高强化船用柴油机组合活塞裙部型面设计与验证

王星全,张俊青,徐涛,王占宜,夏金宝，张新超

1.滨州渤海活塞有限公司，山东 滨州 256602； 2.山东省发动机活塞摩擦副重点实验室，山东 滨州 256602

0 引言

船用柴油机作为船舶及其它海上设施的源动力，与陆用柴油机相比具有难替代性，所以船用柴油机及其零部件的设计制造尚有很大的发展空间[1]。活塞作为船用柴油机中关键零部件之一，运行环境非常苛刻，在机械负荷和热负荷的交变作用下，活塞容易产生疲劳破坏、拉缸及异常磨损等故障，活塞的工作状况直接影响到船用柴油机的可靠性、耐久性及排放性能等。

在工作状态下活塞裙部和缸套合理配合，并在配合面形成均匀稳定的油膜，才能保证活塞运行的平稳性和耐久性，防止发生拉缸等故障，同时减少发动机的摩擦功率损失，降低机油耗和漏气量，减轻柴油机的振动和噪声。因此活塞在设计时必须考虑到热负荷和机械负荷对活塞裙部变形的影响，以及工作状态下活塞裙部型面对油膜形成的影响等因素[2-5]。

本文中主要研究某高强化船用柴油机钢顶铁裙组合活塞的裙部型面设计，进行数值仿真分析、选择合理方案并优化，然后通过台架试验验证设计方案的合理性。该研究可为船用柴油机组合活塞的裙部型面设计提供参考。

1 活塞裙部型面设计理论

本文中的船用发动机为V型12缸四冲程水冷柴油机，主要参数如表1所示,其活塞裙部型面的设计主要包括纵向形线设计和横向椭圆设计。

表1 发动机主要参数

1.1 纵向中凸曲线

在工作状态下，活塞裙部的纵向形线不是一条直线而是一条中凸曲线。裙部纵向使用中凸曲线相对于使用直线有以下优点[6-9]：1)中凸曲线对于活塞的导向性能比直线更好，可以使活塞运行状态更平稳；2)可以减小活塞的二阶运动和敲击动能，有利于减缓缸套的穴蚀，降低发动机的振动和噪声；3)活塞在下止点换向时，能够避免裙部下端和缸套内侧下沿发生刮擦；4)可以使活塞在上行和下行过程中均能形成油楔，并在活塞裙部和缸套的配合面之间形成刚度较大的油膜，保证活塞裙部和缸套之间的良好润滑，避免发生因金属直接接触而导致的拉缸等故障；同时还有利于降低活塞裙部的摩擦力，减少摩擦功率损失。

柴油机活塞裙部的纵向中凸曲线一般分为上段区、直段区和下段区3段，设计时需根据活塞裙部纵向的温度分布、壁厚变化等因素，并通过圆弧和直线拟合、指数曲线和直线拟合或斜线与直线相交的方式获得,其中通过斜线与直线相交获得的裙部形线，在早期的整体铸铁活塞和钢顶铁裙活塞上使用较多，目前新设计的活塞中已经很少使用[10-12]。

目前在柴油机活塞裙部纵向中凸曲线设计中，经常使用的是指数曲线和直线拟合，如图1所示[13-14]，图中X1、X2为曲线上的点与曲线起点的纵向距离，Y1、Y2为曲线上的点到曲线起点的横向距离(即裙部直径收缩量)。通常情况下，上段区纵向跨度较大，横向的收缩量也较大。

图1 普通活塞裙纵向中凸曲线示意图 图2 铸铁裙纵向中凸曲线示意图

上段指数曲线方程为：

(1)

下段指数曲线方程为：

(2)

式中A1、A2、c1、c2为系数。

对于船用整体铸铁活塞或钢顶铁裙组合活塞来说，其材料的热膨胀系数比铝合金小，壁厚比较薄并且均匀，所以其裙部纵向中凸曲线的直线段较长，上下两端的径向收缩量相对较小，如图2所示。

1.2 横向椭圆

在机械负荷和热负荷的共同作用下，活塞销座和裙部都会产生相应的变形，最终使活塞裙部沿销孔方向直径变大、沿垂直于销孔方向直径变小。为了使活塞裙部横截面在工作状态下能够更接近圆形，并且与缸套贴合更好，实现均压接触，一般在活塞裙部型面设计时，横向截面会做成以销孔方向为短轴、垂直于销孔方向为长轴的椭圆。

图3 活塞椭圆形状示意图

设计活塞横向椭圆时需要综合考虑发动机的热负荷、机械负荷、活塞裙部结构、活塞裙部材料、缸孔的变形等因素。因此对于不同的活塞，其裙部横向椭圆不一定相同；对于同一只活塞，不同高度上的横向椭圆也不一定相同。

活塞裙部横向椭圆的形式多种多样，船用柴油机活塞的裙部横向椭圆主要有一次椭圆、二次椭圆、多次椭圆、凸台椭圆、偏心圆+椭圆等几种形式[15-16]，如图3所示。

根据标准椭圆方程，可推导出任意与长轴成夹角α方向上的半径收缩量

(3)

