張利敏， 盧士勇， 韓琦， 劉志剛， 張偉

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 2. 中國(guó)人民解放軍駐618廠軍事代表室， 北京 100072； 3. 陸軍裝甲兵軍事代表局業(yè)務(wù)處， 北京 100851)

?

柴油機(jī)活塞銷孔型線對(duì)比分析研究

張利敏1， 盧士勇2， 韓琦3， 劉志剛1， 張偉1

(1. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 2. 中國(guó)人民解放軍駐618廠軍事代表室， 北京 100072； 3. 陸軍裝甲兵軍事代表局業(yè)務(wù)處， 北京 100851)

針對(duì)某柴油機(jī)活塞銷孔的磨損問題，分別借助有限元方法和EHD仿真方法研究了不同銷座結(jié)構(gòu)匹配多種銷孔型線對(duì)接觸應(yīng)力的影響，及不同活塞銷孔型線對(duì)潤(rùn)滑特征評(píng)價(jià)參數(shù)的影響。綜合研究表明，活塞銷孔型線與熱變形匹配不合理所引起的潤(rùn)滑狀態(tài)惡化是導(dǎo)致活塞銷孔磨損的直接原因，因此通過合理調(diào)整銷孔型線可使接觸應(yīng)力均勻，潤(rùn)滑狀態(tài)良好，并有效降低活塞銷座磨損風(fēng)險(xiǎn)。

內(nèi)燃機(jī)； 活塞銷孔； 型線； 磨損； 潤(rùn)滑

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率及轉(zhuǎn)速的提高，活塞所承受的燃?xì)鈮毫皯T性力越來越高，活塞銷座承受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷也越來越高，傳統(tǒng)的圓柱形活塞銷孔開裂和磨損的問題制約了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，因此需采用異形銷孔型線使活塞銷孔應(yīng)力均布，降低活塞銷座處的應(yīng)力集中，達(dá)到提高銷座承載能力、防止開裂、降低磨損的目的。

活塞銷座設(shè)計(jì)過程中，合理匹配銷孔型線是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前對(duì)于銷孔型線多在工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用有限元方法進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-4]，通過表征異形銷孔對(duì)結(jié)構(gòu)接觸表面應(yīng)力水平的差異，在結(jié)構(gòu)上判斷銷孔型線匹配的合理性。另外，在分析活塞銷運(yùn)動(dòng)及摩擦磨損狀態(tài)方面以及在評(píng)價(jià)異形活塞銷孔結(jié)構(gòu)時(shí)還采用考慮活塞熱變形的彈流潤(rùn)滑分析方法[5-9]，通過潤(rùn)滑特征評(píng)價(jià)型線匹配的合理性，該方法能夠準(zhǔn)確直觀地反映不同異形結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑特性及磨損狀態(tài)的影響。在實(shí)際使用過程中，綜合利用兩種評(píng)價(jià)方法可快速、準(zhǔn)確地匹配銷孔型線，同時(shí)對(duì)使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行快速排查并完成設(shè)計(jì)改進(jìn)。

本研究針對(duì)某高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞銷孔磨損故障，通過調(diào)整銷孔型線及銷座結(jié)構(gòu)，開展多方案結(jié)構(gòu)有限元對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上，借助彈流潤(rùn)滑分析方法，開展不同型線下活塞銷孔軸承潤(rùn)滑狀態(tài)研究，從而優(yōu)選銷孔型線，最終方案經(jīng)整機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 活塞銷座故障分析

某柴油機(jī)為V型、12缸、四沖程、水冷、增壓機(jī)型，活塞采用振蕩冷卻油腔，楔形銷座結(jié)構(gòu)。圖1示出活塞銷孔試驗(yàn)后磨損照片。通過對(duì)活塞銷孔磨損情況觀察及檢測(cè)可知，活塞銷孔外側(cè)磨損嚴(yán)重，內(nèi)側(cè)無接觸痕跡，說明活塞的熱變形很大，活塞銷整個(gè)承力面靠外，這樣的匹配狀態(tài)導(dǎo)致活塞銷的彎曲變形及橢圓變形增大，從而使活塞銷座過度磨損，因此需進(jìn)一步開展不同銷座結(jié)構(gòu)與活塞型線對(duì)銷孔承載的影響研究，調(diào)整結(jié)構(gòu)方案。

