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摘 要 随着柴油机排放、强化程度等的提升，爆压和升功率不断提高，活塞所承受的机械负荷和热负荷也越来越高。钢活塞销孔直径相对较大，活塞销较短，因此，活塞销的弯曲变形量较小，椭圆变形量较大，活塞销孔外侧应采取较大的异型销孔设计，以防止销孔外侧拉。本文就钢活塞销孔接触磨损优化设计展开探讨。
关键词 柴油机;钢活塞;接触磨损;销孔形线;有限元计算
引言
在现代发动机活塞设计中，通常将活塞销孔中心线相对于活塞中心线偏置一定距离，即采用销孔偏心设计。销孔偏心作为影响其二阶运动的主要参数之一，在实际开发设计过程中，往往是解决活塞运动平稳性、发动机噪声、摩擦损失、活塞侧向力及缸套穴蚀等问题最简单有效的方法。然而，销孔偏心也会影响活塞受力及力矩平衡，进而对活塞二阶运动和裙部润滑特性产生重要影响，如改变了活塞裙部与气缸壁间的接触负荷，可能会加剧或改善活塞磨损等。
1 铸钢活塞应用概况
铸钢的机械强度高，耐热性、耐蚀性以及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有高的弹性模量，优良而稳定的高温性能和比较低的线膨胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重。为使活塞质量更轻，通常将钢制活塞的结构设计得十分复杂，活塞体断面很薄。由于省去了大量的材料，整个活塞的质量比目前镶嵌耐热奥氏体铸铁环槽的铝合金活塞约轻30%，具有实际应用价值。制造工艺上，需要设计好铸造工艺，以使得活塞体中较薄的截面都能准确铸成且成品率较高，同时变形小。目前，熔模精密铸造法是较理想的铸造工艺。由于钢制活塞铸成之后还必须经过热处理，以获得较高的耐磨性，为了防止活塞结构上设计的薄壁部位在热处理过程中产生过大变形，以保证活塞功能的正常发挥，需要严格控制其热处理工艺过程。
2 钢活塞销孔失效分析
某欧VI直列六缸、四冲程，增压水冷柴油发动机的活塞销孔出现接触磨损失效，对销孔外侧的失效进行分析，找出失效原因。（1）试验情况。活塞经1600h耐久台架试验后销孔外侧接触磨损失效的图片可知，活塞销孔外侧接触痕迹明显、磨损严重，内侧无接触痕迹。销孔的失效原因通常是活塞材料本身存在缺陷，局部压力或应力集中、异常等。因此首先需进一步对活塞销孔本体材料进行检测，以排除材料本身的缺陷问题才能确定最终失效的根本原因。（2）金相检验。该活塞所用材料为42CrMo4，利用金相显微镜对失效部位材料的金相组织放大100倍检测，可见锻造纤维均匀的索氏体组织，没有明显的线状或巢状非金属夹杂，从而判定材料的金相组织合格。（3）成分检测。通过光谱仪对材料的化学成分进行检测。结果显示：材料的化学成分完全符合要求。另外，材料硬度标准要求为270一320HBW，对销孔部位的布氏硬度进行检测，实测平均值为295HBW，符合材料标准要求。通过对活塞销孔外侧接触失效的检测分析，初步判定失效的主要原因是销孔形线及活塞结构设计不合理导致销孔压力集中分布在销孔外侧，从而造成销孔外侧发生磨损失效。
3 改进方案
3.1 早期磨损的预防措施
（1）润滑油要及时进行更换，保证机械有良好的润滑效果。①时刻做好机油压力的检查及测量工作，通常柴油机的机油压力为0.15～0.4MPa，一般要求，柴油机在空转的最低稳定转速时，机油压力不能低于0.05MPa。②我们可以按照不同季节配备不同的机油。严格按照说明书的要求，选择适当标号的机油，对于高速柴油机，由于各部件配合较紧密，活动间隙小，一定要选择黏度较低的机油。（2）平时要多注意学习，掌握正确操作，及时进行维护保养。①在进行作业时，要严格按照说明书的要求，启动发动机时，应先预热一段时间，在发动机达到一定温度，此时处于最佳状态，方可进行作业;需要注意的是，在冬季作业时，要预热柴油机，或是摇转发动机的曲轴，使机油的粘度减少，在充分完成各部位的润滑后，方可从事机械作业。