喬云杰，譚勇敢，姚俊杰

（常州中車柴油機零部件有限公司，江蘇常州 213100）

0 引言

活塞是內燃發(fā)動機中的關鍵零部件，其工作環(huán)境極其復雜，不僅承受高溫、高壓和高速運動，還承受著高頻交變載荷。另外，也受著發(fā)動機的整體工作環(huán)境和工作狀態(tài)的影響。活塞的可靠性對內燃機整體穩(wěn)定運行具有關鍵影響作用，尤其隨著發(fā)動機功率密度的不斷提高，要求活塞具有高強度、高質量以及高可靠性。

國內外的專業(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個層次：1）基于工程應用經驗發(fā)生的故障或質量異常而開展的失效分析；2）對于新設計活塞的定壽研究；3）對正常使用活塞的延壽研究或維保研究。以下分別對3個方向的研究情況進行介紹。

1 柴油機活塞典型的失效癥狀及對策

1.1 燃燒室過燒

燃燒室部位的溫度是整個活塞溫度的最高部位，一般情況下，長期使用后會在表面產生燒蝕的痕跡，圖1和圖2是國內某300缸徑船用柴油機活塞由于過燒而導致開裂的失效照片[1]。

圖1 活塞燃燒室開裂

圖2 活塞避閥部位過燒

經過理化、性能以及失效分析，認為活塞燃燒室本身溫度較高，長期高負荷運行會導致避閥坑部位過燒，同時在閥坑的圓角處產生大的熱應力，逐漸產生微裂紋，裂紋不斷擴展后就會導致活塞頂開裂。

減少過燒的對策有2種方式：1）減少高溫燃氣傳導給活塞的熱量，通過在燃燒室面噴涂或激光熔覆熱障涂層可達到降低170 ℃的隔熱效果[2]；2）加速活塞的本身熱量的傳遞，通過調整燃燒室壁厚、改善冷卻油路以及提高冷卻油速度等均可實現此目的。

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柴油機活塞在運行近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，活塞裙部外圓整體運行磨合良好，但活塞頂積碳較嚴重，對環(huán)槽解剖后發(fā)現，第一環(huán)槽磨損非常嚴重，且圓周方向上分布不均，經過測量磨損量范圍達到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。

經過分析，認為該失效的原因有很多，如發(fā)動機負荷高、燃燒異常、空氣中有雜質、燃油及潤滑油中有雜質等；其中活塞燃燒室側有雜質的可能性非常大。另外該活塞已經超過運行1年的質保期。

通過加強整個柴油機的清潔度控制，按照操作說明正常使用，按照維保手冊進行保養(yǎng)，可有效避免此問題發(fā)生。

1.3 活塞裙開裂

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

圖5 鋁活塞裙開裂

圖6 鐵活塞裙開裂

對圖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，找到裂紋源后通過能譜儀檢測源區(qū)成分，最后確定由于鑄造過程原材料產生縮松，鍛造后無法完全消除，當存在于應力集中區(qū)域后發(fā)生疲勞開裂。圖6開裂可能的原因是產品設計時安全系數偏低或者材料本身存在缺陷，在長時間運行后產生疲勞裂紋。

針對活塞裙開裂的對策，一方面是加強產品制造過程中的質量控制，減少材料缺陷的產生，提高產品一致性；另一方面是改進產品設計，優(yōu)化結構，提高產品的安全系數。同時，加強產品運行過程中的檢查能夠有效控制失效導致的損失。

1.4 螺紋松脫

針對中低速柴油機活塞，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，在長時間使用過程中，螺紋副很容易發(fā)生松動失效。圖7是2013年前后某柴油機活塞在運行了1年半到2年的時間后發(fā)生了螺母松脫的情況，圖8是MAN28/32、23/30等系列活塞發(fā)生的悶塞意外松動的示意圖，大多情況下是在運行5年或者20 000 h運行后被發(fā)現的[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：活塞螺栓沒有發(fā)生頸縮現象，在與螺母的連接部位螺紋被拉毛，且發(fā)生了折彎；經過分析，認為該活塞的連接螺紋型號為粗牙，自鎖能力較差，在較長時間的使用后在交變應力作用下，逐步發(fā)生了松脫。圖8的松動經過主機廠與活塞供應商的分析，認為是由于用于緊固悶塞的膠水老化導致的。

針對該活塞的螺紋，將其從粗牙優(yōu)化設計改為細牙后，未再發(fā)生螺紋松脫的現象。MAN公司在新的柴油機上采用了更強力的膠水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。

以上均是針對活塞在實際運用暴露出的失效故障，通過失效分析，確定問題發(fā)生的原因，進而針對性的提出改進措施或對策，從而提高了活塞的可靠性，達到甚至超越預期壽命。

