柴油機(jī)氣缸套四點(diǎn)磨損分析及機(jī)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李玉強(qiáng)，王有治，宋嬌，朱海燕，戴雨華，周濤，張紅雨

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061; 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

氣缸套和活塞環(huán)是柴油機(jī)最重要的摩擦副之一，活塞在氣缸套表面高速運(yùn)動(dòng)，活塞環(huán)外壁和氣缸套內(nèi)壁受到強(qiáng)烈的摩擦，因此需要活塞環(huán)與氣缸套建立良好的潤滑油膜減輕磨損[1-3]。柴油機(jī)工作過程中，氣缸套一環(huán)位置承受燃?xì)獾母邷睾透弑瑝?，工作環(huán)境最為苛刻，很容易發(fā)生異常磨損，導(dǎo)致柴油機(jī)壓縮壓力降低、功率下降、燃油和機(jī)油消耗增加、積碳嚴(yán)重、柴油機(jī)振動(dòng)加劇、噪聲增大等問題，甚至造成連桿、活塞、氣缸套損傷等可靠性問題。因此，研究氣缸套和活塞環(huán)的異常磨損很有必要。本文中針對(duì)某六缸柴油機(jī)氣缸套一環(huán)上止點(diǎn)處的異常磨損，分析異常磨損原因，提出改進(jìn)方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 故障描述

某六缸柴油機(jī)在完成1000 h耐久試驗(yàn)后拆檢，發(fā)現(xiàn)6個(gè)氣缸套一環(huán)上止點(diǎn)附近的前端、主推力側(cè)、后端和副推力側(cè)都存在不同程度的磨損(簡(jiǎn)稱四點(diǎn)磨損)。本文中以磨損較為嚴(yán)重的第5缸為研究對(duì)象進(jìn)行分析，第5缸氣缸套磨損情況如圖1所示，圖中紅圈所示為缸套磨損區(qū)。

a)前端 b)主推力側(cè) c)后端 d)副推力側(cè)圖1 第5缸氣缸套四點(diǎn)磨損情況

2 故障原因分析

氣缸套磨損的主要影響因素有氣缸套變形、活塞積碳和活塞環(huán)磨損[4-5]，現(xiàn)從這幾個(gè)方面對(duì)氣缸套磨損進(jìn)行分析。

2.1 氣缸套變形

2.1.1 冷態(tài)工況

氣缸套通過缸蓋螺栓把緊在機(jī)體上。在冷態(tài)工況下，氣缸套變形主要受缸蓋螺栓把緊力的影響[6]。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，氣缸套活塞環(huán)在上下止點(diǎn)位置難以形成穩(wěn)定的潤滑油膜，而上止點(diǎn)處溫度最高，因此最大磨損位置常發(fā)生在上止點(diǎn)附近[7]。在缸蓋螺栓把緊狀態(tài)下，采用V-INCOMETER測(cè)量系統(tǒng)對(duì)氣缸套上止點(diǎn)一環(huán)附近變形量進(jìn)行測(cè)量，該測(cè)量系統(tǒng)可直接測(cè)量裝配后的氣缸套內(nèi)孔并且能夠進(jìn)行傅里葉變換解析[8]。氣缸套一環(huán)變形量如圖2所示，其中：0°方向?yàn)闄C(jī)體前端，90°方向?yàn)闄C(jī)體主推力側(cè)，180°方向?yàn)闄C(jī)體后端，270°方向?yàn)闄C(jī)體副推力側(cè)；氣缸套一環(huán)變形量傅里葉解析結(jié)果如表1所示。

a)三維模型圖 b)一環(huán)變形量圖2 氣缸套一環(huán)變形量

表1 氣缸套一環(huán)變形量各階次傅里葉解析結(jié)果 μm

第四階傅里葉變形主要受缸蓋螺栓把緊力影響，最大變形在允許限值范圍內(nèi)；其余各階變形傅里葉解析結(jié)果也未超出限值，且氣缸套一環(huán)整體變形量在±8 μm內(nèi)，因此，可排除冷態(tài)下氣缸套變形對(duì)氣缸套四點(diǎn)磨損的影響。

