鋁硅合金活塞的機(jī)械疲勞可靠性對發(fā)動機(jī)使用壽命的影響

于彥良

摘要：本文針對鋁硅合金活塞機(jī)械疲勞可靠性的重要性進(jìn)行了分析，并對活塞機(jī)械疲勞可靠性對發(fā)動機(jī)使用壽命的影響提出了通過構(gòu)建壽命預(yù)測模型進(jìn)行相關(guān)研究的方法，旨在更有效地發(fā)現(xiàn)鋁硅合金活塞的機(jī)械疲勞可靠性對發(fā)動機(jī)使用壽命影響的規(guī)律，并以此為研究方向進(jìn)一步提高對鋁硅合金活塞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低活塞的機(jī)械疲勞，從而使發(fā)動機(jī)的使用壽命得到更有效的延長。

Abstract： This paper analyzes the importance of the piston mechanical fatigue reliability of Al Si alloy， and puts forward the method of related research by constructing life prediction model aiming at the influence of the piston mechanical fatigue reliability on service life of the engine， so as to more effectively find the rule of effects of mechanical fatigue reliability of aluminum silicon alloy piston on engine life. And it takes this as the research direction to further improve the aluminum silicon alloy piston structure design optimization， reduce the piston mechanical fatigue， so as to more effectively extend the engine service life.

關(guān)鍵詞：鋁硅合金活塞；機(jī)械疲勞可靠性；發(fā)動機(jī)壽命

Key words： Al Si alloy piston；mechanical fatigue reliability；engine life

中圖分類號：TK441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）34-0118-030 引言

自一百多年前被發(fā)明至今，發(fā)動機(jī)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，為人類的發(fā)展起到了重要的推動作用。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)、制造以及材質(zhì)的優(yōu)化方面都取得了較大的進(jìn)步，但提高發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率和使用壽命的相關(guān)研究從未停止。影響發(fā)動機(jī)壽命的重要因素常常出現(xiàn)在機(jī)械部件的疲勞破壞方面，這一類問題具有較強(qiáng)的隱蔽性和突發(fā)性，問題的發(fā)生常常沒有明顯征兆，但對發(fā)動機(jī)的負(fù)面影響卻非常大。其中，尤其以發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)中的活塞結(jié)構(gòu)的機(jī)械疲勞可靠性對于發(fā)動機(jī)的可靠性影響最大。目前，發(fā)動機(jī)活塞的制作材料主要以鋁硅合金為主。近年來，發(fā)動機(jī)在日趨嚴(yán)竣的高溫高壓工作條件下工作的情況越來越多，而高溫、高壓、磨損腐蝕等惡劣的工作條件是對發(fā)動機(jī)可靠性最大的威脅。在這種工作環(huán)境中鋁硅合金材質(zhì)的活塞因其密度小、傳熱系數(shù)好的特質(zhì)對于提高發(fā)動機(jī)壽命起到了得要的作用，因此長期以來一直是發(fā)動機(jī)活塞制造的首選材料。隨著市場對發(fā)動機(jī)可靠性和使用壽命的嚴(yán)格要求，提高活塞的機(jī)械疲勞可靠性已成為得要研究課題。雖然硅鋁合金活塞在承載能力方面已達(dá)到了其疲勞極限，但通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，依然可以在控制生產(chǎn)成本、提高發(fā)動機(jī)機(jī)械效率和使用壽命方面發(fā)揮巨大作用。