圖1 活塞銷孔試驗(yàn)后磨損情況

2 活塞銷座及型線有限元對(duì)比分析

針對(duì)前述問題，通過調(diào)整活塞銷座結(jié)構(gòu)和銷孔型線，分別提出3種匹配方案(見表1)。其中銷孔型線示意見圖2，分別為3段型線和7段型線，其中3段型線為初期驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)所采用的型線，中間直段較長(zhǎng)，且內(nèi)外錐孔錐度相同；7段型線中間直段較短，銷孔外側(cè)型線較內(nèi)側(cè)型線長(zhǎng)，且在外側(cè)設(shè)置了更大的尺寸增量。銷座結(jié)構(gòu)見圖3，分別采用楔形和階梯形兩種結(jié)構(gòu)形式，受結(jié)構(gòu)限制，文中所采用的楔形銷座比階梯形銷座窄。

表1 活塞計(jì)算模型方案

圖3 不同活塞銷座結(jié)構(gòu)示意

首先建立了活塞組件分析模型，其中包括活塞、活塞銷、連桿和連桿小頭襯套。為逼近真實(shí)工況，活塞銷孔與活塞銷、活塞銷與連桿小頭之間按照有摩擦的非線性接觸定義，連桿大頭端施加位移約束。表2示出了活塞組件有限元分析步所施加的載荷。圖4示出采用同一熱邊界，不同銷座結(jié)構(gòu)的活塞溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

表2 有限元計(jì)算中施加的部分載荷及約束

圖4 活塞溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖5示出僅受機(jī)械載荷作用下，各方案右側(cè)銷孔承力面內(nèi)提取的應(yīng)力變化曲線，其中x0，x1分別為銷孔內(nèi)、外側(cè)距活塞中心線距離。由圖5可知，在相同的機(jī)械載荷作用下，各方案對(duì)應(yīng)銷孔上側(cè)圓角處應(yīng)力最大，按應(yīng)力從大到小排序?yàn)榉桨?、方案1、方案3。方案1由于采用3段型線，在直線的交點(diǎn)處存在型線的突變點(diǎn)，導(dǎo)致應(yīng)力突然增大，通過圖5可清晰地看到這兩處直線交點(diǎn)處形成的應(yīng)力凸點(diǎn)。方案2由于銷座寬度較窄不能覆蓋型線長(zhǎng)度，導(dǎo)致銷孔靠近內(nèi)側(cè)直徑尺寸偏小，因此應(yīng)力最大。方案3除上側(cè)圓角處應(yīng)力較高外，其余各處應(yīng)力變化相對(duì)平緩，且較方案1和方案2應(yīng)力幅值明顯降低。

圖5 機(jī)械載荷作用下各方案銷座孔應(yīng)力的變化

圖6示出活塞在熱機(jī)耦合工況下，各方案活塞銷孔承力面內(nèi)提取的應(yīng)力變化曲線。綜合前述分析結(jié)果，活塞型線可部分補(bǔ)償活塞熱變形，因此熱機(jī)耦合工況下的活塞應(yīng)力比機(jī)械載荷下的活塞應(yīng)力要小。方案3銷孔上側(cè)圓角處應(yīng)力大幅下降，銷座孔承載面應(yīng)力均勻，整體接觸狀態(tài)較好，而其余兩個(gè)方案的應(yīng)力分布規(guī)律與機(jī)械載荷下的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。由此針對(duì)前述銷座磨損故障可初步確定采用階梯形銷座匹配7段型線結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)對(duì)解決銷座磨損故障作用較大。

圖6 熱機(jī)載荷作用下各方案銷座孔應(yīng)力的變化

3 不同銷孔型線下潤(rùn)滑特征參數(shù)對(duì)比分析

由于結(jié)構(gòu)有限元分析沒有考慮軸承內(nèi)油膜潤(rùn)滑的影響，因此還需借助彈流潤(rùn)滑分析方法進(jìn)一步驗(yàn)證采用階梯形銷座匹配不同型線時(shí)的油膜壓力分布情況。

采用AVLExcitePU軟件建立活塞銷座EHD分析模型(見圖7)，并在模型中輸入疊加熱變形的各型線參數(shù)，計(jì)算分析銷座孔油膜峰值壓力在銷座孔承壓區(qū)的分布情況，以及其他可表征潤(rùn)滑狀態(tài)特征的指標(biāo)值。