2 活塞的定壽研究

活塞的壽命是指在正常工作條件下，產品能夠持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮正常功能的時間，其與活塞的質保周期息息相關。相對于失效分析研究，活塞壽命的研究對于活塞的運用更具有指導作用。理論上講，只有活塞發(fā)生故障后才能確定其壽命，而由于產品個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，如何在產品批量使用前來確定它的壽命則更加復雜。新造或改進的柴油機活塞可以參照以下路徑開展定壽研究。本文重點對仿真分析、試驗測試和線路考核進行詳細介紹?；钊▔垩芯康募夹g路線見圖9。

圖9 活塞定壽研究的技術路線

2.1 仿真分析

隨著三維仿真技術以及有限元分析軟件的發(fā)展與運用，其對活塞可靠性研究的起著越來越重要的作用，其分析流程如下：利用Pro’E、UG和Catia等設計軟件完成活塞的三維造型，然后將此造型導入ANSYS、Abaqus等有限元分析軟件，將活塞、活塞銷、連桿以及組合活塞內部各零件增加約束，考慮到溫度場、燃燒室壓力、內部應力以及熱機耦合后的載荷，設置好相關零件的材料參數及運動參數，通過有限元計算，便可以得到活塞的應變和應力圖，活塞的溫度分布、最大變形和最大應力也能得出。通過最大應力與材料的屈服強度比較，可以得到零件或某區(qū)域的安全系數。當施加載荷為高周循環(huán)載荷時，可以得到高周疲勞應力，與材料疲勞強度比較，能夠得出零件的疲勞壽命。

圖10 為某活塞在最大壓力負荷下各部位的應力分布，此時活塞銷是最危險的零件，針對活塞其活塞銷孔上部靠近開檔處應力最大，此部位安全系數最低[6]。圖11 是針對同一活塞設計的2種不同冷卻結構的溫度分布圖，通過比較，采用盲孔冷卻結構的最高溫度較低，且溫度梯度變化更平緩。

圖10 活塞最大壓應力下的應力分布

圖11 2種結構方案活塞的溫度分布

2.2 試驗測試

活塞樣件制造出并經過尺寸、材料性能和化學成分等常規(guī)檢測后，還需要結合其壽命要求做各種試驗測試，包括環(huán)槽強化工藝匹配磨損測試、活塞靜強度應力測試、活塞殘余應力測試、活塞快速壽命試驗、活塞機械動態(tài)疲勞測試、單缸機試驗和整機臺架試驗等。

針對普遍存在的活塞環(huán)槽磨損嚴重問題，采用MPX-2000盤銷式摩擦磨損試驗機對采用不同強化工藝的活塞環(huán)槽進行對比試驗，從而選取磨損量最少的環(huán)槽強化方案[7]。

圖12是我司采用WS-3811型動、靜態(tài)多功能應變儀，通過切割法對某組合活塞鋁裙的殘余應力進行測試，控制活塞的殘余應力對其疲勞壽命有正影響。圖13是MAHLE公司利用動態(tài)疲勞設備測試活塞的疲勞壽命[8]，主要是對活塞材料及結構在機械交變載荷下疲勞壽命進行驗證。中國船舶集團第七一一研究所針對缸徑為270的某新型高強化柴油機活塞，通過了1.5倍爆發(fā)工況的疲勞強度考核試驗，對活塞銷孔、頂裙結合面以及活塞裙等薄弱部位進行驗證，通過了耐久疲勞考核[9]。中車大連機車研究所利用IST活塞壽命快速試驗裝置對某鋼頂鋁裙組合活塞的鋁裙銷孔部位疲勞開裂進行了驗證[7]，裝置見圖14；采用高頻感應加速熱疲勞試驗裝置（見圖15）借鑒英國機車柴油機驗收試驗的方法和經驗，通過1 500個加速熱疲勞壽命試驗循環(huán)，驗證活塞頭的熱疲勞壽命滿足正常工作2.5年以上[10]。

圖12 活塞殘余應力測試

圖14 活塞壽命快速試驗裝置

圖15 加速熱疲勞試驗裝置

中國船舶集團第七一一研究所和中國北方發(fā)動機研究所等都有單缸機試驗設備，可以根據活塞的缸徑及行程開發(fā)單缸機用于對活塞進行試驗，單缸機工況與整機基本一致，是可靠性非常高的試驗驗證手段，通過單缸機試驗可以測試活塞的溫度場、活塞與環(huán)及缸套的磨合情況、進一步驗證仿真分析后薄弱部位的磨損情況，評估預測活塞疲勞壽命。以上試驗考核通過后，就進入整機考核，對于小缸徑或缸數較少的柴油機，以及不具備單缸機條件的生產廠家，可以直接用整機做臺架試驗。