1 鋁硅合金活塞的機(jī)械疲勞可靠性的重要性分析

作為發(fā)動機(jī)的首要動力源零件，活塞在整個發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)中起著將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要作用。通過活塞的往復(fù)非勻速直線運(yùn)動，可以將發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)中由高溫燃?xì)獗l(fā)的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再由連桿和曲軸轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使發(fā)動機(jī)能正常輸出功率。在發(fā)動機(jī)的損傷中，活塞的故障損傷率往往是最高的，這與活塞長期處于負(fù)荷過大且惡劣的工作環(huán)境有密切關(guān)系。高溫、高壓、磨損、腐蝕的工作環(huán)境使得活塞出現(xiàn)機(jī)械疲勞的機(jī)理顯得非常復(fù)雜。金屬原子產(chǎn)生位錯、微觀裂紋的萌生、工程裂紋的擴(kuò)展，都會造成活塞的機(jī)械疲勞性破壞，出現(xiàn)斷裂，從而影響到活塞的可靠性。而造成活塞裂紋出現(xiàn)的原因較多，鋁硅合金的強(qiáng)度、幾何形狀結(jié)構(gòu)、活塞表面的粗糙度、承受載荷性質(zhì)以及內(nèi)部組織的微觀缺陷、工作環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)等，都會引發(fā)活塞的裂紋。這些因素涉及到的領(lǐng)域非常廣泛，包括金屬材料學(xué)、冶金學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)等，因此，針對活塞可靠性對發(fā)動機(jī)使用壽命的影響雖然長期以來都受到了相關(guān)研究人員的重視，并投入了大量的人力、物力、精力，但依然存在許多急待解決的理論和實(shí)際問題。

2 鋁硅合金活塞機(jī)械疲勞壽命預(yù)測模型

不同的情況對于發(fā)動機(jī)活塞形成的破壞差別很大，目前的能量準(zhǔn)則在描述熱和機(jī)械復(fù)雜載載荷下的工作過程方面還存在較大的欠缺。在針對鋁硅合金活塞機(jī)械疲勞壽命預(yù)測方面，經(jīng)較實(shí)用的還是應(yīng)用、應(yīng)變類的準(zhǔn)則。應(yīng)變類準(zhǔn)則的適用性更廣，而應(yīng)力準(zhǔn)則在高循環(huán)疲勞的預(yù)測上更有優(yōu)勢。

在采用應(yīng)變類準(zhǔn)則時，首先需要明確活塞在循環(huán)載荷下的彈性、塑性應(yīng)變范圍。在相關(guān)的預(yù)測模型中材料的軟硬化問題可以忽略，通過直接采用材料的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線，利用彈塑性有限元計(jì)算最大載荷下發(fā)動機(jī)活塞的彈性、塑性應(yīng)變，再以材料本身的工作、變形特點(diǎn)，可以確立合理的假設(shè)，從而得到反映實(shí)際低循環(huán)載荷下的疲勞破壞應(yīng)力應(yīng)變曲線?；谶@一理論建立發(fā)動機(jī)活塞的疲勞壽命計(jì)算模型，能夠得到多種因素對發(fā)動機(jī)使用壽命的影響，包括平均應(yīng)力應(yīng)變、高頻脈動載荷、高溫蠕變等。該模型中，最基礎(chǔ)的預(yù)估壽命的公式為：

Δεp=ΔεfN

公式中Δεp表示塑性應(yīng)變范圍。在高溫工作環(huán)境下，塑性變形的情況并不穩(wěn)定，在大于104的壽命范圍內(nèi)，彈性、塑性應(yīng)變范圍的數(shù)量級是相當(dāng)?shù)?，可采用考慮彈性項(xiàng)影響的準(zhǔn)則，得到公式：endprint

Δε=Δεe+Δεp=N+εfN

公式中，E代表材料彈性模量，Δε代表總應(yīng)變范圍，εf代表疲勞延性系數(shù)，c代表疲勞延性指數(shù)，σf代表疲勞強(qiáng)度系數(shù)，b代表疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

結(jié)合29種金屬材料在常溫下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用通用斜率法得出b=-0.12，c=-0.6，σf=3.5σb，σf=ε。σf表示材料的斷裂延性。

