高強(qiáng)化船用柴油機(jī)組合活塞裙部型面設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王星全,張俊青,徐濤,王占宜,夏金寶，張新超

1.濱州渤?；钊邢薰?，山東 濱州 256602； 2.山東省發(fā)動(dòng)機(jī)活塞摩擦副重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256602

0 引言

船用柴油機(jī)作為船舶及其它海上設(shè)施的源動(dòng)力，與陸用柴油機(jī)相比具有難替代性，所以船用柴油機(jī)及其零部件的設(shè)計(jì)制造尚有很大的發(fā)展空間[1]。活塞作為船用柴油機(jī)中關(guān)鍵零部件之一，運(yùn)行環(huán)境非常苛刻，在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的交變作用下，活塞容易產(chǎn)生疲勞破壞、拉缸及異常磨損等故障，活塞的工作狀況直接影響到船用柴油機(jī)的可靠性、耐久性及排放性能等。

在工作狀態(tài)下活塞裙部和缸套合理配合，并在配合面形成均勻穩(wěn)定的油膜，才能保證活塞運(yùn)行的平穩(wěn)性和耐久性，防止發(fā)生拉缸等故障，同時(shí)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功率損失，降低機(jī)油耗和漏氣量，減輕柴油機(jī)的振動(dòng)和噪聲。因此活塞在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷對(duì)活塞裙部變形的影響，以及工作狀態(tài)下活塞裙部型面對(duì)油膜形成的影響等因素[2-5]。

本文中主要研究某高強(qiáng)化船用柴油機(jī)鋼頂鐵裙組合活塞的裙部型面設(shè)計(jì)，進(jìn)行數(shù)值仿真分析、選擇合理方案并優(yōu)化，然后通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。該研究可為船用柴油機(jī)組合活塞的裙部型面設(shè)計(jì)提供參考。

1 活塞裙部型面設(shè)計(jì)理論

本文中的船用發(fā)動(dòng)機(jī)為V型12缸四沖程水冷柴油機(jī)，主要參數(shù)如表1所示,其活塞裙部型面的設(shè)計(jì)主要包括縱向形線設(shè)計(jì)和橫向橢圓設(shè)計(jì)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.1 縱向中凸曲線

在工作狀態(tài)下，活塞裙部的縱向形線不是一條直線而是一條中凸曲線。裙部縱向使用中凸曲線相對(duì)于使用直線有以下優(yōu)點(diǎn)[6-9]：1)中凸曲線對(duì)于活塞的導(dǎo)向性能比直線更好，可以使活塞運(yùn)行狀態(tài)更平穩(wěn)；2)可以減小活塞的二階運(yùn)動(dòng)和敲擊動(dòng)能，有利于減緩缸套的穴蝕，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲；3)活塞在下止點(diǎn)換向時(shí)，能夠避免裙部下端和缸套內(nèi)側(cè)下沿發(fā)生刮擦；4)可以使活塞在上行和下行過(guò)程中均能形成油楔，并在活塞裙部和缸套的配合面之間形成剛度較大的油膜，保證活塞裙部和缸套之間的良好潤(rùn)滑，避免發(fā)生因金屬直接接觸而導(dǎo)致的拉缸等故障；同時(shí)還有利于降低活塞裙部的摩擦力，減少摩擦功率損失。

柴油機(jī)活塞裙部的縱向中凸曲線一般分為上段區(qū)、直段區(qū)和下段區(qū)3段，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)活塞裙部縱向的溫度分布、壁厚變化等因素，并通過(guò)圓弧和直線擬合、指數(shù)曲線和直線擬合或斜線與直線相交的方式獲得,其中通過(guò)斜線與直線相交獲得的裙部形線，在早期的整體鑄鐵活塞和鋼頂鐵裙活塞上使用較多，目前新設(shè)計(jì)的活塞中已經(jīng)很少使用[10-12]。

目前在柴油機(jī)活塞裙部縱向中凸曲線設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用的是指數(shù)曲線和直線擬合，如圖1所示[13-14]，圖中X1、X2為曲線上的點(diǎn)與曲線起點(diǎn)的縱向距離，Y1、Y2為曲線上的點(diǎn)到曲線起點(diǎn)的橫向距離(即裙部直徑收縮量)。通常情況下，上段區(qū)縱向跨度較大，橫向的收縮量也較大。

