柴油机活塞销失效的原因及改进方案研究

郑洪国 王玉洁 成凯

滨州渤海活塞有限公司 山东滨州 256602

1 疲劳累积损伤理论

在采用名义应力法实施疲劳计算中，通过对大量修正系数的查阅进行对其支撑，这些修正系数自身的获取难度一般比较高，需要采用反复验证，从而对修正系数的获取产生抑制。但是从整体上来讲，这种方法计算比较简单并且很容易实现。局部应变法中，应力由于过于集中，这是造成零件疲劳失效的主要原因。所以，局部应变法主要使用在对局部应力过大或者集中情况的计算中，特别是在低周疲劳寿命的预测中比较适宜。在实际当中，零件所受到的荷载幅度一般有着很大的波动性，并且有一定的规律性和不规律的特点[1]。

2 活塞组的力学分析

内燃机采用气缸当中的气体压力来对自身动力源进行获取，但是，气体压力的出现不能只依赖于喷油燃烧来实现，同时需要和燃烧爆炸对外做功结合起来完成。曲柄连杆结构在气体压力的作用当中实现循环运动，但是这种运动所产生的速度和方向都会产生变化，所以不是稳态运动，因此其惯性力通常会受到速度以及方向所产生的变化来改变。并且，曲轴有着非常高的旋转速度，所释放的惯性力比较大，对于机构整体受力和运动状况有着一定的影响。所以，在有效分析过程中需要对这部分因素加强重视。

2.1 缸内气体压力

缸内气体压力的产生一般需要通过三个过程实现：第一，混合状态可燃气体一般要急剧燃烧；第二，采用这种急剧燃烧来对大量的热能进行释放并且产生爆炸；第三，采用爆炸所产生的动能，使得活塞可以向外做功。通过上述过程所产生的压力会被曲柄转角产生影响，其大小也会随着转角的变化而变化，但是对于这种变化不是无序的，属于周期性的一种变化。

2.2 往复惯性力

由于活塞销自身的移动方向和缸套轴线方向相同，因此在活塞销上的惯性力也会随着缸套轴线方向保持一致性，但是其和活塞销的加速度方向相反[2]。

3 活塞销的疲劳分析

失效是造成零件以及元器件和材料失效的一种物理或者化学过程，导致失效的原因主要有两方面，分别是内部和外部。在对失效模式研究时，一般首先从外部因素和失效表现方式入手，以此来对其隐蔽的内在因素进行研究。每一种产品或者系统的组成都是有层次性的，失效原因同样也有层次性，上个层次的失效原因通常就是下一层失效情况；低层次的失效情况一般就是本质的失效原因。

在针对活塞销疲劳分析当中，一般需要通过六个步骤对其完成，按照这种流程所分析到的活塞销失效原因主要有两个方面：第一，原结构当中的活塞销疲劳安全系数值小于许可疲劳安全值；第二，孔口的连接线和油孔位置是危险点较为集中的区域。所以，在活塞销失效时，油孔孔口位置产生裂缝的几率也是非常的大，同时会沿着轴线方向增大，和实际情况契合。

活塞销孔出现裂缝的主要形式有两种：第一是疲劳开裂，尽管活塞销孔所承载的应力小于材料屈服点，但是在交变应力的作用下，在长期工作状态下而产生裂纹，造成销孔出现开裂的情况；另一种是应力开裂，销座和销孔在设计中不合理，或者工艺有缺陷，这些就会导致销孔位置应力不均匀而出现应力集中的情况，这样也会造成开裂。通常，开裂位置在销孔的上部，一直贯穿到燃烧室底部而导致穿孔。裂纹源于活塞销孔上侧面和内侧的销座的倒角位置，裂纹从开始位置一直扩展到燃烧室的底部，燃气沿着裂纹对燃烧室的底部和内冷油道比较薄弱的位置直接击穿，同时在内冷油道较为狭小的空间当中急剧燃烧而产生热熔孔洞，燃气往往会朝着裂纹下行，造成局部位置出现发黑，燃气下串之后活塞也会产生拉缸。

改进方案的提出。通过上文的分析，本文明确了活塞销失效的原因，并给出了通过降低油孔直径来提高活塞销安全系数的结论。但考虑到活塞销导热方面的因素，因此油孔直径的取值不宜过小，否者会对其传热造成一定的干扰。

基于此，提出了以下几点改进建议：第一，将油孔直径设定为34mm；第二，降低内孔和油孔表面的粗糙度；第三，提高抗拉强度。通过改进，活塞销改进后的最小节点数量的比例为1.89，远超出了原结构的最小节点数量的比例，改进后的结果相对较好。同时，改进后的循环极限为7.41e5，亦超出了原结构循环极限许多。第三，进行活塞失效分析，除需要详细了解用户的使用情况外，还需要对活塞和加工工艺的设计是否合理、机械加工尺寸是否符合图纸要求、材料的性能是否符合相关标准和图纸的要求这3 方面进行分析。因为活塞产品设计、加工工艺设计需经过大量的理论验证，图纸需经过多人次的校核、审核，所以很难直接从产品图纸、加工工艺卡片中找到问题的根源; 而且在活塞机械加工过程中均需通过科学、严谨的过程质量控制手段对活塞的加工质量进行把关，所以也很难直接从活塞的机械加工过程中找到失效的原因。与设计和机械加工过程相比，毛坯的制作过程中存在更多的不可预测影响因素，现有的控制、检测手段无法杜绝材料出现缺陷的风险，所以进行失效分析时，检测材料的化学成分和金相组织非常有必要[3]。

4 结语

本文首先对于疲劳累积损伤理论等相关方面进行了分析，后续对活塞销失效的原因进行了探讨；其次，按照活塞销疲劳失效对流程进行分析，并且对失效进行分析，获得相应的失效原因。按照失效原因，并且结合活塞销热传递因素，提出相应的改进措施，以此来获得良好的效果。