張運(yùn)泰 霍英賢 張 龍 韋 虹

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)件，隨著近年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)爆發(fā)壓力的逐步提高，其承受的燃燒氣體壓力也越來(lái)越大。這就要求其本身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要能夠承受更高爆發(fā)壓力，不僅是活塞頭部強(qiáng)度、銷座強(qiáng)度以及裙部強(qiáng)度，活塞環(huán)岸的強(qiáng)度也是非常關(guān)鍵的一個(gè)部分。近些年來(lái)，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的比例越來(lái)越高，在活塞環(huán)岸上發(fā)生的失效越來(lái)越多，其中非常重要的一個(gè)因素就是發(fā)動(dòng)機(jī)爆震在增壓機(jī)型上比在自然吸氣機(jī)型上出現(xiàn)的機(jī)率大了很多。本文從某活塞環(huán)岸的失效現(xiàn)象分析，提出了使用環(huán)岸設(shè)計(jì)時(shí)的有限元分析方法對(duì)環(huán)岸強(qiáng)度如何進(jìn)行分析改進(jìn)提供了思路[1-3]。

1 故障現(xiàn)象

某型增壓汽油機(jī)在開(kāi)始大批量裝機(jī)幾個(gè)月以后，市場(chǎng)不斷反饋有發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)活塞環(huán)岸斷裂的故障發(fā)生，環(huán)岸斷裂的活塞在每個(gè)缸都有出現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)拆機(jī)后所發(fā)現(xiàn)的活塞失效情況如圖1～4 所示。

圖1 二環(huán)岸裂紋

圖2 二環(huán)岸斷裂

圖3 二、三環(huán)岸斷裂

圖4 二環(huán)岸以下至裙部斷裂

該增壓汽油機(jī)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能和耐久臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有發(fā)生過(guò)環(huán)岸斷裂的失效問(wèn)題。市場(chǎng)返回的失效發(fā)動(dòng)機(jī)行駛里程有長(zhǎng)有短，少的有幾十千米，長(zhǎng)的有幾千千米。

從以上圖片可以看出，失效活塞有的只是第二環(huán)岸斷裂，有的是第二和第三環(huán)岸都發(fā)生了斷裂，嚴(yán)重的從第二環(huán)岸向下一直到活塞整個(gè)裙部全部斷裂。

2 原因分析

活塞環(huán)岸斷裂是增壓汽油機(jī)失效故障中出現(xiàn)較多，并且是較為嚴(yán)重的一種發(fā)動(dòng)機(jī)失效模式，輕者出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率轉(zhuǎn)矩降低、漏氣量變大、機(jī)油耗上升、異響等故障現(xiàn)象，更為嚴(yán)重者發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，甚至活塞碎裂后，出現(xiàn)連桿將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體打穿，從而導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢的重大事故，維修時(shí)只能更換發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)。

2.1 活塞本身質(zhì)量問(wèn)題排查

發(fā)生活塞環(huán)岸斷裂故障后，分析找到活塞環(huán)岸斷裂的真正原因，避免發(fā)動(dòng)機(jī)再次出現(xiàn)同種因素造成的環(huán)岸斷裂故障是至關(guān)重要的。

首先需要確認(rèn)該種故障是否是活塞本身質(zhì)量原因造成的，如環(huán)岸部位有鑄造缺陷，活塞材料成分、金相是否合格。為此對(duì)失效活塞分別對(duì)斷裂部位外觀和斷面進(jìn)行顯微鏡檢查，環(huán)岸根部外觀沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，如圖5 所示。

圖5 環(huán)岸根部無(wú)鑄造缺陷

為了觀察斷面部位的情況，制作了如圖6 所示的樣塊。

圖6 斷面樣塊

對(duì)該樣塊的斷裂面進(jìn)行顯微鏡觀察，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，且金相組織均勻，如圖7 所示。

圖7 斷面圖

然后對(duì)材料成分金相進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示材料成分和金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求，沒(méi)有初晶硅晶粒粗大、分布不均勻的問(wèn)題，金相組織如圖8 所示。

至此可以完全排除活塞本身的質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致了環(huán)岸開(kāi)裂的問(wèn)題。

2.2 活塞環(huán)岸開(kāi)裂的外部因素

活塞本身的質(zhì)量原因排除后，接下來(lái)需要分析是何種外界因素導(dǎo)致了活塞環(huán)岸的斷裂。一般有三種可能的外部原因?qū)е隆?/p>

1）燃燒室進(jìn)入液體：比如冷卻液泄漏、機(jī)油泄漏或過(guò)多的燃油進(jìn)入燃燒室；

2）爆震或早燃發(fā)生：產(chǎn)生過(guò)高的爆壓，開(kāi)裂方向如圖9 所示；

圖9 爆震開(kāi)裂方向

3）安裝問(wèn)題：裝配過(guò)程中外力導(dǎo)致環(huán)岸部位根部產(chǎn)生微裂紋，開(kāi)裂方向如圖10 所示。

圖10 安裝不當(dāng)開(kāi)裂方向

2.3 該起故障的根本原因

根據(jù)以上幾種可能的原因，排除了活塞本身質(zhì)量問(wèn)題，從開(kāi)裂方向上看也排除了安裝出現(xiàn)問(wèn)題的可能性。拆機(jī)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有冷卻液、機(jī)油泄漏進(jìn)入燃燒室的跡象，也沒(méi)有過(guò)多燃油噴入的跡象。利用顯微鏡檢查故障活塞的環(huán)岸部位，觀察到如圖11、12的故障現(xiàn)象。