②柴油机严禁长时间超速或超负荷作业。长期高速作业或超负荷作业，会使气缸内产生大量的高温、高压气体，进一步破坏了润滑油膜，影响了润滑效果，同时，产生更大冲击力，加剧气缸、活塞及活塞环的磨损。③要注意检查气缸、活塞及活塞环的相互配合间隙。严格按照使用说明的要求，定期调整气缸、活塞及活塞环之间的配合间隙，间隙值不能超过其极限值，发现间隙过大或过小要及时进行调整。④要加强检查，及时清除气缸、活塞及活塞环上堆积的积碳。因为积碳增多以后，会使燃烧室容积变小，柴油机工作效率降低，使润滑油变质，影响润滑的性能，加速机件磨损。
3.2 销孔偏心设计
将活塞销孔中心向次推力侧偏置定义为正偏心，向主推力侧偏置定义为负偏心。如果活塞整体与缸套发生瞬时接触，将产生较大的冲击力和噪声。销孔偏心的主要目的是实现活塞换向时平缓的过渡，降低活塞运动过程中的最大侧向力。目前活塞设计中普遍采用销孔偏心结构，通过优化销孔偏心量，可以在很大程度上减少活塞处于上止点换向过程中对气缸的冲击。
3.3 銷孔形线改进
目前，高爆压、高负荷柴油机活塞销孔均采用异形销孔结构。异形销孔结构可以使销孔在发动机工作状态下适应活塞销的椭圆变形和弯曲变形，从而优化活塞销孔表面的压力分布，使压力在销孔各个截面分布尽量均衡。在原销孔形线（S1方案）的基础上，设计了S2，S3，S43种形线改进方案，销孔形线设计为喇叭形结构，通过调整内侧、直段、外侧3段的长度及销孔直径收缩量来优化销孔形线。
其中S2，S3，S4方案销孔外侧形线收缩量相对于S1依次增大，靠近外侧直线段长度依次减小，另外，减小S4内侧长度、增大内侧收缩量。
4 结语
在销孔偏置设计时，需要根据不同的噪声、摩擦损失及活塞接触磨损要求，并综合考虑发动机运行工况、活塞刚度、型线设计等因素的差异，对分析结果进行综合评估，避免极端事件的发生。
参考文献
[1] 张利敏， 卢士勇， 韩琦，等. 柴油机活塞销孔型线对比分析研究[J]. 车用发动机， 2017（3）：78-81.
[2] 刘世英， 田小青， 潘风敏. 发动机活塞销孔座机械疲劳机理的研究[J]. 汽车工程， 2014， 36（1）：57-60.
关键词 柴油机;钢活塞;接触磨损;销孔形线;有限元计算
引言
在现代发动机活塞设计中，通常将活塞销孔中心线相对于活塞中心线偏置一定距离，即采用销孔偏心设计。销孔偏心作为影响其二阶运动的主要参数之一，在实际开发设计过程中，往往是解决活塞运动平稳性、发动机噪声、摩擦损失、活塞侧向力及缸套穴蚀等问题最简单有效的方法。然而，销孔偏心也会影响活塞受力及力矩平衡，进而对活塞二阶运动和裙部润滑特性产生重要影响，如改变了活塞裙部与气缸壁间的接触负荷，可能会加剧或改善活塞磨损等。
1 铸钢活塞应用概况
铸钢的机械强度高，耐热性、耐蚀性以及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有高的弹性模量，优良而稳定的高温性能和比较低的线膨胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重。为使活塞质量更轻，通常将钢制活塞的结构设计得十分复杂，活塞体断面很薄。由于省去了大量的材料，整个活塞的质量比目前镶嵌耐热奥氏体铸铁环槽的铝合金活塞约轻30%，具有实际应用价值。制造工艺上，需要设计好铸造工艺，以使得活塞体中较薄的截面都能准确铸成且成品率较高，同时变形小。目前，熔模精密铸造法是较理想的铸造工艺。由于钢制活塞铸成之后还必须经过热处理，以获得较高的耐磨性，为了防止活塞结构上设计的薄壁部位在热处理过程中产生过大变形，以保证活塞功能的正常发挥，需要严格控制其热处理工艺过程。
2 钢活塞销孔失效分析
