船用柴油机活塞寿命研究

乔云杰，谭勇敢，姚俊杰

（常州中车柴油机零部件有限公司，江苏常州 213100）

0 引言

活塞是内燃发动机中的关键零部件，其工作环境极其复杂，不仅承受高温、高压和高速运动，还承受着高频交变载荷。另外，也受着发动机的整体工作环境和工作状态的影响。活塞的可靠性对内燃机整体稳定运行具有关键影响作用，尤其随着发动机功率密度的不断提高，要求活塞具有高强度、高质量以及高可靠性。

国内外的专业厂家一直致力于高可靠性活塞的研究，大体可将活塞分为3个层次：1）基于工程应用经验发生的故障或质量异常而开展的失效分析；2）对于新设计活塞的定寿研究；3）对正常使用活塞的延寿研究或维保研究。以下分别对3个方向的研究情况进行介绍。

1 柴油机活塞典型的失效症状及对策

1.1 燃烧室过烧

燃烧室部位的温度是整个活塞温度的最高部位，一般情况下，长期使用后会在表面产生烧蚀的痕迹，图1和图2是国内某300缸径船用柴油机活塞由于过烧而导致开裂的失效照片[1]。

图1 活塞燃烧室开裂

图2 活塞避阀部位过烧

经过理化、性能以及失效分析，认为活塞燃烧室本身温度较高，长期高负荷运行会导致避阀坑部位过烧，同时在阀坑的圆角处产生大的热应力，逐渐产生微裂纹，裂纹不断扩展后就会导致活塞顶开裂。

减少过烧的对策有2种方式：1）减少高温燃气传导给活塞的热量，通过在燃烧室面喷涂或激光熔覆热障涂层可达到降低170 ℃的隔热效果[2]；2）加速活塞的本身热量的传递，通过调整燃烧室壁厚、改善冷却油路以及提高冷却油速度等均可实现此目的。

1.2 环槽异常磨损

活塞环槽部位是最容易磨损的，绝大部分活塞的寿命取决于环槽部位的磨损情况。图3和图4是某缸径为200 mm柴油机活塞在运行近10 000 h后的磨损情况。

图3 活塞宏观使用情况

图4 活塞环槽解剖后的形貌

由图3可以发现，活塞裙部外圆整体运行磨合良好，但活塞顶积碳较严重，对环槽解剖后发现，第一环槽磨损非常严重，且圆周方向上分布不均，经过测量磨损量范围达到2 mm～4 mm，其余两环槽正常磨损，从图4可以看出，环槽底径部位积碳较多且硬。

经过分析，认为该失效的原因有很多，如发动机负荷高、燃烧异常、空气中有杂质、燃油及润滑油中有杂质等；其中活塞燃烧室侧有杂质的可能性非常大。另外该活塞已经超过运行1年的质保期。

通过加强整个柴油机的清洁度控制，按照操作说明正常使用，按照维保手册进行保养，可有效避免此问题发生。

1.3 活塞裙开裂

活塞裙开裂也是活塞失效的一种常见的模式，图5为某柴油机组合活塞在运行了700余小时后发生的活塞铝裙开裂[3]；图6是MAN L23/30整体铁活塞在运行了20 000 h后，在某些船上集中爆发的活塞销孔及中间加强筋骨处疲劳裂纹[4]。

图5 铝活塞裙开裂

图6 铁活塞裙开裂

对图5的裂纹采用借助OLYMPUSSZX16型体视显微镜观察宏观断口形貌，利用扫描电镜观察微观形貌，找到裂纹源后通过能谱仪检测源区成分，最后确定由于铸造过程原材料产生缩松，锻造后无法完全消除，当存在于应力集中区域后发生疲劳开裂。图6开裂可能的原因是产品设计时安全系数偏低或者材料本身存在缺陷，在长时间运行后产生疲劳裂纹。

针对活塞裙开裂的对策，一方面是加强产品制造过程中的质量控制，减少材料缺陷的产生，提高产品一致性；另一方面是改进产品设计，优化结构，提高产品的安全系数。同时，加强产品运行过程中的检查能够有效控制失效导致的损失。

1.4 螺纹松脱

针对中低速柴油机活塞，螺纹连接普遍存在，如：组合活塞的螺栓连接副、整体活塞的螺纹堵头连接等，在长时间使用过程中，螺纹副很容易发生松动失效。图7是2013年前后某柴油机活塞在运行了1年半到2年的时间后发生了螺母松脱的情况，图8是MAN28/32、23/30等系列活塞发生的闷塞意外松动的示意图，大多情况下是在运行5年或者20 000 h运行后被发现的[5]。

图7 组合活塞螺母松脱

图8 整体活塞闷塞松

由图7可知：活塞螺栓没有发生颈缩现象，在与螺母的连接部位螺纹被拉毛，且发生了折弯；经过分析，认为该活塞的连接螺纹型号为粗牙，自锁能力较差，在较长时间的使用后在交变应力作用下，逐步发生了松脱。图8的松动经过主机厂与活塞供应商的分析，认为是由于用于紧固闷塞的胶水老化导致的。