圖11 斷裂部位的一環(huán)槽上方氧化層被破壞

圖12 未斷裂部位的一環(huán)槽上方氧化層被破壞

該活塞一環(huán)槽部位進(jìn)行了陽(yáng)極氧化處理，活塞環(huán)槽的陽(yáng)極氧化可以強(qiáng)化一環(huán)槽表面的材料強(qiáng)度，增強(qiáng)一環(huán)槽表面的耐磨性。陽(yáng)極氧化部位的顏色一般呈現(xiàn)灰黑色的顏色，如圖11 和圖12 環(huán)槽下環(huán)岸的顏色所示。在斷裂部位的一環(huán)槽上方和未斷裂部位的一環(huán)槽上方都能觀察到陽(yáng)極氧化層部位原先的灰黑色變成了很淺的灰白色，這是一種典型的爆震或早燃產(chǎn)生很大爆發(fā)壓力后產(chǎn)生的現(xiàn)象。

有一起活塞環(huán)岸斷裂的發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞也出現(xiàn)了側(cè)電極斷裂及中心陶瓷體開(kāi)裂的失效現(xiàn)象，這也是發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的典型失效模式之一。因此，綜合以上分析，該系列活塞環(huán)岸斷裂的根本原因是由爆震或早燃導(dǎo)致。

3 改進(jìn)方案及分析

對(duì)增壓汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，特別是對(duì)增壓直噴汽油機(jī)而言，出現(xiàn)爆震或早燃是非常常見(jiàn)的，并且很難杜絕爆震或早燃的發(fā)生。為解決該活塞環(huán)岸斷裂的故障繼續(xù)發(fā)生，除對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定進(jìn)行優(yōu)化外，也對(duì)活塞本體進(jìn)行了改進(jìn)，以適應(yīng)該機(jī)型的燃燒狀況。

3.1 改進(jìn)方案

該活塞在初期設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行過(guò)FEA 分析，在最大設(shè)計(jì)爆壓9.0 MPa 的條件下，分析結(jié)果滿足安全系數(shù)大于1.0 的設(shè)計(jì)要求，初始FEA 分析結(jié)果如圖13和圖14 所示。

圖13 活塞頭部分析結(jié)果

圖14 活塞外部分析結(jié)果

但是初始設(shè)計(jì)分析沒(méi)有考慮爆震爆壓對(duì)活塞環(huán)岸的影響，因?yàn)樵陂_(kāi)發(fā)初期，還不能給出爆震爆壓在多少壓力水平。

原活塞的第二環(huán)岸設(shè)計(jì)高度是4 mm，因壓縮高度所限無(wú)法增加鑄鐵鑲?cè)Y(jié)構(gòu)，將其第二環(huán)岸高度提高了1.5 mm 改為5.5 mm。重新進(jìn)行FEA 分析，并著重關(guān)注環(huán)岸部位對(duì)于爆震爆壓在改進(jìn)前后的影響。

3.2 改進(jìn)后分析結(jié)果

因最大設(shè)計(jì)爆壓不變，活塞整體的FEA 分析看不出改進(jìn)方案對(duì)環(huán)岸部位的影響程度，因?yàn)樵瓉?lái)的環(huán)岸強(qiáng)度就是滿足要求的?，F(xiàn)在根據(jù)爆震對(duì)環(huán)岸的影響，單獨(dú)進(jìn)行環(huán)岸部位的強(qiáng)度分析，取活塞頭部作為分析模型，如圖15 所示。

圖15 活塞頭部分析模型

然后在活塞頭部和一環(huán)槽部位分別施加15.0 MPa，18.0 MPa 和20.0 MPa 的爆震爆壓，溫度取前面分析得到的活塞頭部溫度，如圖16 所示。

圖16 爆震爆壓施加部位

通過(guò)分析得出如圖17 和圖18 兩個(gè)改進(jìn)前后的分析結(jié)果。根據(jù)FEA 分析結(jié)果可以得出，第二環(huán)岸強(qiáng)度安全系數(shù)提高了20%左右。

圖17 改進(jìn)前

圖18 改進(jìn)后

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

方案改進(jìn)后的活塞，很快制作了試驗(yàn)樣件，進(jìn)行裝機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)驗(yàn)證，并增加了爆震耐久試驗(yàn)項(xiàng)目。改進(jìn)后的活塞順利通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的試驗(yàn)驗(yàn)證，并且很快切換批量生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)改進(jìn)后活塞的市場(chǎng)跟蹤，市場(chǎng)上極少有同樣的環(huán)岸斷裂故障的發(fā)生，故障PPM 值在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)岸開(kāi)裂的故障實(shí)例，詳細(xì)介紹了故障查找的分析過(guò)程，找到了故障發(fā)生的根本原因，提出了活塞本身的改進(jìn)措施，并進(jìn)行了FEA 分析對(duì)比。結(jié)果活塞環(huán)岸的強(qiáng)度提高了20%，新方案通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和整車試驗(yàn)驗(yàn)證，批量生產(chǎn)也切換為新方案。

隨著近年來(lái)汽油機(jī)性能的不斷提高，特別是增壓直噴汽油機(jī)，平均最大爆發(fā)壓力達(dá)到了12.0 MPa以上，最大爆壓達(dá)到13.5 MPa 以上，爆震爆壓可以達(dá)到18.0 MPa，甚至20.0 MPa 以上。對(duì)活塞環(huán)岸的強(qiáng)度要求越來(lái)越高，因此僅僅增加第二環(huán)岸厚度已不能解決問(wèn)題，許多活塞在一環(huán)槽，甚至一、二環(huán)槽都加上了鑄鐵鑲?cè)?，以適應(yīng)高爆壓和爆震爆壓的要求。