柴油机活塞销孔型线对比分析研究

张利敏， 卢士勇， 韩琦， 刘志刚， 张伟

(1. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 2. 中国人民解放军驻618厂军事代表室， 北京 100072； 3. 陆军装甲兵军事代表局业务处， 北京 100851)



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

(1. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 2. 中国人民解放军驻618厂军事代表室， 北京 100072； 3. 陆军装甲兵军事代表局业务处， 北京 100851)

针对某柴油机活塞销孔的磨损问题，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接触应力均匀，润滑状态良好，并有效降低活塞销座磨损风险。

内燃机； 活塞销孔； 型线； 磨损； 润滑

随着发动机功率及转速的提高，活塞所承受的燃气压力及惯性力越来越高，活塞销座承受的机械负荷和热负荷也越来越高，传统的圆柱形活塞销孔开裂和磨损的问题制约了发动机的可靠性，因此需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采用有限元方法进行评价[1-4]，通过表征异形销孔对结构接触表面应力水平的差异，在结构上判断销孔型线匹配的合理性。另外，在分析活塞销运动及摩擦磨损状态方面以及在评价异形活塞销孔结构时还采用考虑活塞热变形的弹流润滑分析方法[5-9]，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可快速、准确地匹配销孔型线，同时对使用过程中出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 活塞销座故障分析

某柴油机为V型、12缸、四冲程、水冷、增压机型，活塞采用振荡冷却油腔，楔形销座结构。图1示出活塞销孔试验后磨损照片。通过对活塞销孔磨损情况观察及检测可知，活塞销孔外侧磨损严重，内侧无接触痕迹，说明活塞的热变形很大，活塞销整个承力面靠外，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3段型线为初期验证试验时所采用的型线，中间直段较长，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，分别采用楔形和阶梯形两种结构形式，受结构限制，文中所采用的楔形销座比阶梯形销座窄。

表1 活塞计算模型方案

图3 不同活塞销座结构示意

首先建立了活塞组件分析模型，其中包括活塞、活塞销、连杆和连杆小头衬套。为逼近真实工况，活塞销孔与活塞销、活塞销与连杆小头之间按照有摩擦的非线性接触定义，连杆大头端施加位移约束。表2示出了活塞组件有限元分析步所施加的载荷。图4示出采用同一热边界，不同销座结构的活塞温度场计算结果。

表2 有限元计算中施加的部分载荷及约束

图4 活塞温度场计算结果

图5示出仅受机械载荷作用下，各方案右侧销孔承力面内提取的应力变化曲线，其中x0，x1分别为销孔内、外侧距活塞中心线距离。由图5可知，在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。

图5 机械载荷作用下各方案销座孔应力的变化

图6示出活塞在热机耦合工况下，各方案活塞销孔承力面内提取的应力变化曲线。综合前述分析结果，活塞型线可部分补偿活塞热变形，因此热机耦合工况下的活塞应力比机械载荷下的活塞应力要小。方案3销孔上侧圆角处应力大幅下降，销座孔承载面应力均匀，整体接触状态较好，而其余两个方案的应力分布规律与机械载荷下的应力分布规律基本一致。由此针对前述销座磨损故障可初步确定采用阶梯形销座匹配7段型线结构，该设计对解决销座磨损故障作用较大。

图6 热机载荷作用下各方案销座孔应力的变化

3 不同销孔型线下润滑特征参数对比分析

由于结构有限元分析没有考虑轴承内油膜润滑的影响，因此还需借助弹流润滑分析方法进一步验证采用阶梯形销座匹配不同型线时的油膜压力分布情况。

采用AVLExcitePU软件建立活塞销座EHD分析模型(见图7)，并在模型中输入叠加热变形的各型线参数，计算分析销座孔油膜峰值压力在销座孔承压区的分布情况，以及其他可表征润滑状态特征的指标值。

图7 活塞销座EHD分析模型

考虑到销座孔对称且受力状态相同，因此仅列出如图8所示的右销座孔峰值压力曲线。由图可知，就整体分布而言，在活塞受力情况下，无型线下的销座孔峰值压力远高于采用型线的情况，由此表明销孔型线设置的必要性。而对比3段线和7段线型线下的峰值压力，7段线虽在局部时刻稍高于3段线，但在多数时刻低于3段线。为进一步揭示采用7段型线和3段型线峰值压力的分布特点，图9示出了3种型线方案在爆发时刻下的销座孔峰值压力分布。由图可知，无型线下的销孔峰值压力在销孔内外侧均存在较大值，且高压区更偏向于销孔外侧；3段线型线下的销孔峰值压力有较大程度降低，而高压区基本位于销座孔中部，且在直线段相交的位置存在较高的载荷；7段线型线下的销孔峰值压力与3段线分布较为接近，但高压区偏向于销孔内侧。由上述分析可知，考虑到该柴油机热负荷较大，活塞销孔外侧相对于内侧变形更大，因此7段线异形型线更适合该机型销座孔。

