280型柴油機(jī)活塞接觸壓應(yīng)力及磨損分析

任明廣，宋相明，劉國(guó)棟

濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

隨著國(guó)家建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略不斷推進(jìn)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)高功率柴油機(jī)的需求不斷提升，對(duì)柴油機(jī)強(qiáng)化程度的要求也越來越高[1]。280型柴油機(jī)是一款直列6缸大功率中速柴油機(jī)，額定功率為2400 kW，額定轉(zhuǎn)速為800 r/min，設(shè)計(jì)最高爆發(fā)壓力為22.0 MPa，平均有效壓力為2.33 MPa，活塞平均速度為10.93 m/s，強(qiáng)化系數(shù)為25.47 MPa·m/s。功率密度大、強(qiáng)化程度高是該柴油機(jī)的顯著特征。活塞是柴油機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件，環(huán)境溫度高、機(jī)械負(fù)荷大、潤(rùn)滑不良都可能加劇活塞在運(yùn)行過程中磨損，引起裙部型線的變化，最終影響活塞的正常工作和柴油機(jī)的性能及可靠性[2]?；钊墓ぷ髑闆r在很大程度上決定了柴油機(jī)工作的可靠性和使用耐久性，這就對(duì)活塞的設(shè)計(jì)提出了更加嚴(yán)苛的要求。

本文中主要通過應(yīng)用Abaqus軟件，著重計(jì)算分析活塞在熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷耦合作用下活塞的接觸壓應(yīng)力分布規(guī)律及磨損模式，為該活塞的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)化提升及生產(chǎn)過程中活塞的重點(diǎn)部位質(zhì)量控制提供重要參考。

1 模型建立及邊界條件

1.1 活塞有限元模型

該機(jī)型活塞為鋼頂鐵裙組合式活塞，活塞頂和活塞裙采用4根均勻分布的螺栓進(jìn)行連接。利用Creo軟件建立活塞組及相關(guān)零件的幾何三維模型，如圖1所示。由于活塞為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本文采用1/2活塞模型，包含活塞、活塞銷和氣缸套。由于組合活塞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，若采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，計(jì)算誤差較大，本文中采用四面體單元建立活塞的有限元模型，有限元模型共有753 238個(gè)節(jié)點(diǎn)，512 714個(gè)單元。另外，也對(duì)連桿小頭進(jìn)行了網(wǎng)格劃分并應(yīng)用于該仿真計(jì)算中[3-5]。

1.2 活塞材料

280型柴油機(jī)活塞頂材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼42CrMoA，活塞裙材料為QT700，活塞頂和活塞裙聯(lián)接螺栓材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼18CrNiMo7-6。環(huán)境溫度20 ℃時(shí)3種材料的物理性能如表1所示。

表1 3種材料物理性能(環(huán)境溫度20 ℃)

1.3 邊界條件

作用在活塞上的負(fù)荷包括熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，其中機(jī)械負(fù)荷包括：燃燒引起的氣缸壓力、活塞加速引起的往復(fù)慣性力及作用在活塞上的力傳給連桿時(shí)使活塞受到的交變側(cè)向力，這些力均隨時(shí)間周期性變化。

1.3.1 活塞熱邊界條件

固體表面換熱邊界條件有3種類型:第1類邊界條件，給定邊界上的溫度；第2類邊界條件，給定邊界面上熱流密度的分布；第3類邊界條件，給定邊界上物體與周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及周圍流體的溫度。本文中采用第3類邊界條件。

圖2 氣缸壓力曲線

為研究活塞的最大熱負(fù)荷，使用AVL-Boost軟件計(jì)算柴油機(jī)超負(fù)荷(110%額定負(fù)荷)時(shí)活塞頂部燃?xì)鉁囟燃捌渑c燃?xì)獾膶?duì)流換熱系數(shù)在曲軸轉(zhuǎn)角為720°范圍內(nèi)的變動(dòng)情況。在燃燒階段，瞬態(tài)最高燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)1320 ℃，瞬態(tài)最高傳熱系數(shù)為3550 W/(m2·K)。綜合考慮得出平均燃?xì)鉁囟葹?65 K，當(dāng)量平均傳熱系數(shù)為835 W/(m2·K)，流經(jīng)整個(gè)活塞的熱流量為23.2 kW。

1.3.2 活塞機(jī)械負(fù)荷邊界條件

圖3 活塞側(cè)向力曲線

為研究活塞的最大機(jī)械負(fù)荷，使用AVL-Boost軟件計(jì)算得到柴油機(jī)在超負(fù)荷(110%額定負(fù)荷)工況下曲軸轉(zhuǎn)角720°范圍內(nèi)缸內(nèi)壓力的變化情況，氣缸壓力曲線如圖2所示。由圖2可知，最大氣壓力載荷發(fā)生在曲軸轉(zhuǎn)角367°處，為22.0 MPa。活塞往復(fù)慣性力可以由活塞質(zhì)量與活塞加速度的乘積計(jì)算得到。活塞所受的側(cè)向力由氣缸壓力和活塞往復(fù)慣性力的合力分解得到，側(cè)向力曲線如圖3所示，主推力面最大側(cè)向力發(fā)生在曲軸轉(zhuǎn)角為388°時(shí)，為83.9 kN，次推力面的側(cè)推力最大值發(fā)生在曲軸轉(zhuǎn)角為344°時(shí)，為37.6 kN。

