發(fā)動機液壓鎖形成模式對活塞失效的影響

祝傳亮，曹國帥，鄭洪國，黃超，趙昌鋒,張學祿

1.濱州渤?；钊邢薰?，山東 濱州 256600；2.山東省發(fā)動機活塞摩擦副重點實驗室，山東 濱州 256600

0 引言

隨著發(fā)動機性能的提高，活塞組件的工作環(huán)境更趨惡劣[1-4]，發(fā)動機更容易產(chǎn)生不同的失效模式。眾多的失效模式中，發(fā)動機形成液壓鎖進而導致發(fā)動機失效是一種不太常見的失效模式，但是這種失效模式會對發(fā)動機造成極其嚴重的損害，導致相關零部件彎曲、碎裂等故障發(fā)生，甚至可能造成整臺發(fā)動機報廢。

本文中針對液壓鎖形成模式對活塞失效的影響進行研究，分析液壓鎖失效模式的判定思路，為液壓鎖導致的活塞失效分析提供參考。

1 活塞失效分析

當發(fā)動機處于靜止或運行狀態(tài)時，液體(水、冷卻劑、機油或燃油)以非正常狀態(tài)進入燃燒室，由于液體具有不可壓縮性，活塞和曲軸在壓縮行程中承受巨大的應力，在該應力作用下導致發(fā)動機運動件出現(xiàn)不同形式的失效，如活塞環(huán)岸斷裂、連桿彎曲、曲軸損壞等，這種情況導致的失效稱為液壓鎖失效。

1.1 失效描述

某1.3 L直列四缸四沖程增壓發(fā)動機，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機主要性能參數(shù)

該發(fā)動機進行耐久試驗運行到356 h時，由于曲軸箱壓力過大報警，拆機后發(fā)現(xiàn)4只活塞的第2環(huán)岸均出現(xiàn)了斷裂，部分活塞的第3環(huán)岸也出現(xiàn)了斷裂失效?；钊嫱庥^如圖1所示。

圖1 活塞失效面外觀

1.2 失效原因分析

在熱應力、機械應力、高溫等因素綜合作用下，如果活塞環(huán)岸承受的載荷大于設計承受能力，活塞極易發(fā)生環(huán)岸斷裂失效[5-8]?；钊h(huán)岸在載荷Fg作用下斷裂失效示意圖如圖2所示?；钊h(huán)岸斷裂是一種常見的失效模式，造成活塞斷裂的原因主要有：1)活塞結構強度不足；2)活塞材料不合格，導致活塞各項物理性能參數(shù)下降，不能滿足活塞的使用要求；3)活塞失效部位存在鑄造缺陷；4)發(fā)動機有液體進入缸孔，形成液壓鎖；5)發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，如果超負荷工作，活塞及相關零部件的變形量過大；6)燃燒系統(tǒng)工作不正常，發(fā)動機爆震。

圖2 環(huán)岸斷裂失效示意圖

通過核對發(fā)動機運行數(shù)據(jù)，整個試驗過程中無明顯超負荷運轉(zhuǎn)，也沒有出現(xiàn)發(fā)動機爆震，因此導致活塞環(huán)岸斷裂的上述原因中最后2項可以排除。

1.2.1 結構強度計算

仿真計算軟件為分析活塞工作狀態(tài)提供強有力的手段[9-11]。以活塞中心線為z軸，x、y軸分別平行、垂直于活塞銷中心線[12]。采用ANSYS軟件對故障件結構強度進行有限元分析，建立活塞網(wǎng)格模型，對模型進行網(wǎng)格劃分，共296 669個單元、434 643個節(jié)點，有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。對活塞環(huán)岸部位的疲勞系數(shù)進行有限元分析，計算結果如圖4所示。由圖4可知：活塞最小疲勞系數(shù)為1.307，位于主推力側，滿足活塞環(huán)岸的疲勞系數(shù)許用限值，符合設計要求，因此活塞設計方案不存在強度不足的問題，造成活塞失效的原因1)可以排除。