在載荷和應(yīng)用對稱的情況下，循環(huán)平均載荷為：

Fm=（Fmax+Fmin）/2=0

循環(huán)平均應(yīng)力為：

σm=（σmax+σmin）/2=0

此時，可以采用公式Δε=Δεe+Δεp=進(jìn)行零件壽命的預(yù)估。然而由于發(fā)動機(jī)活塞的工作環(huán)境的復(fù)雜性，活塞頭部容易出現(xiàn)疲勞裂紋，影響到在循環(huán)載荷下活塞的應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線的形狀。利用彈塑性有限元計(jì)算只能得到零件的計(jì)算點(diǎn)溫度T、工作條件下的壓應(yīng)力σ和彈性壓應(yīng)變e和塑性壓應(yīng)變p，因此無法獲得精確的彈性、塑性應(yīng)變范圍，也無法對零件的壽命進(jìn)行預(yù)估。想要獲得活塞機(jī)械疲勞可靠性對發(fā)動機(jī)使用壽命影響的預(yù)估，就需要明確發(fā)動機(jī)工作、載荷的特殊性對包括塑性應(yīng)變范圍在內(nèi)的特性參數(shù)的影響，這樣才能應(yīng)用于壽命預(yù)測公式中。

2.1 低頻脈沖載荷下的壽命影響

發(fā)動機(jī)在啟動-工作-停機(jī)的過程中采用的低頻循環(huán)載荷是脈沖載荷，而在低負(fù)荷-高負(fù)荷-低負(fù)荷的低頻循環(huán)載荷是單向載荷循環(huán)。

在忽略高溫蠕變影響的情況下，脈沖載荷和單向載荷會對活塞零件產(chǎn)生低循環(huán)疲勞，假設(shè)所有的應(yīng)變范圍的值都大于零，那么平均應(yīng)變則為εpm=εp+Δεp/2<0，其中p為通過計(jì)算得到的塑性應(yīng)變。當(dāng)然循環(huán)應(yīng)力平均值不會為零，當(dāng)材料隨動硬化后，循環(huán)應(yīng)力的平均值則為σm=（σ+σd）/2<0。對于脈沖及單向載荷，計(jì)算表明一般不會由于卸載在材料內(nèi)部產(chǎn)生符號相反的殘余應(yīng)變，值為對稱循環(huán)載荷作用下的循環(huán)塑性應(yīng)變范圍。已知Δεp和εp之間的半系為單調(diào)關(guān)系。零件在工作時的應(yīng)變絕對值與卸載殘余應(yīng)變絕對值之間在小范圍的應(yīng)變集中區(qū)為前者遠(yuǎn)大于后者，尤其是在高溫工作環(huán)境下，可將卸載后的最小殘余應(yīng)變絕對值視為零，則材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出服從以下公式的特點(diǎn)：

σ-σs=Kεpm

K在該公式中表示的是與溫度有關(guān)的材料常數(shù)，m是指的是材料的硬化指數(shù)。假設(shè)εd=0，那么d點(diǎn)的應(yīng)用值應(yīng)以下以公式進(jìn)行計(jì)算：

σd=（2σ-σ）+K（εp-）m

由此可以推導(dǎo)出拉壓同性、隨動強(qiáng)化材料的循環(huán)塑性應(yīng)變范圍：

2.2 高溫蠕變對壽命的影響

高溫蠕變導(dǎo)致的塑性變形不可恢復(fù)，且若不斷增加應(yīng)力、溫度，高溫蠕變產(chǎn)生的變形的大小呈現(xiàn)出冪指數(shù)的關(guān)系增長。在應(yīng)力值比材料的屈服應(yīng)力略大時，在脈沖及單向載荷中，卸載后的殲余應(yīng)力不會出現(xiàn)低循環(huán)疲勞破壞。但當(dāng)高溫蠕變存在時，在高溫和高應(yīng)力的作用下，卸載后的殲余應(yīng)力會出現(xiàn)低循環(huán)疲勞破壞。當(dāng)零件所處的工作環(huán)境溫度達(dá)到了一定高度，使第一次加載的應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力時，也會造成蠕變的穩(wěn)定累積，形成穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變回線，產(chǎn)生低循環(huán)疲勞破壞。在發(fā)動機(jī)中同時存在塑性和蠕變變形時，在高溫蠕變的作用下，活塞頭部會產(chǎn)生低頻疲勞裂紋，并且伴隨著高溫應(yīng)力松弛，這使得高溫蠕變對零件壽命的影響呈現(xiàn)出復(fù)雜的規(guī)律性。