针对该活塞的螺纹，将其从粗牙优化设计改为细牙后，未再发生螺纹松脱的现象。MAN公司在新的柴油机上采用了更强力的胶水Loctite2701代替之前的紧固胶水，有效减少了整体铁活塞闷塞松脱情况的发生。

以上均是针对活塞在实际运用暴露出的失效故障，通过失效分析，确定问题发生的原因，进而针对性的提出改进措施或对策，从而提高了活塞的可靠性，达到甚至超越预期寿命。

2 活塞的定寿研究

活塞的寿命是指在正常工作条件下，产品能够持续稳定发挥正常功能的时间，其与活塞的质保周期息息相关。相对于失效分析研究，活塞寿命的研究对于活塞的运用更具有指导作用。理论上讲，只有活塞发生故障后才能确定其寿命，而由于产品个体间的差异性以及使用工况的不同，每只活塞的寿命也不同，如何在产品批量使用前来确定它的寿命则更加复杂。新造或改进的柴油机活塞可以参照以下路径开展定寿研究。本文重点对仿真分析、试验测试和线路考核进行详细介绍。活塞定寿研究的技术路线见图9。

图9 活塞定寿研究的技术路线

2.1 仿真分析

随着三维仿真技术以及有限元分析软件的发展与运用，其对活塞可靠性研究的起着越来越重要的作用，其分析流程如下：利用Pro’E、UG和Catia等设计软件完成活塞的三维造型，然后将此造型导入ANSYS、Abaqus等有限元分析软件，将活塞、活塞销、连杆以及组合活塞内部各零件增加约束，考虑到温度场、燃烧室压力、内部应力以及热机耦合后的载荷，设置好相关零件的材料参数及运动参数，通过有限元计算，便可以得到活塞的应变和应力图，活塞的温度分布、最大变形和最大应力也能得出。通过最大应力与材料的屈服强度比较，可以得到零件或某区域的安全系数。当施加载荷为高周循环载荷时，可以得到高周疲劳应力，与材料疲劳强度比较，能够得出零件的疲劳寿命。

图10 为某活塞在最大压力负荷下各部位的应力分布，此时活塞销是最危险的零件，针对活塞其活塞销孔上部靠近开档处应力最大，此部位安全系数最低[6]。图11 是针对同一活塞设计的2种不同冷却结构的温度分布图，通过比较，采用盲孔冷却结构的最高温度较低，且温度梯度变化更平缓。

图10 活塞最大压应力下的应力分布

图11 2种结构方案活塞的温度分布

2.2 试验测试

活塞样件制造出并经过尺寸、材料性能和化学成分等常规检测后，还需要结合其寿命要求做各种试验测试，包括环槽强化工艺匹配磨损测试、活塞静强度应力测试、活塞残余应力测试、活塞快速寿命试验、活塞机械动态疲劳测试、单缸机试验和整机台架试验等。

针对普遍存在的活塞环槽磨损严重问题，采用MPX-2000盘销式摩擦磨损试验机对采用不同强化工艺的活塞环槽进行对比试验，从而选取磨损量最少的环槽强化方案[7]。

图12是我司采用WS-3811型动、静态多功能应变仪，通过切割法对某组合活塞铝裙的残余应力进行测试，控制活塞的残余应力对其疲劳寿命有正影响。图13是MAHLE公司利用动态疲劳设备测试活塞的疲劳寿命[8]，主要是对活塞材料及结构在机械交变载荷下疲劳寿命进行验证。中国船舶集团第七一一研究所针对缸径为270的某新型高强化柴油机活塞，通过了1.5倍爆发工况的疲劳强度考核试验，对活塞销孔、顶裙结合面以及活塞裙等薄弱部位进行验证，通过了耐久疲劳考核[9]。中车大连机车研究所利用IST活塞寿命快速试验装置对某钢顶铝裙组合活塞的铝裙销孔部位疲劳开裂进行了验证[7]，装置见图14；采用高频感应加速热疲劳试验装置（见图15）借鉴英国机车柴油机验收试验的方法和经验，通过1 500个加速热疲劳寿命试验循环，验证活塞头的热疲劳寿命满足正常工作2.5年以上[10]。

图12 活塞残余应力测试

图14 活塞寿命快速试验装置

图15 加速热疲劳试验装置

中国船舶集团第七一一研究所和中国北方发动机研究所等都有单缸机试验设备，可以根据活塞的缸径及行程开发单缸机用于对活塞进行试验，单缸机工况与整机基本一致，是可靠性非常高的试验验证手段，通过单缸机试验可以测试活塞的温度场、活塞与环及缸套的磨合情况、进一步验证仿真分析后薄弱部位的磨损情况，评估预测活塞疲劳寿命。以上试验考核通过后，就进入整机考核，对于小缸径或缸数较少的柴油机，以及不具备单缸机条件的生产厂家，可以直接用整机做台架试验。

台架试验考核包括可靠性试验和耐久性试验，按照JB/T 9773—1999和JB/T 51127—1999标准的要求，试验时间至少是1 000 h，试验后对样件拆检，检查整机的磨损和损坏情况，发现问题时要精密测量活塞、活塞环和活塞销等零件。