圖3 活塞網(wǎng)格模型 圖4 活塞環(huán)岸部位疲勞系數(shù)

1.2.2 物理性能檢測

活塞本體鋁合金材料的物理性能影響活塞的整體結構強度，活塞物理性能參數(shù)主要包括材料成分、金相、抗拉強度以及硬度等[13]。

采用光譜分析儀對活塞材料成分進行檢測，活塞材料化學成分質(zhì)量分數(shù)如表2所示。由表2可知，材料各成分配比滿足要求。

表2 活塞材料的主要化學成分質(zhì)量分數(shù) %

將活塞制作成金相檢測樣塊，如圖5所示。通過金相顯微鏡進行金相檢測，金相檢測微觀組織如圖6所示。由圖6可知：基體α-固溶體較細小，共晶硅呈短條狀，初晶硅呈小塊狀，分布均勻(二級)；鐵相針狀，鐵相夾雜物不明顯(一級)，滿足設計要求。

圖5 金相檢測樣塊 圖6 活塞微觀金相組織

受失效影響，在原活塞本體上無法取出抗拉強度試棒，因此調(diào)取同批次未裝機活塞進行抗拉強度和硬度檢測，活塞物理性能檢測結果如表3所示。由表3可知，活塞材料物理性能滿足設計要求。

表3 活塞物理性能檢測結果

通過以上檢測分析，材料物理性能滿足要求，失效原因2)可以排除。

1.2.3 鑄造缺陷檢測

如果活塞本體中存在鑄造缺陷，缺陷部位將會導致活塞結構強度降低，發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，活塞有可能在該部位出現(xiàn)失效。

為了確定開裂處是否存在鑄造等其它宏觀缺陷，對開裂部分進行CT掃描，CT檢測結果如圖7所示。由圖7可知：活塞各方向均沒有明顯鑄造缺陷。因此，造成活塞失效原因3)可以排除。

a)水平方向 b)平行于銷孔方向 c)垂直于銷孔方向

1.3 失效原因確認

通過以上分析可知，造成活塞失效的原因4)具有最大可能。對發(fā)動機進行詳細拆解檢測，發(fā)現(xiàn)空濾、進氣歧管內(nèi)有機油殘留，進氣壓力傳感器中也發(fā)現(xiàn)有很厚的油漬，可以判定機油進入缸孔形成液壓鎖是導致發(fā)動機失效的主要原因。

2 形成液壓鎖的液體來源及判定方法

2.1 液體來源

發(fā)動機形成液壓鎖的液體主要包括冷卻液、機油和燃油。1)冷卻液。缸墊密封不好，或缸蓋的平面度達不到使用要求，會導致發(fā)動機水溫升高或開鍋現(xiàn)象，冷卻液壓力升高，越過密封墊進入缸孔、燃燒室，影響發(fā)動機正常工作。2)機油。發(fā)動機有時出現(xiàn)燒機油的情況，具體失效過程為：發(fā)動機漏氣量增大，大量氣體通過活塞組進入曲軸箱，導致曲軸箱壓力增大，曲通管或油氣分離器堵塞，機油通過曲通管進入空濾、進氣管、燃燒室，出現(xiàn)燒機油、冒藍煙、動力下降等異?，F(xiàn)象。隨著進入油量的增多，進入的機油不能完全燃燒，剩余的機油會導致液壓鎖失效的發(fā)生。3)燃油。發(fā)動機噴油故障，噴油嘴出現(xiàn)長噴油現(xiàn)象，導致缸孔內(nèi)在壓縮沖程時積存大量燃油，形成液壓鎖。

2.2 液壓鎖形成判定思路

發(fā)動機從失效到拆機一般會間隔一段時間，在條件允許的前提下，間隔時間應該盡可能短。如果發(fā)動機不能及時拆機，可能會導致造成失效的冷卻液或油品揮發(fā)，不能準確判斷失效的具體原因，因此及時拆機對判定發(fā)動機液壓鎖失效非常重要。