某欧VI直列六缸、四冲程，增压水冷柴油发动机的活塞销孔出现接触磨损失效，对销孔外侧的失效进行分析，找出失效原因。（1）试验情况。活塞经1600h耐久台架试验后销孔外侧接触磨损失效的图片可知，活塞销孔外侧接触痕迹明显、磨损严重，内侧无接触痕迹。销孔的失效原因通常是活塞材料本身存在缺陷，局部压力或应力集中、异常等。因此首先需进一步对活塞销孔本体材料进行检测，以排除材料本身的缺陷问题才能确定最终失效的根本原因。（2）金相检验。该活塞所用材料为42CrMo4，利用金相显微镜对失效部位材料的金相组织放大100倍检测，可见锻造纤维均匀的索氏体组织，没有明显的线状或巢状非金属夹杂，从而判定材料的金相组织合格。（3）成分检测。通过光谱仪对材料的化学成分进行检测。结果显示：材料的化学成分完全符合要求。另外，材料硬度标准要求为270一320HBW，对销孔部位的布氏硬度进行检测，实测平均值为295HBW，符合材料标准要求。通过对活塞销孔外侧接触失效的检测分析，初步判定失效的主要原因是销孔形线及活塞结构设计不合理导致销孔压力集中分布在销孔外侧，从而造成销孔外侧发生磨损失效。
3 改进方案
3.1 早期磨损的预防措施
（1）润滑油要及时进行更换，保证机械有良好的润滑效果。①时刻做好机油压力的检查及测量工作，通常柴油机的机油压力为0.15～0.4MPa，一般要求，柴油机在空转的最低稳定转速时，机油压力不能低于0.05MPa。②我们可以按照不同季节配备不同的机油。严格按照说明书的要求，选择适当标号的机油，对于高速柴油机，由于各部件配合较紧密，活动间隙小，一定要选择黏度较低的机油。（2）平时要多注意学习，掌握正确操作，及时进行维护保养。①在进行作业时，要严格按照说明书的要求，启动发动机时，应先预热一段时间，在发动机达到一定温度，此时处于最佳状态，方可进行作业;需要注意的是，在冬季作业时，要预热柴油机，或是摇转发动机的曲轴，使机油的粘度减少，在充分完成各部位的润滑后，方可从事机械作业。②柴油机严禁长时间超速或超负荷作业。长期高速作业或超负荷作业，会使气缸内产生大量的高温、高压气体，进一步破坏了润滑油膜，影响了润滑效果，同时，产生更大冲击力，加剧气缸、活塞及活塞环的磨损。③要注意检查气缸、活塞及活塞环的相互配合间隙。严格按照使用说明的要求，定期调整气缸、活塞及活塞环之间的配合间隙，间隙值不能超过其极限值，发现间隙过大或过小要及时进行调整。④要加强检查，及时清除气缸、活塞及活塞环上堆积的积碳。因为积碳增多以后，会使燃烧室容积变小，柴油机工作效率降低，使润滑油变质，影响润滑的性能，加速机件磨损。
3.2 销孔偏心设计
将活塞销孔中心向次推力侧偏置定义为正偏心，向主推力侧偏置定义为负偏心。如果活塞整体与缸套发生瞬时接触，将产生较大的冲击力和噪声。销孔偏心的主要目的是实现活塞换向时平缓的过渡，降低活塞运动过程中的最大侧向力。目前活塞设计中普遍采用销孔偏心结构，通过优化销孔偏心量，可以在很大程度上减少活塞处于上止点换向过程中对气缸的冲击。
3.3 銷孔形线改进
目前，高爆压、高负荷柴油机活塞销孔均采用异形销孔结构。异形销孔结构可以使销孔在发动机工作状态下适应活塞销的椭圆变形和弯曲变形，从而优化活塞销孔表面的压力分布，使压力在销孔各个截面分布尽量均衡。在原销孔形线（S1方案）的基础上，设计了S2，S3，S43种形线改进方案，销孔形线设计为喇叭形结构，通过调整内侧、直段、外侧3段的长度及销孔直径收缩量来优化销孔形线。
其中S2，S3，S4方案销孔外侧形线收缩量相对于S1依次增大，靠近外侧直线段长度依次减小，另外，减小S4内侧长度、增大内侧收缩量。
4 结语
在销孔偏置设计时，需要根据不同的噪声、摩擦损失及活塞接触磨损要求，并综合考虑发动机运行工况、活塞刚度、型线设计等因素的差异，对分析结果进行综合评估，避免极端事件的发生。
参考文献
[1] 张利敏， 卢士勇， 韩琦，等. 柴油机活塞销孔型线对比分析研究[J]. 车用发动机， 2017（3）：78-81.
[2] 刘世英， 田小青， 潘风敏. 发动机活塞销孔座机械疲劳机理的研究[J]. 汽车工程， 2014， 36（1）：57-60.