四冲程柴油发动机活塞疲劳开裂分析.pdf

产 Ca U e r T1 I C 学 术 4 结 论 综上所述，通过 T R I Z创新原理的实施 ，对 辗环机设备进行改进，实现辗环机工作效率的 提升。 并经过具体应用， 整个改进运行效果 良好， 实现基于 T R I Z 创新原理改造的可行性。其 良好 的运行，对于 同类型机械设计具有借鉴意义， 促进我国工业可持续发展。 参考文献： 1 陈继文，张进生，范文利，于复生， 黄 国栋 基 于 T R I Z的刀库 自动选刀系统 改进 J 组 合机 床 与 自动化加 工 技术，2 0 1 0 ，1 0 ( 1 O) ： 1 6l 1 6 3 2 高洋 基于 T R I Z的产品绿色改进方法 研究 D 合肥工业大学 ，2 0 1 2 3 罗以洪 T R I Z 集成创新方法的系统结构 及设计应用研究 D 电子科技大学，2 0 1 3 4 吴莉娅 基于 T R I Z的技术创新服务平 台构建与应用研究 D 华南理工大学，2 0 1 3 四冲程柴油发动机活塞疲劳开裂分析 1 1 6 0 0 1 6 5 0 5 3部队 辽宁大连 一 张芮 曹远 张永锋 摘要 ： 随着四冲程柴油发动机爆发压力的不断提升 ， 致使高功率的发动机活塞疲劳开裂失效事故频繁发生 ， 给工业生产造成了严重的损失。为此 本文针对四冲程柴油发动机活塞疲劳开裂问题 ， 采用失效分析方法 ， 对其展开了发动棚 舌 塞断口宏观、微观分析以及金相组织分析。根据对活 塞断口形貌和金相组织进行分析 ， 结合相关理论知识 ， 从而确定了四冲程柴油发动机活塞疲劳开裂的主要原因。 前 言： 四冲程柴油发动机活塞 的主要作用在于承 受发动机气缸 中所产生的气体压力，并将气体 压力通过活塞销传递给机械连杆，用以推动曲 轴进行旋转。在发动机的燃烧室内，活塞在发 动机高温、高压的燃气作用下，重复不问断的 进行高速往复运动。由于活塞承受着较高的机 械负荷和热负荷，所 以其工作的条件是十分恶 劣的。故发动机活塞无论是在制造、装配还是 使用环节中一 旦出现问题，都将导致活塞在工 作中失效，甚至会照成严重的工业事故。 1 理化检验 本理化检验通过观察某 四冲程 柴油发动机 活塞的开裂断口进行分析， 从而得出其开裂原因。 1 1 活塞开裂断口和侧面的接触状况分析 根据观 察，某四冲程柴油发动机活塞的开 裂断 口位置均 处于活塞销的同一侧。其断 口处 裂纹均产生在活塞销支座边缘的 R角处，同时 向左右侧扩展。相对严重的发动机活塞侧壁一 侧完全断开掉落，其活塞裂纹则沿着活塞销支 座边缘 R角处展开 1 。其中活塞侧壁发生偏磨 现象，活塞裂口一侧偏磨较重。 1 2 开裂活塞断口分析 根据观察 四冲程柴油发动机活塞的开裂断 口，可 己很 明显的发现其开裂 的活塞断口顶部 有一条贯穿其本身分部的裂 纹，开裂活塞 的顶 部呈黑色，存在积碳。将开裂的活塞断口打开 ， 可以发现其整个断面 的颜色都比较深，断面上 可隐约看见贝纹线 既发散的金属条纹，并且条 纹从 己开裂的活塞断 口顶部向左右两侧及下端 的活塞销座处进行扩大展开 2 。用扫描电子显 微镜对 已开裂的活塞断面进行放大，还可 以发 现在活塞断 口的裂源处及裂源周围的微观形貌 有椭 圆形晶粒和孔洞，并且在裂纹的扩展 区还 可以发现疲劳辉纹。据观察发动机活塞断口顶 面发现，在其顶端断 口附近有多处呈跳跃式扩 248Ma c h in e C h in a中国机械 展 的裂纹，同时在其附近有多处燃烧融化的孔 洞 。综上分析结果表明，该 四冲程柴油发动机 活塞顶面的开裂为疲劳开裂。 1 3 化学成分分析 在该四冲程柴油发动机活塞的开裂断 口处 取样本进行化学成分分析，结果表明其化学成 分符合技术要求 3 。 1 4 金相组织分析 在该四冲程柴油发动机活塞的开裂断 口附 近取样进行金相组织分析，其检验显示微组织 为 a 一固态溶体+少能量条+条形状共晶硅和 方块状初晶硅。 1 5 硬度分析 在该四冲程柴油发动机开裂活塞的头部取 样进行硬度测试，得到的结果为活塞内腔壁侧 面 硬度 8 5 6 ， 8 2 I I-IB W ；燃烧 室 内壁侧 面硬 度 7 7 3 ， 7 2 9 H B W ，测试 结果均低 于 9 5 1 3 0 H B W的 技术要求，其 中该四冲程柴油发动机顶面燃烧 室面侧的硬度低于内腔免测的硬度 4 3 。 2 分析与讨论 2 1 发动机开裂活塞裂纹的共同性 根据观察，发动机开裂活塞裂纹通常起源 于活塞销支座边缘的 R 角处， 确定为疲劳开裂。 其裂纹起源的位置、 扩展方向及形貌都很相似， 都表现 出对活塞销支座薄壁与边缘之间的 R角 不合理的敏感性。 2 ， 2 发动机活塞开裂原因 经过检测，该活塞的显微组织为 0一固态 溶体 +少能量条 +条形状共晶硅和方块状初晶 硅 ，为正常的铸造组成结构。 发动机活 塞裙部对 活塞在 气缸 内的循环 往复的运动起导向作用，同时承受其侧压力， 通过对发动机开裂处冷却油道豁 口一侧在运动 行程中的受力分析显示，侧压力指 的是在作功 行程和压缩行程中，作用在发动机活塞顶部的 气体形成压力的水平分力使发动机活塞压 向气 缸壁的过程。发动机中活 塞的作功行程和压缩 行程气体的侧压力方 向正好相反，由于压缩压 力小于燃烧压力 ，所以发动机活塞内部的压缩 行程中的侧压力则小于作功行程的侧 压力。发 动机活塞裙部承受发动机活塞侧压力 的两个侧 面称为推力面 ，其处于与活塞销轴线相垂直的 方 向上。由于 发动机开裂 活塞 的使 用期 限为 6 0 0 0 9 0 0 0 k m ，因此四冲程柴油发动机活塞两侧 中间部位的接触属于异常情况。 在活塞开裂 的位置，通常情况下处于活塞 销的同一侧，通过活塞的两侧部位来观察能够 发现其异常接触和疲劳裂纹都属于机械应力性 质的疲劳开裂，而裂纹的萌生表面也表现出了 对于活塞销制作边缘部分和薄壁之间的 R角不 合理的敏感性。 2 3 改 良建 议 四冲程柴油 的发动机活塞部分开裂属于机 械应力性质当中的疲劳开裂，开裂的原因在于 其所表现 出的对活塞销支座边缘部分和薄壁之 间的 R角设计不合理造成的，同时这种不合理 体现了一定程度 的敏感性 5 。并且活塞两侧面 的异常接触，其 中有很多种因素来造成，最常 见的因素就是活塞的椭圆形状和活塞与缸壁之 间的间隙过大。 3 结论 四冲程柴油发动机在生产过程中被广泛地 运用，其在人们 的生产生活当中发挥 出了巨大 的作