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内燃机活塞机械疲劳损伤与可靠性研究

刘世英  
【摘要】: 铝硅合金活塞的机械疲劳可靠性影响着发动机的使用寿命。采用合理的结构提高活塞的可靠性,降低生产制造成本,提高发动机的机械效率,满足日益苛刻的排放法规要求等,是活塞新产品设计所追求的目标。国内在提高活塞的机械疲劳可靠性问题上,由于受到了试验手段缺乏等方面的因素限制,目前还没有在理论研究及试验研究领域作出详细的技术报告。对活塞可靠性问题进行深入的理论研究、试验与计算研究,降低活塞的机械疲劳失效,寻求优化设计方案,提出提高活塞结构可靠性的措施及较为实用的活塞疲劳试验方法与寿命评价方法,同时避免过于保险的产品设计,降低制造成本,不仅具有重要的理论意义,而且具有显著的实际应用价值。 由于铝硅合金具有轻质量密度的特性,该材料在发动机活塞领域至今仍占据着重要的地位。本文在数值模拟的基础上,结合试验验证,对铝硅合金活塞的机械疲劳可靠性问题展开了综合性的研究。研究表明,在日趋提高的发动机高温高压工作条件下,尽管活塞用硅铝合金的承载能力已经接近于或达到了材料的疲劳极限,但是如果通过采取产品结构优化的方式,仍然可以有效的达到降低产品的生产成本、提高发动机可靠性并确保发动机机械效率的目的。 本文依据活塞机械疲劳寿命评价流程,对发动机活塞机械疲劳可靠性问题进行了系统的理论及试验研究。针对活塞在运行过程中出现问题的关键部位,利用Unigraphics软件建立了活塞组件的三维数值模型,并利用Ansys软件进行了活塞组件的网格划分及数值模拟计算工作。研究的主要问题包括:活塞销孔结构设计对活塞可靠性的影响、活塞销孔结构设计对燃烧室可靠性的影响、轿车活塞环岸强度与断裂失效行为的分析。在项目的开展过程中,研究并制定了活塞液压疲劳试验规范,对不同设计方案的活塞销孔进行了液压疲劳试验;利用发动机活塞耐久性试验、活塞材料性能试验、活塞温度场试验、发动机爆发压力测试等来分析评定活塞的可靠性;利用材料的S-N曲线及Palmgrem-Miner疲劳累积损伤法则进行了活塞寿命的预测研究。为改善活塞的机械疲劳可靠性及今后的深入开发、研究工作提供了理论和试验基础。 在活塞液压疲劳试验装置设计过程中研究并采用了各种有效措施来降低高压油腔内的残余波形,以确保试验过程中每一循环正弦波形的独立性。对发动机台架试验后的活塞销孔及液压疲劳试验后的活塞销孔进行测量对比,考虑到最高爆发压力P_(max)、最大压力升高比(dp/dφ)_(max)及气缸压力标准偏差S_d(θ)等参数的影响,制定了柴油机活塞与汽油机活塞的液压疲劳试验方法。通过对比发动机活塞的耐久试验失效样件及活塞液压疲劳试验的失效样件,证实在所采用的液压脉冲试验条件下,活塞液压疲劳失效机理与发动机运行中活塞的疲劳失效机理具有一致性。 销座部位的可靠性是影响活塞及发动机使用寿命的主要因素之一。本文对轿车汽油机活塞销座的结构设计提出了五种设计方案,其中包括新型的相对于销孔中心的非对称减压弧结构设计方案。进行了轿车汽油机活塞销座的结构设计与液压疲劳试验验证工作,利用数值模拟和试验手段相结合的方式研究了不同销孔结构对活塞应力重新分布的影响。研究表明,不同方案的活塞销孔结构与圆柱形活塞销孔相比,在改善活塞销座可靠性的性能上具有明显的差异;相对于销孔中心的非对称减压弧结构由于显著降低了销座部位的应力集中现象,均化了应力的分布,从而明显的提高了活塞销孔部位的可靠性,在与国外公司合作的活塞开发项目中已得到应用;即使是轿车活塞普遍采用的锥形孔结构也可能由于设计参数的选择不当而导致不理想的试验结果。研究同时表明,在发动机工作过程中,随着工况的改变将导致活塞的载荷情况出现较大的变化,在某种载荷和温度下适宜于销孔轮廓的设计可能在其它工况下出现变化。在确定活塞销孔的结构时,应尽可能综合考虑各种负荷对销孔应力及轮廓形状的影响。活塞所承受的惯性力在销座部位产生的应力集中现象对活塞的机械疲劳可靠性没有影响。 