式中：ΔR为半径缩量，G为椭圆度，α为与长轴的夹角，β为系数。

在椭圆设计时，β一般为-0.25<β<0.25[17]。当β=0时，公式(3)为一次椭圆收缩量公式；当β<0时，在除短轴和长轴之外的方向上半径收缩量减小，椭圆比标准椭圆“胖”；当β>0时，在除短轴和长轴之外的方向上半径收缩量增大，椭圆比标准椭圆“瘦”。

对于整体薄壁铸铁活塞和钢顶铁裙活塞裙部横向椭圆的设计一般分两种情况：1)对于悬挂式弹性销座结构的活塞，其活塞裙部为壁厚均匀的薄壁桶状结构，横向截面一般设计为椭圆度比较小的标准椭圆，或者直接设计成圆形；2)带有面窗的桁架式结构活塞，其裙部横向截面需要根据加强筋的位置、面窗的结构形式等因素，合理选择椭圆的形式。

2 裙部型面设计及优化

2.1 裙部型面设计方案对比

2.1.1 设计方案

根据活塞裙部型面的设计理论，对活塞裙部型面提出2个设计方案并进行有限元仿真分析，对活塞裙部型面进行优化和改进。

方案A如图4所示，在整个裙部高度上横截面是椭圆度为0.2的标准椭圆，纵向形线为中凸曲线。图4 b)中环绕椭圆一周的数值为角度，每10°为一个刻度；椭圆内的数值是图中每个圆的半径(单位为mm)。

a)裙部纵向形线 b) 裙部横向椭圆 图4 活塞裙部型面方案A

方案B如图5所示，裙部纵向形线与方案A略有不同。横向椭圆是修正系数均为β=0.2的二次椭圆，并且椭圆度随裙部高度的变化呈线性变化。其中，在裙部高度45 mm处的横向截面椭圆度为0.25，在裙部高度222.4 mm处的横向截面椭圆度为0.20。

a)裙部纵向形线 b) 高度45 mm处裙部横向椭圆图5 活塞裙部型面方案B

2.1.2 有限元分析

通过有限元分析模拟额定工况下裙部侧向压力最大时方案A和B的裙部接触压力分布，结果分别如图6、7所示(图中单位为MPa)。由图6、7可知，方案B的裙部最大接触压力低于方案A，并且接触压力分布比方案A更均匀，所以对方案B进一步优化。

图6 方案A裙部接触压力分布 图7 方案B裙部接触压力分布

2.2 裙部型面设计方案优化

从方案B的裙部接触压力分布情况可知，首先应解决的是活塞下裙部与面窗相接的棱边处局部接触压力过大的问题，然后进一步细化裙部型面设计，使裙部接触压力分布更均匀。经过不断调整和计算，最终确定优化方案(方案C )，如图8所示。

a)裙部纵向形线 b)高度45 mm处裙部横向椭圆图8 裙部型面优化方案(方案C)

图9 优化方案(方案C)裙部接触压力

方案C中，对活塞裙部不同高度上的横向椭圆进行分段处理，将公式(3)中的系数β设置为变量，根据不同高度上接触压力分布情况，确定β[18-19]。

优化方案的裙部接触压力有限元计算结果如图9所示(图中单位为MPa)。由图9可知，方案C裙部的接触压力分布与方案B相比有了非常大的改善，并且最大接触压力也从18.33 MPa降低到9.16 MPa。因此从理论分析的角度看，方案C比方案B更有利于减小活塞裙部和缸套的摩擦磨损并延长活塞和缸套的使用寿命；使活塞裙部导向更好，有利于减小发动机的振动、噪声，进而有利于减小缸套的穴蚀。

3 试验验证

根据方案C进行该活塞的样件生产，然后对样件的关键尺寸进行逐一检验，并交付主机厂进行相关试验验证。第一阶段试验为柴油机性能试验，主要包括起动试验、各缸工作均匀性试验、调速性能试验、负荷特性试验、速度特性试验、万有特性试验等，累计试验时间为200 h，主要考察柴油机是否达到预期设计要求。根据以往经验，通过这些试验可以验证活塞裙部与缸套的配合情况。如果活塞裙部型面设计不合理，试验过程中活塞裙部和缸套的相应部位就会出现异常磨损，甚至在试验刚开始的阶段就会出现拉缸的故障。

根据柴油机第一阶段试验后主机厂反馈的结果，活塞在试验过程中运行正常，试验后活塞裙部与缸套的贴合非常好，无异常磨损等现象，达到预期设计目标。

4 结论

对某高强化船用柴油机钢顶铁裙组合活塞，提出不同的裙部型面设计方案并根据有限元分析结果进行优化，最后对优化后的方案进行试验验证。

1)优化改进后方案C的最大接触压力和压力分布均优于方案A、B，说明合理的裙部型面能显著改善活塞裙部与缸套的接触情况。

2)从台架试验反馈的结果来看，试验过程中活塞运行正常，试验后活塞裙部与缸套贴合正常，无异常磨损，说明设计方案满足发动机的使用要求。

3)随着船用柴油机强化程度和寿命要求的不断提高，活塞裙部的型面也越来越复杂，活塞裙部横向椭圆需要设计高次椭圆甚至更复杂的椭圆，才能更好地与缸套匹配。