發(fā)動機在試驗或使用過程中，一旦出現(xiàn)形成液壓鎖失效但拆機不及時的情況，如何判斷導致失效的根本原因?qū)⑹且粋€非常棘手的問題。如果拆機后沒有發(fā)現(xiàn)明顯的液體，判定發(fā)動機形成液壓鎖導致的失效可以從以下思路著手。

2.2.1 冷卻液形成的液壓鎖

在活塞、缸套等相關零部件形成的密閉空間內(nèi)沒有出現(xiàn)冷卻液泄漏時，由于冷卻液的揮發(fā)性較差，拆機過程中如果發(fā)現(xiàn)冷卻液，可以直接判定該種失效模式。如果出現(xiàn)泄漏，由于冷卻液的清洗作用，失效缸的活塞與其它缸的活塞相比要相對干凈，該種現(xiàn)象可以作為液壓鎖失效的間接判定依據(jù)。冷卻液進入缸孔后的活塞外觀如圖8所示。

圖8 冷卻液進入缸孔后的活塞外觀

2.2.2 機油形成的液壓鎖

發(fā)動機經(jīng)過長時間運行，在活塞頂面會形成一定厚度的燃油積碳，正常情況下積碳以固體狀牢固地附著在活塞頂面，不易脫落。機油進入到缸孔后，對活塞頂面的積碳有溶解稀釋作用，最終活塞頂面積碳與機油融合成油泥狀。因此，活塞頂面的積碳如果以油泥狀態(tài)存在，基本可以判斷機油導致的液壓鎖失效。

2.2.3 燃油形成的液壓鎖

由于燃油的易揮發(fā)性，燃油導致的液壓鎖失效模式很難通過拆機找到直接證據(jù)。燃油導致的液壓鎖一般是噴油正常但發(fā)動機失火不能正常工作造成的，此時，發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中會表現(xiàn)出功率下降、動力不足的現(xiàn)象。因此，發(fā)動機性能下降可以作為判定燃油導致液壓鎖的一種外在表現(xiàn)。

3 液壓鎖導致的活塞失效模式及預防

3.1 活塞環(huán)岸斷裂

導致活塞環(huán)岸斷裂的原因有很多，液壓鎖是其中之一?；钊h(huán)岸斷裂的失效模式較多發(fā)生在活塞的主推力側，一般情況下為活塞第2環(huán)岸斷裂，比較嚴重的會導致第3環(huán)岸甚至油環(huán)槽以下區(qū)域出現(xiàn)斷裂。

3.2 活塞頂面開裂

活塞在活塞銷的支撐下可以簡化為懸臂梁受力模型，如圖9所示，活塞銷簡化為O點，活塞簡化為懸臂梁，當頂部壓力F足夠大時，懸臂梁就會在O點處出現(xiàn)斷裂。對應到活塞組件，則沿銷孔方向活塞頂面出現(xiàn)開裂。

圖9 摩擦副組件受力模型

如果活塞沿銷孔方向從頂面開裂，則為脆性斷裂，失效面沒有明顯的疲勞裂紋區(qū)，具體失效外觀如圖10所示。

圖10 活塞開裂失效模式外觀

3.3 預防措施

液壓鎖產(chǎn)生的活塞失效模式屬于被動失效，一旦出現(xiàn)這種失效模式，活塞基本報廢，嚴重者甚至整機報廢，應盡可能避免出現(xiàn)液壓鎖失效，而解決該種失效只能從發(fā)動機的角度考慮，防止冷卻液或油品非正常進入缸孔。

4 結語

針對該發(fā)動機出現(xiàn)的活塞環(huán)岸斷裂失效，總結了導致活塞失效的原因，進行了失效分析，確定本次活塞失效的根本原因為發(fā)動機形成了液壓鎖；分析了形成液壓鎖的液體來源及診斷方法，總結了液壓鎖導致的活塞失效模式，為環(huán)岸斷裂或液壓鎖產(chǎn)生的活塞失效提供了詳細的分析方法。