圖1 普通活塞裙縱向中凸曲線示意圖 圖2 鑄鐵裙縱向中凸曲線示意圖

上段指數(shù)曲線方程為：

(1)

下段指數(shù)曲線方程為：

(2)

式中A1、A2、c1、c2為系數(shù)。

對(duì)于船用整體鑄鐵活塞或鋼頂鐵裙組合活塞來(lái)說(shuō)，其材料的熱膨脹系數(shù)比鋁合金小，壁厚比較薄并且均勻，所以其裙部縱向中凸曲線的直線段較長(zhǎng)，上下兩端的徑向收縮量相對(duì)較小，如圖2所示。

1.2 橫向橢圓

在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的共同作用下，活塞銷座和裙部都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，最終使活塞裙部沿銷孔方向直徑變大、沿垂直于銷孔方向直徑變小。為了使活塞裙部橫截面在工作狀態(tài)下能夠更接近圓形，并且與缸套貼合更好，實(shí)現(xiàn)均壓接觸，一般在活塞裙部型面設(shè)計(jì)時(shí)，橫向截面會(huì)做成以銷孔方向?yàn)槎梯S、垂直于銷孔方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的橢圓。

圖3 活塞橢圓形狀示意圖

設(shè)計(jì)活塞橫向橢圓時(shí)需要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷、活塞裙部結(jié)構(gòu)、活塞裙部材料、缸孔的變形等因素。因此對(duì)于不同的活塞，其裙部橫向橢圓不一定相同；對(duì)于同一只活塞，不同高度上的橫向橢圓也不一定相同。

活塞裙部橫向橢圓的形式多種多樣，船用柴油機(jī)活塞的裙部橫向橢圓主要有一次橢圓、二次橢圓、多次橢圓、凸臺(tái)橢圓、偏心圓+橢圓等幾種形式[15-16]，如圖3所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)橢圓方程，可推導(dǎo)出任意與長(zhǎng)軸成夾角α方向上的半徑收縮量

(3)

式中：ΔR為半徑縮量，G為橢圓度，α為與長(zhǎng)軸的夾角，β為系數(shù)。

在橢圓設(shè)計(jì)時(shí)，β一般為-0.25<β<0.25[17]。當(dāng)β=0時(shí)，公式(3)為一次橢圓收縮量公式；當(dāng)β<0時(shí)，在除短軸和長(zhǎng)軸之外的方向上半徑收縮量減小，橢圓比標(biāo)準(zhǔn)橢圓“胖”；當(dāng)β>0時(shí)，在除短軸和長(zhǎng)軸之外的方向上半徑收縮量增大，橢圓比標(biāo)準(zhǔn)橢圓“瘦”。

對(duì)于整體薄壁鑄鐵活塞和鋼頂鐵裙活塞裙部橫向橢圓的設(shè)計(jì)一般分兩種情況：1)對(duì)于懸掛式彈性銷座結(jié)構(gòu)的活塞，其活塞裙部為壁厚均勻的薄壁桶狀結(jié)構(gòu)，橫向截面一般設(shè)計(jì)為橢圓度比較小的標(biāo)準(zhǔn)橢圓，或者直接設(shè)計(jì)成圓形；2)帶有面窗的桁架式結(jié)構(gòu)活塞，其裙部橫向截面需要根據(jù)加強(qiáng)筋的位置、面窗的結(jié)構(gòu)形式等因素，合理選擇橢圓的形式。

2 裙部型面設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 裙部型面設(shè)計(jì)方案對(duì)比

2.1.1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)活塞裙部型面的設(shè)計(jì)理論，對(duì)活塞裙部型面提出2個(gè)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行有限元仿真分析，對(duì)活塞裙部型面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

方案A如圖4所示，在整個(gè)裙部高度上橫截面是橢圓度為0.2的標(biāo)準(zhǔn)橢圓，縱向形線為中凸曲線。圖4 b)中環(huán)繞橢圓一周的數(shù)值為角度，每10°為一個(gè)刻度；橢圓內(nèi)的數(shù)值是圖中每個(gè)圓的半徑(單位為mm)。

a)裙部縱向形線 b) 裙部橫向橢圓 圖4 活塞裙部型面方案A

方案B如圖5所示，裙部縱向形線與方案A略有不同。橫向橢圓是修正系數(shù)均為β=0.2的二次橢圓，并且橢圓度隨裙部高度的變化呈線性變化。其中，在裙部高度45 mm處的橫向截面橢圓度為0.25，在裙部高度222.4 mm處的橫向截面橢圓度為0.20。

