鄭洪國 王玉潔 成凱

濱州渤海活塞有限公司 山東濱州 256602

1 疲勞累積損傷理論

在采用名義應(yīng)力法實施疲勞計算中，通過對大量修正系數(shù)的查閱進行對其支撐，這些修正系數(shù)自身的獲取難度一般比較高，需要采用反復(fù)驗證，從而對修正系數(shù)的獲取產(chǎn)生抑制。但是從整體上來講，這種方法計算比較簡單并且很容易實現(xiàn)。局部應(yīng)變法中，應(yīng)力由于過于集中，這是造成零件疲勞失效的主要原因。所以，局部應(yīng)變法主要使用在對局部應(yīng)力過大或者集中情況的計算中，特別是在低周疲勞壽命的預(yù)測中比較適宜。在實際當(dāng)中，零件所受到的荷載幅度一般有著很大的波動性，并且有一定的規(guī)律性和不規(guī)律的特點[1]。

2 活塞組的力學(xué)分析

內(nèi)燃機采用氣缸當(dāng)中的氣體壓力來對自身動力源進行獲取，但是，氣體壓力的出現(xiàn)不能只依賴于噴油燃燒來實現(xiàn)，同時需要和燃燒爆炸對外做功結(jié)合起來完成。曲柄連桿結(jié)構(gòu)在氣體壓力的作用當(dāng)中實現(xiàn)循環(huán)運動，但是這種運動所產(chǎn)生的速度和方向都會產(chǎn)生變化，所以不是穩(wěn)態(tài)運動，因此其慣性力通常會受到速度以及方向所產(chǎn)生的變化來改變。并且，曲軸有著非常高的旋轉(zhuǎn)速度，所釋放的慣性力比較大，對于機構(gòu)整體受力和運動狀況有著一定的影響。所以，在有效分析過程中需要對這部分因素加強重視。

2.1 缸內(nèi)氣體壓力

缸內(nèi)氣體壓力的產(chǎn)生一般需要通過三個過程實現(xiàn)：第一，混合狀態(tài)可燃氣體一般要急劇燃燒；第二，采用這種急劇燃燒來對大量的熱能進行釋放并且產(chǎn)生爆炸；第三，采用爆炸所產(chǎn)生的動能，使得活塞可以向外做功。通過上述過程所產(chǎn)生的壓力會被曲柄轉(zhuǎn)角產(chǎn)生影響，其大小也會隨著轉(zhuǎn)角的變化而變化，但是對于這種變化不是無序的，屬于周期性的一種變化。

2.2 往復(fù)慣性力

由于活塞銷自身的移動方向和缸套軸線方向相同，因此在活塞銷上的慣性力也會隨著缸套軸線方向保持一致性，但是其和活塞銷的加速度方向相反[2]。

3 活塞銷的疲勞分析

失效是造成零件以及元器件和材料失效的一種物理或者化學(xué)過程，導(dǎo)致失效的原因主要有兩方面，分別是內(nèi)部和外部。在對失效模式研究時，一般首先從外部因素和失效表現(xiàn)方式入手，以此來對其隱蔽的內(nèi)在因素進行研究。每一種產(chǎn)品或者系統(tǒng)的組成都是有層次性的，失效原因同樣也有層次性，上個層次的失效原因通常就是下一層失效情況；低層次的失效情況一般就是本質(zhì)的失效原因。

在針對活塞銷疲勞分析當(dāng)中，一般需要通過六個步驟對其完成，按照這種流程所分析到的活塞銷失效原因主要有兩個方面：第一，原結(jié)構(gòu)當(dāng)中的活塞銷疲勞安全系數(shù)值小于許可疲勞安全值；第二，孔口的連接線和油孔位置是危險點較為集中的區(qū)域。所以，在活塞銷失效時，油孔孔口位置產(chǎn)生裂縫的幾率也是非常的大，同時會沿著軸線方向增大，和實際情況契合。

活塞銷孔出現(xiàn)裂縫的主要形式有兩種：第一是疲勞開裂，盡管活塞銷孔所承載的應(yīng)力小于材料屈服點，但是在交變應(yīng)力的作用下，在長期工作狀態(tài)下而產(chǎn)生裂紋，造成銷孔出現(xiàn)開裂的情況；另一種是應(yīng)力開裂，銷座和銷孔在設(shè)計中不合理，或者工藝有缺陷，這些就會導(dǎo)致銷孔位置應(yīng)力不均勻而出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，這樣也會造成開裂。通常，開裂位置在銷孔的上部，一直貫穿到燃燒室底部而導(dǎo)致穿孔。裂紋源于活塞銷孔上側(cè)面和內(nèi)側(cè)的銷座的倒角位置，裂紋從開始位置一直擴展到燃燒室的底部，燃氣沿著裂紋對燃燒室的底部和內(nèi)冷油道比較薄弱的位置直接擊穿，同時在內(nèi)冷油道較為狹小的空間當(dāng)中急劇燃燒而產(chǎn)生熱熔孔洞，燃氣往往會朝著裂紋下行，造成局部位置出現(xiàn)發(fā)黑，燃氣下串之后活塞也會產(chǎn)生拉缸。

改進方案的提出。通過上文的分析，本文明確了活塞銷失效的原因，并給出了通過降低油孔直徑來提高活塞銷安全系數(shù)的結(jié)論。但考慮到活塞銷導(dǎo)熱方面的因素，因此油孔直徑的取值不宜過小，否者會對其傳熱造成一定的干擾。

基于此，提出了以下幾點改進建議：第一，將油孔直徑設(shè)定為34mm；第二，降低內(nèi)孔和油孔表面的粗糙度；第三，提高抗拉強度。通過改進，活塞銷改進后的最小節(jié)點數(shù)量的比例為1.89，遠超出了原結(jié)構(gòu)的最小節(jié)點數(shù)量的比例，改進后的結(jié)果相對較好。同時，改進后的循環(huán)極限為7.41e5，亦超出了原結(jié)構(gòu)循環(huán)極限許多。第三，進行活塞失效分析，除需要詳細了解用戶的使用情況外，還需要對活塞和加工工藝的設(shè)計是否合理、機械加工尺寸是否符合圖紙要求、材料的性能是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和圖紙的要求這3 方面進行分析。因為活塞產(chǎn)品設(shè)計、加工工藝設(shè)計需經(jīng)過大量的理論驗證，圖紙需經(jīng)過多人次的校核、審核，所以很難直接從產(chǎn)品圖紙、加工工藝卡片中找到問題的根源; 而且在活塞機械加工過程中均需通過科學(xué)、嚴謹?shù)倪^程質(zhì)量控制手段對活塞的加工質(zhì)量進行把關(guān)，所以也很難直接從活塞的機械加工過程中找到失效的原因。與設(shè)計和機械加工過程相比，毛坯的制作過程中存在更多的不可預(yù)測影響因素，現(xiàn)有的控制、檢測手段無法杜絕材料出現(xiàn)缺陷的風(fēng)險，所以進行失效分析時，檢測材料的化學(xué)成分和金相組織非常有必要[3]。

4 結(jié)語

本文首先對于疲勞累積損傷理論等相關(guān)方面進行了分析，后續(xù)對活塞銷失效的原因進行了探討；其次，按照活塞銷疲勞失效對流程進行分析，并且對失效進行分析，獲得相應(yīng)的失效原因。按照失效原因，并且結(jié)合活塞銷熱傳遞因素，提出相應(yīng)的改進措施，以此來獲得良好的效果。