某發(fā)動機(jī)活塞環(huán)岸斷裂原因分析及改進(jìn)

陳小波

（柳州五菱柳機(jī)動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

在倡導(dǎo)碳中和的大環(huán)境下，汽車行業(yè)各大主機(jī)廠都在卯足勁的開發(fā)高效率發(fā)動機(jī)1，以應(yīng)對更為嚴(yán)格的排放及油耗法規(guī)，同時(shí)混合動力車型也有更高效率發(fā)動機(jī)的需求，各大主機(jī)廠為提高自己的形象品牌，也都在同步開展高性能發(fā)動機(jī)的研發(fā)，以應(yīng)用在中高端車型上。某高性能發(fā)動機(jī)在開發(fā)過程中，出現(xiàn)活塞環(huán)岸斷裂的情況，因此，本文針對該情況進(jìn)行問題分析及改進(jìn)驗(yàn)證。

1 問題發(fā)現(xiàn)

某高性能發(fā)動機(jī)在進(jìn)行耐久測試過程中出現(xiàn)曲軸箱壓力上限報(bào)警停機(jī)的情況。經(jīng)現(xiàn)場排查，并使用測功機(jī)倒拖發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速至300 rpm，測量發(fā)動機(jī)缸壓，其中第2缸出現(xiàn)缸壓偏低的現(xiàn)象，經(jīng)過使用內(nèi)窺鏡檢查各氣缸的缸孔，發(fā)現(xiàn)第2缸的活塞頂面存有大量機(jī)油的現(xiàn)象。經(jīng)檢查發(fā)動機(jī)主油道壓力、機(jī)油溫度、發(fā)動機(jī)進(jìn)水流量等試驗(yàn)邊界，未見明顯異常的情況。如圖1為主油道壓力隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線，未見明顯異常。

圖1 主油道壓力曲線

經(jīng)過拆解發(fā)動機(jī)發(fā)現(xiàn)第2缸活塞環(huán)岸存在斷裂的現(xiàn)象，如圖2所示。經(jīng)檢測，失效活塞裙部無明顯拉痕，活塞銷座無裂紋，活塞環(huán)岸銷座方向靠近發(fā)動機(jī)前端側(cè)出現(xiàn)斷裂的情況，斷裂從第一環(huán)岸起始，整個(gè)活塞環(huán)岸出現(xiàn)斷裂掉落現(xiàn)象。

圖2 活塞環(huán)岸斷裂

2 問題排查

用肉眼觀察活塞斷口位置，如圖3活塞環(huán)岸斷口斷面，可見斷口表面有明顯的放射紋及宏觀疲勞紋的現(xiàn)象，放射紋的收斂位置均位于第一道活塞環(huán)的環(huán)槽根部，環(huán)槽根部肉眼觀察疑似無倒圓，可能存在應(yīng)力集中情況。

圖3 活塞環(huán)岸斷口斷面

斷口經(jīng)超聲波清洗后使用電鏡觀測，斷口表面均未見明顯鑄造缺陷，斷口表面已被氧化，斷口的斷面未見疲勞條帶。活塞疲勞源，箭頭如圖4所示。

圖4 活塞斷口疲勞源

活塞斷口的疲勞源、擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)的形貌均為準(zhǔn)解理2，具體形貌如下圖5、圖6?；钊麛嗫诒砻娴奈⒂^形貌全部為準(zhǔn)解理斷口，說明活塞環(huán)岸在裂紋萌生后，斷口部位收到較大應(yīng)力，裂紋擴(kuò)展速度較快。

圖5 活塞疲勞擴(kuò)展區(qū)

圖6 活塞瞬斷區(qū)

截取故障件活塞部分樣塊進(jìn)行金相組織及硬度檢測，金相組織為a固溶體+分布均勻的細(xì)小點(diǎn)狀共晶硅，級別為1級，組織細(xì)致，金相檢測符合技術(shù)要求。同時(shí)檢測硬度為103 HB，技術(shù)要求為100 HB-140 HB，硬度同樣滿足技術(shù)要求。

活塞環(huán)岸斷裂件的裂紋源位置為疲勞源位于第一道活塞環(huán)的環(huán)槽根部，宏觀觀察可見裂紋源附近平面存在疑似加工刀痕的環(huán)狀痕跡，如上圖7所示，后經(jīng)進(jìn)一步確認(rèn)該痕跡不是加工刀痕，為活塞環(huán)拍打痕跡。