图8 右销座孔峰值压力曲线

图9 不同型线爆发时刻的峰值压力分布

表3示出了3种型线方案对应的销孔润滑典型特征参数。无型线方案在油膜峰值压力均值、粗糙接触压力峰值、最小油膜厚度三方面均最差，而采用7段型线方案各评价指标均最优。由此可知，采用7段型线销座孔发生咬粘磨损的风险较小。

为验证上述型线分析结果，在整机上开展搭载试验，考察采用各型线后销孔承载区的接触状态及磨损情况。图10示出了阶梯型销孔匹配7段型线的活塞销孔试验后的表面磨损状态，由图可见销孔表面没有明显的磨痕，各区域接触情况正常，表明调整后的活塞销孔型线有效。

表3 3种不同型线方案对应的润滑特征参数

图10 改进后销孔结构整机试验表面状态

4 结论

a) 通过有限元仿真分析可知，采用阶梯形销座匹配7段活塞销孔型线，销孔应力分布幅值及分布梯度较理想，可作为方案合理性的初始判断依据；

b) 通过润滑分析可知，7段型线相比原3段型线，各润滑特征评价指标均较优，可有效降低活塞销孔磨损风险。

[1] 刘世英，林风华，秦有志，等.销孔结构设计对活塞可靠性影响的研究[J].内燃机工程，2007,28(1):46-50.

[2] 田小青，刘世英，张文利，等. 柴油机活塞异形销孔结构设计与疲劳试验的综合性研究[J].内燃机工程，2008,29(1):52-55.

[3] 刘畅，张卫正，刘雨薇.高强化柴油机活塞异形销孔结构设计与试验研究[J].车用发动机，2011(5):18-23.

[4] 马振飞.柴油机活塞销座结构技术研究[J].柴油机,2012,34(4):31-34.

[5]TADAY,NishiharaS.Optimumshapedesignofcontactsurfacewithfiniteelementmethod[J].AdvanceinEngineeringSoftware,1993,18:75-85.

[6]TadahiroS,ShinjiA,MasaakiT,etal.Frictionandlubricationcharacteristicsofpistonpinbossbearingsofanautomotiveengine[C].SAEPaper970840，1997.

[7]ChihiroN.Optimizationofsemi-floatingpistonpinbossformedbyusingoil-filmsimulations[C].SAEPaper2012-01-0908.

[8] 巴林,刘月辉,何振鹏,等.车用汽油机活塞销座轴承润滑特性[J].内燃机学报,2015,33(1):89-95.

[9] 刘宽伟,左正兴,向建华.全浮式活塞销运动特性研究[J].内燃机工程,2016,37(4):155-160.

[编辑: 李建新]

ComparisonofPistonPinHoleProfilesforDieselEngine

ZHANGLimin1,LUShiyong2,HANQi3,LIUZhigang1,ZHANGWei1

(1.ChinaNorthEngineResearchInstitute(Tianjin),Tianjin300400,China; 2．MilitaryRepresentativeOfficeofCPLADesignatedtoPlant618,Beijing100072,China;3.OperationOfficeofArmouredForceMilitaryRepresentativeBureau，Beijing100851,China)

In order to solve the wear problem of piston pin hole for a diesel engine, the FE and EHD methods were used to analyze the influence of piston pin hole structure and profile matching on the contact stress and the influence of different profiles on lubrication evaluating index. The results show that the direct reason of scuffing problem is the worse lubrication resulted by the mismatch between profile and thermal deformation. Accordingly, homogeneous contact stress, good lubrication and low risk of scuffing can be obtained by matching a reasonable profile for piston pin hole.

internal combustion engine; piston pin hole； profile; wear; lubrication

2017-03-06;

2017-06-20

张利敏(1983—)，男，副研究员，博士，主要研究方向为内燃机结构设计及优化;tju.zlmwan@aliyun.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.014

TK413.33

B

1001-2222(2017)03-0078-04