從應(yīng)變結(jié)果的角度出發(fā)，蠕變與拉壓塑性變形的區(qū)別并不大。根據(jù)最終的循環(huán)曲線與應(yīng)力對稱特環(huán)相近似的規(guī)律，可以認(rèn)為每個循環(huán)的蠕變大小為：

其中表示應(yīng)力，t表示時間，T則代表溫度，其他的表示材料常數(shù)。

基于安德雷德蠕變，針對鋁硅合金，指數(shù)n取1/3。由高溫壓縮蠕變的相關(guān)實(shí)驗(yàn)得到c。由于塑性變形的不足被蠕變彌補(bǔ)，所以上述公式中的塑性變形εp由εpc=εp+εc代替。

2.3 高頻載荷對壽命的影響

除了以上說明的載荷外，發(fā)動機(jī)工作時還存在一種變化的高頻熱載荷及氣體壓力產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷，由于這些高頻載荷在一般情況下對壽命的影響較小，因此沒有必要將高頻載荷對發(fā)動機(jī)壽命的影響單獨(dú)列出考慮。但溫度的微小增加在高溫及高應(yīng)力條件下，會使蠕變的速度提高好幾倍。因此，對于高頻熱載荷及機(jī)械負(fù)荷的考慮如果是基于低頻載荷的情況，那么對發(fā)動機(jī)的壽命影響則是非常大的。在計(jì)算時，在低頻溫度值的基礎(chǔ)上直接累加高頻溫度波幅，同時在低頻應(yīng)力分量的基礎(chǔ)上疊加高頻應(yīng)力分量幅值，就可實(shí)現(xiàn)高頻載對發(fā)動機(jī)的壽命影響的考慮。

通過以上分析，聯(lián)合平均應(yīng)力、塑性應(yīng)變公式，可借助彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果得到一組鋁硅合金活塞機(jī)械疲勞可靠性對發(fā)動機(jī)使用壽命影響的相關(guān)公式：

2εe+Δεp=N+（εf-εpm）0.6NΔεp=εpc-σd/Eεpc=εp+εcεc=β0σc1etnσd=（2σ-σ）+K（εpc-）mσm=（σ+σd）/2εpm=εpc+Δεp/2

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析結(jié)果，可以計(jì)算出鋁硅合金活塞機(jī)械疲勞可靠性對發(fā)動機(jī)使用壽命的影響相關(guān)計(jì)算如果如表1～表3。

通過計(jì)算結(jié)果可知塑性應(yīng)變范圍小于塑性應(yīng)變的絕對值和蠕變應(yīng)變的絕對值，從而證實(shí)了鋁硅合金活塞疲勞可靠性與發(fā)動機(jī)使用壽命之間的關(guān)系以及活塞疲勞可靠性對發(fā)動機(jī)使用壽命的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉世英，田小青，潘風(fēng)敏.發(fā)動機(jī)活塞銷孔座機(jī)械疲勞機(jī)理的研究[J].汽車工程，2014（01）：57-60.

[2]龐圣桐.基于溫度試驗(yàn)與熱力耦合仿真對活塞結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及疲勞壽命預(yù)測[D].西華大學(xué)，2016.

[3]胡成永.熱機(jī)載荷對活塞應(yīng)力與變形影響規(guī)律研究[D].北京理工大學(xué)，2015.endprint