2 計(jì)算結(jié)果分析

活塞三維模型和邊界條件確定后，利用Abaqus有限元分析軟件對(duì)活塞進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到活塞各部位溫度場(chǎng)分布如圖4所示(圖中單位為℃)，熱負(fù)荷以及熱機(jī)耦合[6-9]作用下的活塞各部位的徑向位移如圖5所示(圖中單位為μm)。由圖4、5可知，活塞最高溫度為382 ℃，位于喉口處，溫度由上至下依次遞減；活塞的最大變形位于活塞頂?shù)倪吘?，最大值?0.06 μm，活塞裙部的變形相對(duì)較小。

a) 熱負(fù)荷作用下 b) 熱機(jī)耦合作用下 圖4 活塞溫度場(chǎng)分布 圖5 活塞的變形量

在最大側(cè)向力作用下，活塞裙主推力面和次推力面[10-11]的接觸壓應(yīng)力分布如圖6所示(圖中單位為MPa)，活塞裙主推力面和次推力面的磨損模式如圖7所示。

a)主推力面 b) 次推力面 a)主推力面 b) 次推力面 圖6 活塞裙部接觸壓應(yīng)力 圖7 活塞裙部磨損模式

由圖6、7可知，活塞裙部的最大接觸壓應(yīng)力出現(xiàn)在主推力面外圍的下部，達(dá)到15.3 MPa，小于活塞裙部的許用屈服強(qiáng)度440 MPa，次推力面的最大接觸壓應(yīng)力也出現(xiàn)在該位置，主推力面的外圍中上部接觸壓應(yīng)力也較大；而磨損最嚴(yán)重的部位在主推力面的中上部。

熱負(fù)荷工況下，螺栓壓緊狀態(tài)、施加熱負(fù)荷壓緊狀態(tài)以及施加熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷狀態(tài)下的活塞支撐面接觸壓應(yīng)力分布如圖8所示(圖中單位為MPa)。由于機(jī)械負(fù)荷引起的活塞頂主支撐面和外支撐面的相對(duì)位移如圖9所示(圖中單位為mm)，支撐面的磨損模式如圖10所示。由圖8～10可知，活塞軸向主支撐面在熱機(jī)耦合作用下，其最大接觸壓應(yīng)力位于聯(lián)接螺栓孔的周圍，達(dá)到188 MPa，小于活塞裙部的許用屈服強(qiáng)度值440 MPa，外支撐面的內(nèi)邊緣的接觸壓應(yīng)力也較大；磨損最嚴(yán)重的部位在主推力面的中上部和外支撐面的外邊緣。

a)螺栓壓緊狀態(tài) b) 施加熱負(fù)荷壓緊狀態(tài) c) 施加熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷狀態(tài)圖8 活塞支撐面接觸壓應(yīng)力

圖9 活塞頂主支撐面和外支撐面相對(duì)位移 圖10 活塞支撐面磨損模式

施加最大氣缸壓力時(shí)活塞銷孔的接觸壓應(yīng)力如圖11所示(圖中單位為MPa)。由圖11可知，活塞銷孔工作面最大接觸壓應(yīng)力為129 MPa，小于活塞裙部許用屈服強(qiáng)度值440 MPa。

a)活塞銷孔 b) 局部放大圖圖11 活塞銷孔接觸壓應(yīng)力

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)280型柴油機(jī)進(jìn)行了800 h耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)活塞進(jìn)行了拆檢, 活塞狀態(tài)如圖12所示。由圖12可知，活塞裙部主推力面有輕微不明顯的磨痕，磨損模式與仿真結(jié)果擬合度達(dá)到90%以上；活塞支撐面和活塞銷孔表面位置幾乎看不出磨損。

測(cè)量耐久試驗(yàn)前后1～6缸活塞裙部磨損最大位置直徑數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，試驗(yàn)前后活塞裙部直徑幾乎沒有變化。

圖12 800 h耐久試驗(yàn)后活塞外觀

表2 試驗(yàn)前后1～6缸活塞裙部磨損最大位置直徑 mm

4 結(jié)論

1)在給定的邊界條件下，280型柴油機(jī)活塞裙部、活塞銷孔和支撐面的最大接觸壓應(yīng)力都在材料強(qiáng)度的許可范圍之內(nèi)，活塞裙部主推力面的中上部位置和外支撐面的外邊緣為磨損最嚴(yán)重的部位。

2)在生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)活塞主推力面外圍下部、連接螺栓孔周圍部位的材料進(jìn)行重點(diǎn)控制，采用無損探傷等手段進(jìn)行逐件檢測(cè)，將材料失效風(fēng)險(xiǎn)降低到最低。