熊慶榮，李 楊

（中國燃氣渦輪研究院，四川 江油 621703）

活塞是在氣缸中往復(fù)運動，把功率不斷輸出的重要零件。活塞直接接觸高溫燃氣，高溫使活塞受熱膨脹而產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力，熱應(yīng)力和熱變形將影響活塞與缸套的正常潤滑，活塞與氣缸產(chǎn)生摩擦發(fā)熱使冷卻潤滑油劣化，導(dǎo)致活塞環(huán)發(fā)生粘著和燒結(jié)、活塞與氣缸咬合以及拉缸等。而活塞的熱應(yīng)力首先取決于活塞溫度和溫度梯度的分布，因此對活塞表面溫度和溫度梯度的準確測量尤為重要?；钊麥囟葴y量方法主要有兩大類：電測法（熱電偶、非接觸互感器測量方法和紅外遙測法）和非電測法（硬度塞法和易熔合金法）［1－2］。電測法要在活塞上布置熱電偶或熱敏電阻傳感器；非電測法中的易熔合金法測試時要在活塞上開孔，將不同熔點的合金嵌入孔中；硬度塞測法是將熱塞材料制成圓柱釘或螺釘，然后將圓柱釘過盈配合嵌入活塞測溫部位或?qū)⒙葆斝牖钊麥y溫部位。電測法中熱電偶、熱敏電阻傳感器、紅外探頭的安裝和信號的引出工作量大，不易操作；非電測法中的易熔合金法和硬度塞法會破壞活塞結(jié)構(gòu)，工作量大，也不易操作。上述方法測量的都是點的溫度，而采用示溫涂料測量，工作量小，操作簡單，并且不受測試位置的限制，不破壞被測試件表面，測試結(jié)果可直觀反映整個活塞表面溫度和溫度梯度，與電測法和非電測法相比具有明顯的優(yōu)勢。

1 示溫涂料選擇和校準

1.1 示溫涂料選擇

活塞材料為鋁合金，鋁合金完全退火溫度一般為390～420℃，熱模鍛溫度為420～475℃［3］，因此選擇一種單變色示溫涂料和一種多變色示溫涂料，單變色示溫涂料等溫線變色溫度為400℃［4］，多變色示溫涂料等溫線變色溫度為130～430℃范圍內(nèi)共7個變色溫度［5］?；钊砻鎸嶋H溫度的取得來源于示溫涂料的校準。

1.2 示溫涂料等溫線溫度校準

校準用的標準試片由厚度為δ＝2.0mm的不銹鋼板制成。校準標定電偶為鎧裝GH3030Ⅰ級Φ0.5的K型熱電偶。對標準試片表面進行吹砂清洗處理，在標準試片的一面噴涂示溫涂料，在另一面上布熱電偶，10min內(nèi)升溫到所需的最高溫度，恒溫3min后降溫。校準系統(tǒng)由PID調(diào)節(jié)儀、晶閘管模塊和大功率加熱設(shè)備組成可調(diào)電源，將標準試片當作電阻，通過調(diào)節(jié)電壓控制標準試片上的溫度。標準試片結(jié)構(gòu)簡圖與校準系統(tǒng)流程見圖1。

1.3 校準設(shè)備

1）示溫漆校準標定系統(tǒng)：常溫至1 500℃，綜合誤差小于±0.6%；

2）高精度溫度采集系統(tǒng)：誤差小于0.1%；

3）熱電偶：誤差為±0.4%。

單變色與多變色示溫涂料等溫線溫度校準結(jié)果見圖2。

2 試驗

2.1 試驗準備

首次試驗前對活塞表面進行吹砂、清洗和加溫烘烤干燥?？紤]活塞試件為鋁合金，其表面最高溫度極限為351.5℃［6］，因此首次試驗時選擇變色溫度為400℃的單變色示溫涂料，觀測活塞表面溫度是否高于400℃，以便確定下一步測試方案。由于活塞環(huán)槽部位要安裝活塞環(huán)，該部位未噴涂示溫涂料。第2次試驗時未對活塞表面進行吹砂處理和烘烤干燥。

2.2 試驗過程

測試發(fā)動機技術(shù)狀態(tài)見表1。冷卻風機吹風風向與發(fā)動機相對位置見圖3。

將活塞安裝在發(fā)動機上，在模擬試驗臺上進行試驗。試驗時發(fā)動機從低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速時間為10min，在最高轉(zhuǎn)速下工作3min［7］，然后降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速到停車，冷卻后分解進行溫度判讀。

表1 發(fā)動機技術(shù)狀態(tài)