2.3 线路考核

柴油机的使用环境、使用工况不同，对活塞的寿命及可靠性影响较大，因此从可靠性角度考虑，活塞完全定型前还需要实际运用考核，此时装机量不宜过多。

在机车柴油机活塞领域，国内外对定寿管理具有大量的工程应用经验，也有明确的活塞寿命要求，如：国内DF系列内燃机车活塞的寿命为运行30万公里（约5 000 h），影响其寿命的主要因素是活塞顶环槽的磨损；2005年左右从国外引进的HX系列内燃机车活塞的寿命为90万公里（约12 000 h），制约其寿命的主要是活塞裙的疲劳开裂失效。经过多年的运用考核，以上活塞寿命稳定，可靠性高。

3 活塞的增寿研究

活塞的增寿研究分3大方向：1）对薄弱结构或材料的优化改进，提高产品本质寿命；2）规范维修保养，延长整体运用寿命；3）利用再制造技术，延长个体使用寿命。

3.1 提高产品本质寿命

1）既有产品的匹配副协同提升。活塞环槽表面强化处理能够显著提高活塞的寿命，为更好的协同提升，活塞环材料优选更耐磨的球铁或采用端面镀铬工艺；缸套的表面珩磨纹路优化，增加储油和润滑功能，可提升活塞外圆的磨损寿命。

2）材料缺陷的等级优化提升。针对锻造活塞，提高材料等级、确定原材料熔炼方式，控制P、S、H、O和N等有害元素的含量，可以减少或杜绝活塞开裂；针对铸造铁活塞，通过优化浇注工艺，控制熔炼过程，可减少疏松、夹杂以及冷隔等材料缺陷，提升疲劳寿命；针对铝活塞材料，在熔炼过程中增加精炼时间，提高浇注温度，降低浇注速度，增加除气效果可以有效减少疏松、气孔缺陷，提升疲劳寿命。利用超声波、射线探伤以及表面渗透或磁粉探伤手段，能够对缺陷等级进行评定，确保材料满足使用要求。

3）结构优化提升。通过运用考核，对发现的寿命薄弱区域优化改进，可有效提升产品寿命。如针对销孔的磨损情况采用内大外小的喇叭口形状改善受力情况，减少表面压力；针对顶裙装配面的微动磨损情况，优化活塞裙内支撑面的型线，可改善磨损效果；根据活塞外圆的磨合情况，优化型线和椭圆轮廓，增加表面微观储油槽，可减少磨损；针对活塞过热或过烧情况，改善冷却结构，增加冷却效果，可提高活塞的使用寿命。

3.2 规范维修保养

MAN公司给出的柴油机维护说明书中明确规定了活塞的检修周期和检修内容，如24 000 h后对活塞进行状态检查，规定如果环槽超限，活塞顶必须报废；沪东重机股份有限公司针对PA6活塞制订了维保手册，明确了6 000 h后检修的内容和报废标准，包括表面探伤及外观检查、环槽间隙及装配间隙检查和销孔尺寸检查等内容，为保证产品可靠运行提出了更换建议。通过定期的检修，可以排除故障隐患，更换磨损零件，提升活塞整体使用寿命。

3.3 利用再制造技术

PA6活塞、EMD机车活塞，在环槽超限后可以通过将环槽车大再配以厚度增加的活塞环来实现活塞的增寿；GE公司的7FDL柴油机活塞，其销套底孔分为3个等级，确保活塞裙销孔超差后可以通过更换销套达到延寿目的；Laser Cladding Singapore公司，采用了激光熔覆技术对某缸径为200 mm的船用柴油机活塞进行了环槽修复，从而延长使用寿命；采用补焊或者镀铬的方法修复低速机活塞头环槽已经具有几十年的工程应用经验。

增寿研究同时也要考虑到活塞的可靠性和匹配性，为了在安全性与经济性平衡，需要做大量工程经验积累。基于丰富的寿命管理经验，考虑到铝合金材料疲劳寿命曲线的特点以及国内基础工业水平，我司确定了锻造铝裙的强制报废企业标准，即使结构尺寸和无损探伤满足检修规程要求，一旦达到报废条件，便不再进行检修。

4 结论

1）针对船用柴油机活塞常见故障，研究其失效模式、失效机理以及改进措施，针对性的解决了薄弱部位寿命问题，可满足使用要求。

2）对于活塞的定寿管理研究给出了清晰的技术路线，从仿真分析、试验测试到线路考核，介绍了完整的流程和较为全面的内容方法。积累大量的工程应用经验，建立仿真分析、试验测试与线路考核间的相互验证关系，利用考核结果修正仿真计算和试验评估模型，是将来重点研究方向。

3）船用中速柴油机活塞的增寿研究相对较少，随着柴油机负荷率以及强化系数的不断提高，既有活塞的承载能力逐渐接近极限，通过优化改进、规范维保以及再制造技术等措施，可以增加使用寿命，满足市场需求。