圖7 活塞銷座EHD分析模型

考慮到銷座孔對(duì)稱且受力狀態(tài)相同，因此僅列出如圖8所示的右銷座孔峰值壓力曲線。由圖可知，就整體分布而言，在活塞受力情況下，無型線下的銷座孔峰值壓力遠(yuǎn)高于采用型線的情況，由此表明銷孔型線設(shè)置的必要性。而對(duì)比3段線和7段線型線下的峰值壓力，7段線雖在局部時(shí)刻稍高于3段線，但在多數(shù)時(shí)刻低于3段線。為進(jìn)一步揭示采用7段型線和3段型線峰值壓力的分布特點(diǎn)，圖9示出了3種型線方案在爆發(fā)時(shí)刻下的銷座孔峰值壓力分布。由圖可知，無型線下的銷孔峰值壓力在銷孔內(nèi)外側(cè)均存在較大值，且高壓區(qū)更偏向于銷孔外側(cè)；3段線型線下的銷孔峰值壓力有較大程度降低，而高壓區(qū)基本位于銷座孔中部，且在直線段相交的位置存在較高的載荷；7段線型線下的銷孔峰值壓力與3段線分布較為接近，但高壓區(qū)偏向于銷孔內(nèi)側(cè)。由上述分析可知，考慮到該柴油機(jī)熱負(fù)荷較大，活塞銷孔外側(cè)相對(duì)于內(nèi)側(cè)變形更大，因此7段線異形型線更適合該機(jī)型銷座孔。

圖8 右銷座孔峰值壓力曲線

圖9 不同型線爆發(fā)時(shí)刻的峰值壓力分布

表3示出了3種型線方案對(duì)應(yīng)的銷孔潤(rùn)滑典型特征參數(shù)。無型線方案在油膜峰值壓力均值、粗糙接觸壓力峰值、最小油膜厚度三方面均最差，而采用7段型線方案各評(píng)價(jià)指標(biāo)均最優(yōu)。由此可知，采用7段型線銷座孔發(fā)生咬粘磨損的風(fēng)險(xiǎn)較小。

為驗(yàn)證上述型線分析結(jié)果，在整機(jī)上開展搭載試驗(yàn)，考察采用各型線后銷孔承載區(qū)的接觸狀態(tài)及磨損情況。圖10示出了階梯型銷孔匹配7段型線的活塞銷孔試驗(yàn)后的表面磨損狀態(tài)，由圖可見銷孔表面沒有明顯的磨痕，各區(qū)域接觸情況正常，表明調(diào)整后的活塞銷孔型線有效。

表3 3種不同型線方案對(duì)應(yīng)的潤(rùn)滑特征參數(shù)

圖10 改進(jìn)后銷孔結(jié)構(gòu)整機(jī)試驗(yàn)表面狀態(tài)

4 結(jié)論

a) 通過有限元仿真分析可知，采用階梯形銷座匹配7段活塞銷孔型線，銷孔應(yīng)力分布幅值及分布梯度較理想，可作為方案合理性的初始判斷依據(jù)；

b) 通過潤(rùn)滑分析可知，7段型線相比原3段型線，各潤(rùn)滑特征評(píng)價(jià)指標(biāo)均較優(yōu)，可有效降低活塞銷孔磨損風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 劉世英，林風(fēng)華，秦有志，等.銷孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)活塞可靠性影響的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2007,28(1):46-50.

[2] 田小青，劉世英，張文利，等. 柴油機(jī)活塞異形銷孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與疲勞試驗(yàn)的綜合性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2008,29(1):52-55.

[3] 劉暢，張衛(wèi)正，劉雨薇.高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞異形銷孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011(5):18-23.

[4] 馬振飛.柴油機(jī)活塞銷座結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[J].柴油機(jī),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,劉月輝,何振鵬,等.車用汽油機(jī)活塞銷座軸承潤(rùn)滑特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2015,33(1):89-95.

[9] 劉寬偉,左正興,向建華.全浮式活塞銷運(yùn)動(dòng)特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2016,37(4):155-160.

[編輯: 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

張利敏(1983—)，男，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化;tju.zlmwan@aliyun.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.014

TK413.33

B

1001-2222(2017)03-0078-04