活塞燃燒室喉口疲勞開裂的原因分析與改進(jìn)

高尉尉，熊培友，王溪，劉棟，王權(quán)

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.濱州渤?；钊邢薰?，山東 濱州 256602；3.嘉利特荏原泵業(yè)有限公司，山東 濱州 256500；4.中國重汽(香港)有限公司濟南動力部(復(fù)強公司)，山東 濟南 250220)

0 引言

為了滿足越來越嚴(yán)格的環(huán)保節(jié)能要求，現(xiàn)代柴油機逐漸向高強化、大功率、高爆發(fā)壓力的趨勢發(fā)展，作為柴油機的關(guān)鍵零部件，活塞承受越來越高的交變機械負(fù)荷和熱負(fù)荷作用，導(dǎo)致活塞燃燒室喉口開裂現(xiàn)象日益增多[1-4]。為了提高活塞燃燒室喉口的承載能力,一般采用硬氧處理、變質(zhì)處理、表面涂覆、重熔、強化冷卻、鑲嵌陶瓷纖維強化、附加保護(hù)層或采用鉸接式活塞、整體鍛鋼活塞、研發(fā)新材料等技術(shù)，這些技術(shù)對燃燒室喉口處的承載能力都有不同程度的提高，但研發(fā)生產(chǎn)成本會大幅度上升[5-7]。因此，如何在控制研發(fā)生產(chǎn)成本的同時增強活塞燃燒室喉口的承載能力、提高活塞的可靠性是活塞設(shè)計人員亟待解決的問題。

針對某高強化柴油機在進(jìn)行試驗后出現(xiàn)的活塞燃燒室喉口開裂問題，通過活塞金相、成分檢測及裂紋源電鏡分析技術(shù)，確定了喉口開裂的主要原因，并利用有限元分析對改進(jìn)方案進(jìn)行優(yōu)化，通過耐久試驗驗證了改進(jìn)優(yōu)化的有效性，從而解決了喉口開裂失效問題，為高強化柴油機活塞設(shè)計及失效改進(jìn)提供了參考。

1 故障簡述及分析

某國產(chǎn)4缸4.6 L渦輪增壓柴油機的主要性能參數(shù)如表1所示。

柴油機在進(jìn)行800 h耐久臺架試驗后，拆機發(fā)現(xiàn)活塞銷孔方向燃燒室喉口出現(xiàn)裂紋，如圖1所示。

表1 柴油機主要性能參數(shù)

圖1 試驗后活塞燃燒室喉口裂紋宏觀圖

造成活塞燃燒室喉口開裂的原因較多，通常情況下活塞燃燒室喉口開裂失效類型分為因高周機械疲勞導(dǎo)致疲勞開裂失效、因低周熱疲勞導(dǎo)致的疲勞開裂失效以及因缺陷所導(dǎo)致的疲勞破壞。不同的失效類型都有其明顯的特征，如高周機械疲勞導(dǎo)致的裂紋出現(xiàn)在銷孔方向的燃燒室喉口處，低周熱疲勞導(dǎo)致的裂紋出現(xiàn)在垂直銷孔方向的燃燒室喉口處，因此，可根據(jù)疲勞失效特征結(jié)合理化檢測方法判斷燃燒室喉口出現(xiàn)裂紋失效的原因。

1.1 活塞金相及化學(xué)成分

利用金相顯微鏡對失效活塞燃燒室喉口處材料的纖維組織進(jìn)行觀測，得到金相檢測結(jié)果如圖2所示。放大100倍顯微觀察，α-固溶體細(xì)小，共晶硅呈短條狀及部分小塊狀，初晶硅呈現(xiàn)小塊狀，合金相分布均勻、細(xì)密，可見材料的金相組織正常。

通過光電光譜儀對失效活塞燃燒室喉口處材料成分進(jìn)行檢測，如圖3所示?；瘜W(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2，結(jié)果顯示材料的化學(xué)成分符合要求。

圖2 活塞金相檢測結(jié)果 圖3 活塞燃燒室喉口處材料成分檢測結(jié)果

元素成分SiMgFeKCOAl實測值12.360.840.390.0410.238.99其余標(biāo)準(zhǔn)值11～13.20.5～1.3≤0.6≤0.05積碳積碳其余

1.2 裂紋斷面電鏡檢測

將失效活塞從裂紋處割開，裂紋表面如圖4所示。

a)裂紋(20×) b)沿裂紋剖切展開(50×) c)沿裂紋剖切展開(100×)圖4 試驗后活塞燃燒室喉口裂紋表面

利用電子掃描顯微鏡對裂紋斷面進(jìn)行了顯微觀察，觀察發(fā)現(xiàn)裂紋處不存在鑄造缺陷，裂紋方向由內(nèi)向外擴展屬于典型的疲勞裂紋，如圖5所示。

a)30× b)200× c)500×圖5 不同放大倍數(shù)下喉口裂紋源

通過對活塞喉口裂紋表面電鏡分析可知，活塞燃燒室喉口裂紋為疲勞裂紋，裂紋源位于活塞喉口表面處，且活塞材料金相組織及成分均正常，活塞內(nèi)部也沒有明顯缺陷，綜合活塞裂紋位置及裂紋特征，此裂紋為機械疲勞裂紋。主要受高爆發(fā)壓力影響，使活塞材料產(chǎn)生機械疲勞，導(dǎo)致在銷孔方向燃燒室喉口位置開裂。

