塞销座结构并增加销孔形线以改善活塞销孔的接触压力分布。3.1刚性虚实结构活塞销座是活塞销孔的承载体,决定了销孔的承载能力,为增加销座强度防止开裂,一般设计为刚性实心结构。此活塞原设计为刚性直销座S3.2异形销孔结构由于活塞销座刚性的提高,对活塞销变形的适应性降低,导致销孔表面接触压力分布不均,出现压力峰值。异形销孔结构能够适应活塞销的弯曲变形,有效减少活塞销孔应力集中,优化活塞销孔表面的接触压力分布,提高销座的承载能力及销孔的可靠性。原活塞销孔结构(P3.3压缩剂的优化为节省试验成本和时间,利用有限元计算对活塞优化方案进行评估,选出适应活塞销孔变形的最优方案。3.3.1有限模型将销座结构S3.3.2缸套与螺栓的温度分布模拟根据发动机的运行工况,活塞温度近似处于稳定的温度场,采用第三类边界条件通过周围介质温度和换热系数模拟活塞的温度分布,缸套和连杆小头的下端竖直方向采用固定的约束,活塞与缸套、活塞与活塞销、活塞销与连杆之间建立接触关系,模拟的活塞温度场施加到活塞组件上,同时考虑活塞热负荷和机械负荷耦合应力的共同作用,分析计算得到活塞销孔接触压力。销座结构S活塞销孔的承载能力与活塞温度也有一定的关联,温度越低销孔承载能力越高。将销座结构S分析S3.4动机安装s发动机安装S4销孔磨损、开裂1)通过有限元分析对比,设计优化的阶梯销座+双侧二次曲线异形销孔结构方案,销孔比压明显降低,销孔接触压力幅值分布更均匀、疲劳系数更高,试验后活塞整体贴合状态良好,该优化