3 測試結(jié)果及分析

3.1 活塞溫度測試結(jié)果

試驗分2次完成。首次試驗前活塞表面噴涂的單變色示溫涂料顏色見圖4a，試驗后對照圖2a單變色示溫涂料校準結(jié)果進行判讀?；钊敳勘砻姹环e炭污染（見圖4b），清除積炭后（見圖4c）從殘留的示溫涂料原始色可以看出其表面溫度小于400℃，活塞內(nèi)表面和活塞裙部表面溫度也小于400℃（見圖4d和圖4e），活塞裙部表面白色部分是汽油機活塞在高速運動中把示溫涂料沖刷掉，不能作為變色溫度判讀。由于活塞表面溫度小于400℃，因此選擇變色溫度低于400℃的多變色示溫涂料，變色溫度分別為130，165，215，295，325，385，430℃。

第2次試驗活塞表面噴涂的多變色示溫涂料顏色見圖5a，試驗后對照圖2b標準試片，清除積碳后判讀出活塞頂部表面溫度低于295℃（見圖5b），活塞內(nèi)頂部表面溫度也低于295℃（見圖5c），活塞內(nèi)裙部、活塞銷內(nèi)外部位表面溫度低于215℃（有部分示溫涂料被沖刷掉），內(nèi)裙部迎冷卻風機面溫度在165℃之下。圖5d中，活塞外裙部有部分示溫涂料被沖刷掉，從殘留的示溫涂料可以看出其表面溫度大部分低于165℃，另一側(cè)活塞外裙部示溫涂料測試結(jié)果低于215℃。圖5e中，活塞銷表面溫度低于215 ℃，另一側(cè)活塞銷表面溫度也低于215℃。

3.2 測試結(jié)果分析

本次試驗用熱電偶完成示溫涂料標準試片的校準標定，判讀結(jié)果精度在±10℃以內(nèi)。由于材料的熱慣性和高速循環(huán)作用，在工況穩(wěn)定的條件下，除受燃氣沖刷的表面，其他部件的表面溫度基本上是處于穩(wěn)定狀態(tài)，活塞頂部吸入的熱量大部分由活塞外側(cè)表面經(jīng)過活塞環(huán)、油膜、缸套等傳到冷卻油進行冷卻，所以活塞頂部溫度最高，其他部位溫度逐漸變低，測試結(jié)果符合傳熱規(guī)律。另外，有一側(cè)活塞裙部溫度較低（165℃以下），主要是外部冷卻風機和發(fā)動機冷卻機油共同作用的結(jié)果。

從第1次試驗與第2次試驗可以看出，第1次試驗除兩側(cè)裙部示溫涂料被沖刷掉外，其余部位示溫涂料均附著牢固，這是試驗前活塞表面吹砂和烘烤干燥的結(jié)果。第2次試驗活塞表面示溫涂料脫落較多，主要是試驗前活塞表面未進行吹砂處理和烘烤干燥，造成附著力較差，因此所有試驗件表面都應(yīng)吹砂處理后再噴涂示溫涂料并加溫烘烤干燥，以提高示溫涂料的附著力。

4 結(jié)論

a）用示溫涂料可以完成整個活塞的表面溫度及溫度場分布測量，與其他測量方法相比具有明顯的優(yōu)勢；

b）試驗前對活塞表面進行吹砂處理后再噴涂示溫涂料并烘烤干燥，可顯著提高示溫涂料的附著力；

c）采用等溫線標定判讀，測量精度高；

d）此方法對活塞不會產(chǎn)生任何損傷，測量簡單，效率高；

e）該汽油機若需更精確的測量，可選用295℃以下的其他品種的單變色或多變色示溫涂料。

［1］ 張志勇，黃榮華.發(fā)動機活塞溫度測量方法綜述［J］.柴油機設(shè)計與制造，2005（1）：19－23.

［2］ 楊 杰，張煜盛.二甲醚發(fā)動機活塞溫度的測量研究［J］.車用發(fā)動機，2007（3）：79－82.

［3］ 張守勇，魯立奇，鐘誠道，等.中國航空材料手冊第三卷［M］.北京：中國標準出版社，1998：15－21.

［4］ 熊慶榮，石小江，侯敏杰，等.基于等溫線辨識的單變色不可逆示溫漆及制造涂層的方法：中國專利，200910124282.5［P］.2012－03－14.

［5］ 熊慶榮，石小江，侯敏杰，等.基于等溫線辨識的七變色不可逆示溫漆及制造涂層的方法：中國專利，200910124284.4［P］.2012－03－14.

［6］ 王金元，趙春婕.ω型柴油機活塞溫度特性計算機模擬［J］.內(nèi)燃機配件，2009（3）：6－8.

［7］ Barna G，Brumm D，Anderson C.An Infrared Telemetry Technique for Making Piston Temperature Measurement［C］.SAE Paper 910051，1991.