柴油机活塞销孔型线对比分析研究

活塞所承受的 随着发动机功 率 及 转 速 的 提 高 ， 燃气压力及惯性力 越 来 越 高 ， 活塞销座承受的机械 传统的圆柱形活塞销孔 负荷和热负荷也越 来 越 高 ， 因此需 开裂和磨损的问题 制 约 了 发 动 机 的 可 靠 性 ， 采用异形销孔型线 使 活 塞 销 孔 应 力 均 布 ， 降低活塞 销座处的应力集中 ， 达到提高销座承载能力 、 防止开 裂、 降低磨损的目的 。 活塞 销 座 设 计 过 程 中 ， 合理匹配销孔型线是关 键环节 。 目前对于销孔型线多在工程经验的基础上
图 ２ 销孔型线示意
处存在型线的突变点 ， 导致应力 突 然 增 大 ， 通过图５ 可清晰地看到这 两 处 直 线 交 点 处 形 成 的 应 力 凸 点 。 方案 ２ 由于销座宽 度 较 窄 不 能 覆 盖 型 线 长 度 ， 导致 销 孔 靠 近 内 侧 直 径 尺 寸 偏 小， 因 此 应 力 最 大。 方案 ３除上侧圆 角 处 应 力 较 高 外 ， 其余各处应力变 化相对 平 缓 ， 且较方案１和方案２应力幅值明显 降低 。
·７ ９· ２ ０ １ ７ 年 ６ 月 张利敏 ，等 ：柴油机活塞销孔型线对比分析研究 表 １ 活塞计算模型方案
方案 １ ２ ３ 销座结构 楔形 楔形 阶梯形 销孔型线 ３ 段型线 ７ 段型线 ７ 段型线
图 ４ 活塞温度场计算结果
各方案右侧销 图 ５ 示出仅受 机 械 载 荷 作 用 下 ， 孔承力面 内提 取的应力 变化曲 线 ， 其中 ０ ， １ 分别 外侧距活塞中心线距离 。 由图 ５ 可知 ， 在 为销孔内 、 相同的机械载荷作 用 下 ， 各方案对应销孔上侧圆角 处应力最大 ， 按应力从大到小排序为方案 ２、 方案 １、 方案 ３。 方 案 １ 由 于 采 用 ３ 段 型 线 ， 在直线的交点
结构接触表面应力 水 平 的 差 异 ， 在结构上判断销孔 在分析活塞销运动及摩 型线匹配的合 理 性 。 另 外 ， 擦磨损状态方面以及在评价异形活塞销孔结构时还
５ ９］ 采用考虑活塞热变形的弹流润滑分析方 法 ［ ， 通过
润滑特征评价型线 匹 配 的 合 理 性 ， 该方法能够准确 直观地反映不同异形结构对润滑特性及磨损状态的 影响 。 在实际使用 过 程 中 ， 综合利用两种评价方法 准确地匹配销孔型线 ， 同时对使用过程中出 可快速 、 现的问题进行快速排查并完成设计改进 。 本研究针对某高强化柴油机活塞销孔磨损故 障， 通过调整销孔型线及销座结构 ， 开展多方案结构 有限元对比分析 ， 在此基础上 ， 借助弹流润滑分析方 法， 开展不同型线下活塞销孔轴承润滑状态研究 ， 从 而优选销孔型线 ， 最终方案经整机试验进行了验证 。
１ ４］ 采用有限元方法进行评价 ［ ， 通过表征异形 销孔 对
活塞采用振荡冷却油腔 ， 楔形销座结构 。 图 １ 示 型， 出活塞销孔试验后磨损照片 。 通过对活塞销孔磨损 活塞销孔外侧磨损严重 ， 内侧 情况观察及检测可知 ， 说明活塞的热变形很大 ， 活塞销整个承 无接触痕迹 ， 力面靠外 ， 这样的 匹 配 状 态 导 致 活 塞 销 的 弯 曲 变 形 及椭圆变形增大 ， 从而使活塞销座过度磨损 ， 因此需 进一步开展不同销座结构与活塞型线对销孔承载的 影响研究 ， 调整结构方案 。
图 １ 活塞销孔试验后磨损情况
２ 活塞销座及型线有限元对比分析
针对 前 述 问 题 ， 通过调整活塞销座结构和销孔 型线 ， 分别提出３种匹配方案（ 见 表 １） 。其中销孔 型线示意见图 ２， 分别为 ３ 段 型线 和 ７ 段 型 线 ， 其中 中间直 ３ 段型线为初 期 验 证 试 验 时 所 采 用 的 型 线 ， 段较长 ， 且内外锥孔锥度相同 ； ７段型线中间直段较 短， 销孔外侧型线较内侧型线长 ， 且在外侧设置了更 大的尺寸增 量 。 销 座 结 构 见 图 ３， 分别采用楔形和 受结构限制 ， 文中所采用的楔 阶梯形两种结构形式 ， 形销座比阶梯形销座窄 。
第 ３期（ 总第 ２ ３ ０期） ２ ０ １ ７年６月
车 用 发 动 机 Ｖ ＥＨ Ｉ Ｃ Ｌ ＥＥ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ
（ ） Ｎ ｏ ． ３ Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌＮ ｏ ． ２ ３ ０ Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ７
柴油机活塞销孔型线对比分析研究
张利敏１ ，卢士勇２ ，韩琦３ ，刘志刚１ ，张伟１
（ 中国北方发动机研究所 （ 天津 ） ，天津 ３ 中国人民解放军驻 ６ １． ０ ０ ４ ０ ０； ２． １ ８ 厂军事代表室 ，北京 １ ０ ０ ０ ７ ２； 陆军装甲兵军事代表局业务处 ，北京 １ ） ３． ０ ０ ８ ５ １ 分 别 借 助 有 限 元 方 法 和 ＥＨＤ 仿 真 方 法 研 究 了 不 同 销 座 结 构 匹 配 摘要 ：针对某柴油机活塞销孔的磨损问题 ， 多种销孔型线对接触应力的影响 ， 及不同活塞销孔 型 线 对 润 滑 特 征 评 价 参 数 的 影 响 。 综 合 研 究 表 明 ， 活塞销孔型 线与热变形匹配不合理所引起的润滑状态恶化是导致活塞销孔磨损的直接原因 ， 因此通过合理调整销孔型线可使 润滑状态良好 ， 并有效降低活塞销座磨损风险 。 接触应力均匀 ， 关键词 ：内燃机 ；活塞销孔 ；型线 ；磨损 ；润滑 ／ ⦠： １ ０． ３ ９ ６ ９ ｉ ． ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ ２ ２ ２ ２． ２ ０ １ ７． ０ ３． ０ １ ４ ｊ 中图分类号 ： （ ） Ｔ Ｋ ４ １ ３． ３ ３ 文献标志码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ０ ０ １ ２ ２ ２ ２ ２ ０ １ ７ ０ ３ ０ ０ ７ ８ ０ ４
１ 活塞销座故障分析
某柴油 机 为 Ｖ 型 、 四 冲 程、 水 冷、 增压机 １ ２ 缸、
２ ０ １ ７ ０ ３ ０ ６；修回日期 ： ２ ０ 介 ：张利敏 （ ， 男， 副研究员 ， 博士 ， 主要研究方向为内燃机结构设计及优化 ； １ ９ ８ ３—） ｔ ｕ． ｚ ｌ ｍｗ ａ ｎ＠ａ ｌ ｉ ｕ ｎ． ｃ ｏ ｍ。 ｊ ｙ