臺架試驗考核包括可靠性試驗和耐久性試驗，按照JB/T 9773—1999和JB/T 51127—1999標準的要求，試驗時間至少是1 000 h，試驗后對樣件拆檢，檢查整機的磨損和損壞情況，發(fā)現問題時要精密測量活塞、活塞環(huán)和活塞銷等零件。

2.3 線路考核

柴油機的使用環(huán)境、使用工況不同，對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際運用考核，此時裝機量不宜過多。

在機車柴油機活塞領域，國內外對定壽管理具有大量的工程應用經驗，也有明確的活塞壽命要求，如：國內DF系列內燃機車活塞的壽命為運行30萬公里（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年左右從國外引進的HX系列內燃機車活塞的壽命為90萬公里（約12 000 h），制約其壽命的主要是活塞裙的疲勞開裂失效。經過多年的運用考核，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）對薄弱結構或材料的優(yōu)化改進，提高產品本質壽命；2）規(guī)范維修保養(yǎng)，延長整體運用壽命；3）利用再制造技術，延長個體使用壽命。

3.1 提高產品本質壽命

1）既有產品的匹配副協(xié)同提升?；钊h(huán)槽表面強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，增加儲油和潤滑功能，可提升活塞外圓的磨損壽命。

2）材料缺陷的等級優(yōu)化提升。針對鍛造活塞，提高材料等級、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裂；針對鑄造鐵活塞，通過優(yōu)化澆注工藝，控制熔煉過程，可減少疏松、夾雜以及冷隔等材料缺陷，提升疲勞壽命；針對鋁活塞材料，在熔煉過程中增加精煉時間，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，能夠對缺陷等級進行評定，確保材料滿足使用要求。

3）結構優(yōu)化提升。通過運用考核，對發(fā)現的壽命薄弱區(qū)域優(yōu)化改進，可有效提升產品壽命。如針對銷孔的磨損情況采用內大外小的喇叭口形狀改善受力情況，減少表面壓力；針對頂裙裝配面的微動磨損情況，優(yōu)化活塞裙內支撐面的型線，可改善磨損效果；根據活塞外圓的磨合情況，優(yōu)化型線和橢圓輪廓，增加表面微觀儲油槽，可減少磨損；針對活塞過熱或過燒情況，改善冷卻結構，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公司給出的柴油機維護說明書中明確規(guī)定了活塞的檢修周期和檢修內容，如24 000 h后對活塞進行狀態(tài)檢查，規(guī)定如果環(huán)槽超限，活塞頂必須報廢；滬東重機股份有限公司針對PA6活塞制訂了維保手冊，明確了6 000 h后檢修的內容和報廢標準，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孔尺寸檢查等內容，為保證產品可靠運行提出了更換建議。通過定期的檢修，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

PA6活塞、EMD機車活塞，在環(huán)槽超限后可以通過將環(huán)槽車大再配以厚度增加的活塞環(huán)來實現活塞的增壽；GE公司的7FDL柴油機活塞，其銷套底孔分為3個等級，確?；钊逛N孔超差后可以通過更換銷套達到延壽目的；Laser Cladding Singapore公司，采用了激光熔覆技術對某缸徑為200 mm的船用柴油機活塞進行了環(huán)槽修復，從而延長使用壽命；采用補焊或者鍍鉻的方法修復低速機活塞頭環(huán)槽已經具有幾十年的工程應用經驗。

增壽研究同時也要考慮到活塞的可靠性和匹配性，為了在安全性與經濟性平衡，需要做大量工程經驗積累?；谪S富的壽命管理經驗，考慮到鋁合金材料疲勞壽命曲線的特點以及國內基礎工業(yè)水平，我司確定了鍛造鋁裙的強制報廢企業(yè)標準，即使結構尺寸和無損探傷滿足檢修規(guī)程要求，一旦達到報廢條件，便不再進行檢修。

4 結論

1）針對船用柴油機活塞常見故障，研究其失效模式、失效機理以及改進措施，針對性的解決了薄弱部位壽命問題，可滿足使用要求。

2）對于活塞的定壽管理研究給出了清晰的技術路線，從仿真分析、試驗測試到線路考核，介紹了完整的流程和較為全面的內容方法。積累大量的工程應用經驗，建立仿真分析、試驗測試與線路考核間的相互驗證關系，利用考核結果修正仿真計算和試驗評估模型，是將來重點研究方向。

3）船用中速柴油機活塞的增壽研究相對較少，隨著柴油機負荷率以及強化系數的不斷提高，既有活塞的承載能力逐漸接近極限，通過優(yōu)化改進、規(guī)范維保以及再制造技術等措施，可以增加使用壽命，滿足市場需求。