2 設(shè)計改進(jìn)及有限元優(yōu)化

圖6 異形銷孔結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 改進(jìn)方案

燃燒室喉口機械疲勞強度的影響因素眾多，除了載荷、材料、工藝、加工等因素外，活塞本身的結(jié)構(gòu)也是影響燃燒室喉口機械疲勞強度的主要因素之一?；钊植拷Y(jié)構(gòu)的變化也可能導(dǎo)致活塞承受應(yīng)力的重新分布，例如，活塞采用異形孔結(jié)構(gòu)對預(yù)防銷座開裂具有積極的作用，但此結(jié)構(gòu)卻影響著喉口部位的可靠性[8-11]。通過大量試驗及失效案例分析發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)銷孔結(jié)構(gòu)可以達(dá)到提高銷孔承載能力并同時改善燃燒室喉口機械疲勞應(yīng)力的目的。

針對此柴油機燃燒室喉口開裂失效問題，通過優(yōu)化活塞銷孔型線來降低喉口機械應(yīng)力，以提高喉口部位的疲勞強度?；钊N孔采用兩側(cè)為錐形中間為直線的異形結(jié)構(gòu)，如圖6所示，BC段為直線，此段銷孔為圓柱形，其直徑為銷孔名義直徑；AB段和CD段分別為不同系數(shù)的冪函數(shù)曲線。改進(jìn)前AB段和CD段的冪函數(shù)分別為：

圖7 銷孔型線

式中：You為AB段半徑收縮量；Yin為CD段半徑收縮量；Xin為距B點的距離；Xou為距C點的距離。

通過調(diào)整冪函數(shù)系數(shù)及中間直線段長度，得到改進(jìn)后AB段和CD段的冪函數(shù)分別為：

改進(jìn)后銷孔型線如圖7所示。

2.2 有限元計算

2.2.1 有限元模型

圖8 活塞網(wǎng)格模型

在工程應(yīng)用中，對于不同的改進(jìn)方案需要通過有限元計算來對改進(jìn)效果進(jìn)行評估，從而選取最優(yōu)化的改進(jìn)設(shè)計方案，這樣可以避免大量重復(fù)的試驗。

由于活塞具有較好的對稱性，為了節(jié)省計算時間、資源，采用1/2活塞組模型作為有限元模型，通過Ansys有限元分析軟件采用二階四面體單元對活塞進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。同時為了提高計算精度，在溫度梯度較大的部位對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，以四面體單元對活塞進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計680 109個單元，993 095個節(jié)點,劃分得到有限元網(wǎng)格模型如圖8所示。

2.2.2 計算結(jié)果

在活塞、活塞銷和連桿小頭的對稱平面施加對稱邊界條件；在連桿小頭的底面施加y方向的自由度約束；活塞和活塞銷、活塞銷和連桿作為面-面接觸對。發(fā)動機在穩(wěn)定工作時，活塞的熱量交換已經(jīng)達(dá)到平衡，用有限元法計算其溫度場時通常采用第3類邊界條件，即給定換熱系數(shù)和周圍介質(zhì)溫度來模擬活塞溫度分布；施加燃?xì)庾畲蟊l(fā)壓力為19 MPa，并考慮慣性力及活塞側(cè)向力的影響，通過迭代計算得到改進(jìn)前、后活塞燃燒室喉口疲勞系數(shù)aSY如圖9所示。

a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后圖9 活塞燃燒室喉口疲勞系數(shù)

由圖9可知，改進(jìn)前平行于銷孔方向燃燒室喉口疲勞系數(shù)最低為0.914，明顯低于許可值，這也充分印證了前文對活塞燃燒室喉口開裂失效原因分析判斷的準(zhǔn)確性。銷孔型線改進(jìn)后，活塞燃燒室喉口疲勞系數(shù)變化十分明顯，由原來0.914提高到1.288，增大了約40%，效果十分明顯。

銷孔型線的改變也會對銷孔疲勞系數(shù)產(chǎn)生影響，圖10為銷孔型線改進(jìn)前后活塞銷孔疲勞系數(shù)模擬計算結(jié)果。由圖10可知，銷孔型線改進(jìn)后，銷孔疲勞系數(shù)由原來1.286降低到1.108，降低了約13.8%，但仍然大于許可值，滿足銷孔強度要求。

a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后圖10 活塞銷孔疲勞系數(shù)

圖11 改進(jìn)方案試驗后活塞

2.3 試驗驗證

為了驗證改進(jìn)活塞的可靠性，將改進(jìn)后的活塞裝機進(jìn)行800 h臺架試驗，試驗后對發(fā)動機進(jìn)行拆機檢測，活塞裙部貼合良好，沒有異常磨損痕跡，燃燒室也沒有出現(xiàn)裂紋，如圖11所示。

3 結(jié)論

1)有限元分析結(jié)果表明，銷孔型線優(yōu)化改進(jìn)后，燃燒室喉口疲勞系數(shù)提高了約40%，有效解決了燃燒室喉口開裂問題。另外，銷孔型線改進(jìn)后銷孔疲勞系數(shù)雖然有所降低，但仍高于許可值，滿足銷孔承載要求。

2)異形銷孔雖然可以提高銷孔承載能力，但也會使銷孔方向燃燒室喉口出現(xiàn)高周機械疲勞失效的風(fēng)險，因此在工程設(shè)計中需要對銷孔承載與燃燒室喉口疲勞進(jìn)行綜合平衡考慮。