对活塞销孔部位的最大Von Mises应力、活塞销与销孔间的油膜厚度及摩擦系数的关系进行了数值模拟计算。计算结果表明,在承载的油膜厚度一定时,随着摩擦系数的逐渐增加,最大Von Mises应力趋于增加;若活塞销与销孔间的摩擦系数不变时,最大Von Mises应力幅值随着油膜厚度的增加而趋于减小。当摩擦系数为0.1或采用更小的摩擦系数时,油膜厚度的改变对最大Von Mises应力的变化影响不大;当油膜厚度为0.0055mm或采用更大的油膜厚度时,摩擦系数的改变对Von Mises应力变化影响不大。通过分析表明,在设计中要力求有效的形成润滑油膜,并均衡摩擦副部件之间接触压力的分布,以有效提高活塞销孔部位的可靠性。 本文结合活塞销孔失效实例分析了销孔微观结构对活塞可靠性的影响。在活塞生产过程中,应该严格控制金相结构中的较大硅颗粒聚集及较大的铁质颗粒聚集现象,避免由于存在微观结构的缺陷而导致活塞的破坏。 利用弹塑性有限元理论,对活塞销孔部位在高温下的塑性变形进行了数值计算分析。计算结果表明,发动机运行工况下的销孔部位存在着一定程度的高温塑性变形。考虑到现代发动机强化程度愈来愈高的现状,对高温工况下的销座部位进行塑性变形的预估及采取相应措施是很有必要的。 活塞燃烧室疲劳开裂问题是现代高负荷发动机活塞面临的主要失效形式之一。本文详细分析了不同的销孔设计结构对柴油机活塞顶部燃烧室边缘可靠性的影响。研究表明:在机械负荷作用下,平行于销孔方向的燃烧室边缘过渡圆弧处的下侧边缘出现最大拉伸应力峰值,垂直于销孔方向的燃烧室边缘过渡圆弧处的下侧边缘出现最大压缩应力峰值,Von Mises应力最大值同样出现在平行于销孔方向的燃烧室边缘处。对比分析可知,活塞承受的爆发压力在平行于销孔方向的燃烧室喉口区域造成的较大拉伸应力是导致燃烧室喉口开裂的重要因素之一。销孔结构对活塞可靠性的影响更突出的表现在怠速到全负荷过渡以及其他突变工况。不同销孔结构在突变工况下所产生的机械应力破坏与研究人员所认可的燃烧室喉口低周热疲劳破坏主要发生在起一停及突变工况相吻合。分析发现,销孔结构影响着燃烧室喉口应力的大小即影响着喉口的可靠性,通过优化销孔结构可以达到提高销孔承载能力并同时改善燃烧室喉口应力的目的;计算并依据标定工况下的稳态温度与爆发压力所导致的活塞综合应力对评价活塞可靠性具有一定的实际意义,但更重要的是应关注活塞承载的负荷变动所导致的应力变化;发动机试验及装机使用表明,通过选择合适的销孔结构可以有效地提高活塞的可靠性。这也从另一方面说明了协调活塞热应力与机械应力设计的重要性。 对于环岸断裂问题,通常采用增加环岸高度的办法来解决,这也是工程实践中最容易实施的措施。但在活塞总高的限制条件下,增加环岸高度势必要减少其他部位的高度。本文基于应力幅-平均应力及Palmgrem-Miner疲劳累积损伤法则,利用数值模拟技术及试验验证,从理论和试验两方面对活塞环岸疲劳开裂的原因进行了分析,并利用材料的S-N曲线对活塞环岸的寿命进行了预测。研究发现,环岸断裂并非完全取决于机械负荷过大,而是由于汽油机活塞本身结构的限制导致了热应力较大,叠加动态机械负荷导致环岸开裂失效。在汽油机活塞承受的热机耦合应力作用中,热负荷占据了更大的权数。更适宜的措施是考虑降低并均衡活塞的工作温度来有效降低工作应力,在保证其他部位可靠性的同时适当的增加活塞环岸的高度。活塞环槽根部的应力随着活塞环与槽底的配合间隙的增大呈指数性增加。提高环岸可靠性首先要避免环岸部位的显微裂纹、降低环岸工作温度并提高材料在热负荷与机械负荷工作下的能力,并考虑材料蠕变、发动机爆振等因素可能对裂纹萌生产生的不良影响。 综上所述,按照活塞机械疲劳可靠性评价流程进行的研究有效的提高了产品的可靠性能,取得了较为理想的效果。数值模拟结果和试验结果有着较好的吻合,该数值模拟方法可以用于指导活塞的产品设计及进一步的优化工作。该研究成果为继续提高并改善活塞的可靠性及今后的深入研究、推广工作提供了理论和试验基础。


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