2.1.2 熱態(tài)工況

柴油機(jī)在工作過程中，氣缸套內(nèi)壁直接受到高溫燃?xì)獾臒釕?yīng)力作用，產(chǎn)生熱變形，變形的大小直接決定氣缸套與活塞環(huán)的貼合程度，進(jìn)而影響氣缸套的磨損程度[9]。熱態(tài)工況下對(duì)氣缸套一環(huán)處變形量進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示(圖中單位為mm)。

由圖3可知，熱態(tài)工況下，氣缸套一環(huán)變形量比機(jī)體缸孔變形大21%，熱態(tài)爆壓工況下，氣缸套一環(huán)處變形進(jìn)一步增大,氣缸套一環(huán)變形受熱和爆壓的影響較大。

氣缸套變形會(huì)影響活塞環(huán)與氣缸套的貼合程度。貼合程度差，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量大，機(jī)油耗高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成活塞拉缸[10]。在做功沖程下，活塞一環(huán)受到燃?xì)獾耐馀蛎浟?，和氣缸套貼合良好，在非做功沖程下，活塞環(huán)與氣缸套的貼合程度主要受到氣缸套變形的影響。對(duì)活塞環(huán)與氣缸套的貼合程度進(jìn)行仿真分析，一環(huán)與氣缸套接觸壓力分布和間隙如圖4、5所示。由圖4、5可知，在上止點(diǎn)位置，一環(huán)在前后端方向及主、副推力側(cè)方向與氣缸套存在2.25～4.25 μm的間隙，貼合較差。

a) 熱態(tài)工況下氣缸套與機(jī)體缸孔變形量對(duì)比 b) 熱態(tài)工況和熱態(tài)爆壓工況下氣缸套一環(huán)變形量對(duì)比圖3 熱態(tài)工況氣缸套一環(huán)變形仿真分析

圖4 一環(huán)與氣缸套接觸壓力分布及變形示意圖 圖5 一環(huán)與氣缸套間隙

2.2 活塞積碳

當(dāng)氣缸套表面的潤滑油膜被破壞，導(dǎo)致缸套與活塞環(huán)的磨損加劇時(shí)，機(jī)油會(huì)通過活塞環(huán)的間隙和背隙進(jìn)入燃燒室，柴油機(jī)會(huì)出現(xiàn)燒機(jī)油的情況并在一環(huán)岸處產(chǎn)生積碳?；钊画h(huán)岸積碳過多會(huì)導(dǎo)致氣缸套磨損，甚至導(dǎo)致拉缸，為解決積碳過多問題，一般在氣缸套頂面處加刮碳環(huán)[11]，該機(jī)型已經(jīng)裝配刮碳環(huán)?；钊画h(huán)岸積碳情況如圖6所示。由圖6可知，活塞一環(huán)岸積碳不嚴(yán)重，可排除積碳對(duì)氣缸套磨損的影響。

圖6 活塞一環(huán)岸積碳情況

活塞二環(huán)岸留有泄壓槽，泄壓槽的作用是降低活塞一、二環(huán)之間的壓力，防止二環(huán)上側(cè)壓力過高導(dǎo)致一環(huán)懸浮引起漏氣和竄油。由于活塞一環(huán)幾乎不控油，因此允許泄壓槽留有積碳。并且氣缸套四點(diǎn)磨損位置處于一環(huán)下側(cè)，在一環(huán)的行程范圍內(nèi)，活塞二環(huán)岸沒有發(fā)現(xiàn)與氣缸套接觸的痕跡，因此泄壓槽積碳對(duì)氣缸套四點(diǎn)磨損影響不大。

2.3 活塞環(huán)磨損

氣缸套四點(diǎn)磨損區(qū)在一環(huán)上止點(diǎn)附近，拆卸后的活塞一環(huán)截面如圖7所示。由圖7可知，活塞環(huán)表面鍍層沒有完全磨掉，磨損均勻，且周向無異常接觸痕跡。