a)裙部縱向形線 b) 高度45 mm處裙部橫向橢圓圖5 活塞裙部型面方案B

2.1.2 有限元分析

通過(guò)有限元分析模擬額定工況下裙部側(cè)向壓力最大時(shí)方案A和B的裙部接觸壓力分布，結(jié)果分別如圖6、7所示(圖中單位為MPa)。由圖6、7可知，方案B的裙部最大接觸壓力低于方案A，并且接觸壓力分布比方案A更均勻，所以對(duì)方案B進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 方案A裙部接觸壓力分布 圖7 方案B裙部接觸壓力分布

2.2 裙部型面設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

從方案B的裙部接觸壓力分布情況可知，首先應(yīng)解決的是活塞下裙部與面窗相接的棱邊處局部接觸壓力過(guò)大的問(wèn)題，然后進(jìn)一步細(xì)化裙部型面設(shè)計(jì)，使裙部接觸壓力分布更均勻。經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整和計(jì)算，最終確定優(yōu)化方案(方案C )，如圖8所示。

a)裙部縱向形線 b)高度45 mm處裙部橫向橢圓圖8 裙部型面優(yōu)化方案(方案C)

圖9 優(yōu)化方案(方案C)裙部接觸壓力

方案C中，對(duì)活塞裙部不同高度上的橫向橢圓進(jìn)行分段處理，將公式(3)中的系數(shù)β設(shè)置為變量，根據(jù)不同高度上接觸壓力分布情況，確定β[18-19]。

優(yōu)化方案的裙部接觸壓力有限元計(jì)算結(jié)果如圖9所示(圖中單位為MPa)。由圖9可知，方案C裙部的接觸壓力分布與方案B相比有了非常大的改善，并且最大接觸壓力也從18.33 MPa降低到9.16 MPa。因此從理論分析的角度看，方案C比方案B更有利于減小活塞裙部和缸套的摩擦磨損并延長(zhǎng)活塞和缸套的使用壽命；使活塞裙部導(dǎo)向更好，有利于減小發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲，進(jìn)而有利于減小缸套的穴蝕。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)方案C進(jìn)行該活塞的樣件生產(chǎn)，然后對(duì)樣件的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行逐一檢驗(yàn)，并交付主機(jī)廠進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。第一階段試驗(yàn)為柴油機(jī)性能試驗(yàn)，主要包括起動(dòng)試驗(yàn)、各缸工作均勻性試驗(yàn)、調(diào)速性能試驗(yàn)、負(fù)荷特性試驗(yàn)、速度特性試驗(yàn)、萬(wàn)有特性試驗(yàn)等，累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間為200 h，主要考察柴油機(jī)是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)這些試驗(yàn)可以驗(yàn)證活塞裙部與缸套的配合情況。如果活塞裙部型面設(shè)計(jì)不合理，試驗(yàn)過(guò)程中活塞裙部和缸套的相應(yīng)部位就會(huì)出現(xiàn)異常磨損，甚至在試驗(yàn)剛開(kāi)始的階段就會(huì)出現(xiàn)拉缸的故障。

根據(jù)柴油機(jī)第一階段試驗(yàn)后主機(jī)廠反饋的結(jié)果，活塞在試驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行正常，試驗(yàn)后活塞裙部與缸套的貼合非常好，無(wú)異常磨損等現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

對(duì)某高強(qiáng)化船用柴油機(jī)鋼頂鐵裙組合活塞，提出不同的裙部型面設(shè)計(jì)方案并根據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最后對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)優(yōu)化改進(jìn)后方案C的最大接觸壓力和壓力分布均優(yōu)于方案A、B，說(shuō)明合理的裙部型面能顯著改善活塞裙部與缸套的接觸情況。

2)從臺(tái)架試驗(yàn)反饋的結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)過(guò)程中活塞運(yùn)行正常，試驗(yàn)后活塞裙部與缸套貼合正常，無(wú)異常磨損，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

3)隨著船用柴油機(jī)強(qiáng)化程度和壽命要求的不斷提高，活塞裙部的型面也越來(lái)越復(fù)雜，活塞裙部橫向橢圓需要設(shè)計(jì)高次橢圓甚至更復(fù)雜的橢圓，才能更好地與缸套匹配。