圖7 活塞斷口旁壓痕

對環(huán)槽斷裂的故障件進(jìn)行第一環(huán)槽根部圓角測量，同時(shí)對同一批次活塞進(jìn)行第一環(huán)槽根部圓角測量，測量結(jié)果見表1，測量結(jié)果合格（根部倒圓圖紙要求為：0.45～0.55）。

表1 第一環(huán)岸根部圓角檢測數(shù)據(jù)

對故障件進(jìn)行化學(xué)元素分析，分析結(jié)果見表2?；瘜W(xué)元素檢測合格。

表2 化學(xué)成分（%）

3 方案改進(jìn)

結(jié)合問題排查的綜合分析，零部件質(zhì)量未見任何異常。導(dǎo)致活塞發(fā)生疲勞斷裂問題考慮兩方面：一方面活塞本身設(shè)計(jì)強(qiáng)度不滿足；另一方面活塞受力異常變化。通過對發(fā)動機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行回顧，檢查發(fā)動機(jī)最大爆壓是否超出設(shè)計(jì)，發(fā)動機(jī)耐久循環(huán)工況對發(fā)動機(jī)爆震情況進(jìn)行監(jiān)控，以監(jiān)控防止異常的爆燃爆壓導(dǎo)致活塞受力過大，引起疲勞發(fā)生。檢查發(fā)現(xiàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)未見異常，同時(shí)在耐久工況中未見異常的爆燃爆震，因此優(yōu)化活塞環(huán)岸疲勞斷裂故障問題考慮從提升活塞強(qiáng)度方面降低疲勞發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

如圖8為活塞環(huán)岸結(jié)構(gòu)示意圖，對A和B尺寸優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表3所列。

圖8 活塞環(huán)岸結(jié)構(gòu)示意圖

表3 活塞尺寸優(yōu)化對比

根據(jù)尺寸優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行活塞樣件制造，并制作用于測試活塞各關(guān)鍵處溫度，得出活塞表面各關(guān)鍵處的溫度后用于活塞疲勞分析。如下圖9為活塞溫度場試驗(yàn)硬度塞的分布情況。根據(jù)溫度場的試驗(yàn)要求，搭載發(fā)動機(jī)進(jìn)行溫度場試驗(yàn)。

圖9 活塞硬度塞分布情況

如下圖10為各硬度塞布點(diǎn)4個(gè)缸的平均溫度，最高溫度為活塞為310℃。

圖10 各布點(diǎn)平均溫度

根據(jù)活塞溫度場實(shí)測結(jié)果，將各部位的溫度作為疲勞分析的輸入邊界3，對優(yōu)化后的活塞進(jìn)行疲勞強(qiáng)度有限元分析?；钊捌浣M件的有限元網(wǎng)格如下圖11所示。網(wǎng)格信息見如下表格4。

圖11 活塞有限元網(wǎng)格

表4 活塞及其組件網(wǎng)格信息

通過有限元仿真，優(yōu)化后活塞第一環(huán)槽的疲勞安全系數(shù)為1.602，滿足要求。如圖12為第一環(huán)槽不同部位疲勞系數(shù)。

圖12 活塞第一環(huán)槽疲勞系數(shù)

對改進(jìn)后的活塞搭載發(fā)動機(jī)進(jìn)行耐久檢測，在整個(gè)檢測過程再也沒有出現(xiàn)類似問題，經(jīng)過耐久拆機(jī)檢查也未發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)岸斷裂及其他故障問題。同時(shí)進(jìn)行高低溫冷熱沖擊耐久試驗(yàn)，也順利通過了相應(yīng)的檢測。

4 結(jié)語

通過對發(fā)動機(jī)進(jìn)行耐久檢測的過程中發(fā)生活塞環(huán)槽斷裂的問題，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)槽斷裂為疲勞斷裂，通過對活塞進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并通過活塞溫度場試驗(yàn)及有限元分析活塞疲勞安全檢測，確認(rèn)最終的優(yōu)化方案，經(jīng)驗(yàn)證，該優(yōu)化方案能順利通過發(fā)動機(jī)臺架的耐久試驗(yàn)。