圖7 活塞一環(huán)及截面

由以上分析可知，熱態(tài)下氣缸套變形過大是氣缸套四點(diǎn)磨損的主因。在排氣上止點(diǎn)時(shí)刻，缸內(nèi)壓力小，由于活塞上止點(diǎn)一環(huán)位置氣缸套熱態(tài)變形過大，一環(huán)在前端、主推力側(cè)、后端、副推力側(cè)4個(gè)位置與氣缸套貼合較差，高溫排氣沿一環(huán)未貼合面下行，破壞潤滑油膜。壓縮上止點(diǎn)時(shí)刻，缸內(nèi)壓力高，一環(huán)在氣體壓力作用下與氣缸套前端、主推力側(cè)、后端、副推力側(cè)4個(gè)位置貼合，氣缸套下行時(shí)活塞一環(huán)與氣缸套產(chǎn)生干摩擦，氣缸套發(fā)生四點(diǎn)磨損。

3 優(yōu)化措施

為減小氣缸套四階變形，通常采取的方法是增加氣缸套壁厚提升氣缸套的剛度。一般氣缸套壁厚約為缸徑的7%～8%[12-15]，該機(jī)型氣缸套壁厚約為缸徑的7.5%，滿足要求。

由氣缸套變形分析可知，氣缸套一環(huán)處隨著機(jī)體缸孔的變形而變形，所以，可通過加強(qiáng)機(jī)體剛度改善氣缸套四點(diǎn)磨損問題。

氣缸套一環(huán)處磨損嚴(yán)重，采取3條措施對(duì)該位置的機(jī)體剛度進(jìn)行加強(qiáng)[16]。

1)加寬機(jī)體上頂面，機(jī)體主、副推力側(cè)寬度由21.7、21.5 mm增加到39 mm，如圖8所示。

2)加厚機(jī)體上頂面，機(jī)體主、副推力側(cè)厚度由15 mm增加到20 mm，氣缸套一環(huán)位置機(jī)體主、副推力側(cè)增加橫向、豎向加強(qiáng)筋，如圖9所示。

3)減小部分冷卻水套厚度，對(duì)氣缸套支撐肩下部加厚，由26 mm增加到46 mm，如圖10所示。

a)原模型 b)新模型圖8 機(jī)體上頂面優(yōu)化前后對(duì)比

a)主推力側(cè)原模型 b)主推力側(cè)新模型 c) 副推力側(cè)原模型 d) 副推力側(cè)新模型圖9 機(jī)體主、副推力側(cè)優(yōu)化前后對(duì)比

a)原模型 b)新模型圖10 機(jī)體支撐肩下部?jī)?yōu)化前后對(duì)比

4 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

熱態(tài)工況下，對(duì)新方案氣缸套變形情況進(jìn)行仿真，一環(huán)與氣缸套間隙仿真結(jié)果如圖11所示，一環(huán)與氣缸套接觸壓力分布及變形示意圖如圖12所示；原、新方案氣缸套一環(huán)變形仿真對(duì)比如圖13所示(圖中單位為mm)。由圖11～13可知，熱態(tài)工況下，一環(huán)與氣缸套間隙平均減小了78%，一環(huán)與氣缸套接觸壓力更加均勻，新方案氣缸套一環(huán)變形比原方案平均減小了16%。

圖11 新方案一環(huán)與氣缸套間隙仿真結(jié)果

圖12 新方案一環(huán)與氣缸套接觸壓力分布及變形示意圖 圖13 原、新方案氣缸套一環(huán)變形對(duì)比

新方案1000 h耐久試驗(yàn)后的四點(diǎn)磨損情況如圖14所示。由圖14可知，氣缸套網(wǎng)紋形貌良好，沒有發(fā)生四點(diǎn)磨損現(xiàn)象。

a)前端 b)主推力側(cè) c)后端 d)副推力側(cè)圖14 新方案氣缸套四點(diǎn)磨損情況

5 結(jié)論

1)氣缸套一環(huán)上止點(diǎn)處變形受到機(jī)體一環(huán)岸部位結(jié)構(gòu)影響非常大，機(jī)體強(qiáng)度不足，活塞環(huán)與氣缸套貼合程度變差，排氣上止點(diǎn)時(shí)刻高溫排氣沿一環(huán)未貼合面下行，破壞了潤滑油膜，導(dǎo)致活塞環(huán)與氣缸套發(fā)生不正常磨損。

2)增強(qiáng)機(jī)體剛度可以減小氣缸套一環(huán)上止點(diǎn)處的變形，改善氣缸套一環(huán)處的磨損狀況。