工程机械柴油机活塞熔顶故障的试验分析

谢建新+康博+胡雪芳

摘要：针对某型工程机械柴油机活塞顶面熔化原因的不确定性，提出了基于形线测量、椭圆度测量、油道检测、金相分析、合金元素检测以及硬度测试的试验研究方案。试验结果表明，活塞顶面的形线和椭圆度均符合工作要求，活塞冷却油道无铸造缺陷，熔顶部分的合金元素无偏析，黑色共晶硅和条状初晶硅分布均匀，活塞熔顶的主要诱因为柴油机的冷却和润滑系统故障，这对于提升该型柴油机的可靠性和使用寿命有着重要的意义。

关键词：柴油机；活塞熔顶；合金元素；故障分析

中图分类号：U415.5文献标志码：B

Experimental Analysis on Piston Melting Failure of Diesel Engine of Construction Machinery

XIE Jianxin1， KANG Bo2， HU Xuefang1

（1. School of Transport and Marine Engineering， Qingdao Huanghai University， Qingdao 266427， Shandong， China；

2. Hebei Province Expressway Management Bureau， Shijiazhuang 050051， Hebei， China）

Abstract： Aiming at the uncertainty of the melting at the top of the piston of a diesel engine for construction machinery， the experimental research scheme based on the measurement of the line， ellipse， oil passage， metallographic analysis， alloying element testing and hardness testing was put forward. The experimental results show that the shape and ellipticity of the top surface of the piston are in accordance with the working requirements； there is no casting defect in the cooling channel of the piston， and no segregation of alloying elements in the melted top； the black eutectic silicon and the striped primary crystal silicon uniformly distribute； the failure of the cooling and lubricating system is the main cause of piston melting. The research is of great significance in enhancing the reliability and service life of diesel engine.

Key words： diesel engine； piston top melting； alloying element； failure analysis

0引言

某整车厂与配套厂合作开发的工程机械柴油发动机（以下简称柴油机）运行时，出现了行驶无力并有白烟排出的现象，随后无法启动。对柴油机燃油喷射系统进行检测，确定性能正常；对发动机的进气系统进行检测，发现4个气缸中有2个气缸压力偏低；使用内窥镜观察二缸气缸及活塞的状态，发现二缸活塞顶面严重烧蚀变形，并出现局部的熔化现象，缸筒内壁拉伤严重。

柴油机活塞熔顶故障会给企业造成巨大经济损失，但其形成因素并不明确[16]。本文综合运用形线测量、椭圆度测量、油道检测、金相分析、合金元素检测以及硬度测试[211]等方法，对柴油机活塞熔顶故障的原因进行分析。通过对试验结果的综合类比和分析，得出故障因素，对于提升该发动机的可靠性和延长使用寿命有着重要的意义。

1活塞熔顶诱因分析

1.1柴油发动机冷却故障

柴油机有2路冷却系统：其中一路是外冷却系统，它以冷却液为媒介，通过水泵使冷却液循环起来，从而将气缸内的热量带出进行散热；另一路通过机油泵使发动机润滑油流经活塞内部的冷却油道而使活塞温度降低。柴油机与汽油机相比输出功率较大，活塞顶面承受的可燃混合气的温度较高，若冷却系统工作不良，活塞得不到及时冷却降温，会导致活塞机械强度降低，表面硬度下降，时间一长就会产生熔化拉缸的现象[12]。

1.2燃烧室积碳过多

一般情況下，若柴油机过载运行或柴油的品质较差，柴油机气缸内将出现可燃混合气燃烧不完全等问题[1315]，不完全燃烧的残留物附着在活塞顶和气缸内壁上，导致活塞和气缸内壁的热量不能及时被冷却液带走，使燃烧室的热量越积越多，最终可能出现活塞顶面熔顶现象。

1.3活塞存在铸造方面的缺陷

活塞铸造较为复杂，在浇注之前需要对铝液进行变质处理，使铝合金中的初晶硅减少，而共晶硅数量增多并细化。在变质处理、浇注和热处理工艺中，任何一道工序出现问题都会使活塞出现铸造缺陷，造成熔顶现象[1620]。

1.4活塞熔顶的研究方案

根据主机厂提供的数据可知，使用的柴油性能和油品符合标准，因此，柴油机发生积碳的可能性较小，不会产生散热不良。针对活塞熔顶的诱因，本文提出试验方案，如图1所示。检测和分析的主要方法有：形线测量、椭圆度测量、油道检测、金相分析、合金元素检测以及硬度测试等。其中，通过对活塞熔顶部分的金相组织、熔顶硬度以及活塞原材料的合金成分分析，可直接判定活塞材料出现熔顶后的性能变化。endprint

2熔顶活塞检测与分析

2.1活塞形线测量

活塞形线即活塞外轮廓线，一般使用形线仪进行测量。由于活塞的形线是由数控车床根据既定程序加工出来的，因此只要活塞存在形线，形线一定是符合标准的。对于熔顶拉缸的活塞，只需要确认其是否存在形线即可。熔顶活塞形线的检测如图2所示；从整个形线图来看，故障活塞的形线是存在的；位置1、3的形线基本符合标准轨迹线，其中有一部分形线超出标准轨迹线是因为拉缸后活塞受到挤压产生部分凸变形造成的；位置2、4的形线都发生了严重的凹陷变形，是拉缸以后活塞产生严重磨损造成的。综上所述，故障活塞的加工形线在标准形线轨迹线范围内，因此故障活塞的形线满足要求。

2.2活塞椭圆度测量

由于活塞在运行过程中顶部获得的热量最多，产生的膨胀量也最大，为了防止其顶部变形过大导致拉缸，一般将活塞加工成一个上小下大的近似圆锥体。活塞在工作过程中，头部金属体积大，受热变形量大，底部金属体积小，受热变形量小，活塞膨胀后形成一个近似的圆柱体，与圆柱形的气缸配合从而能进行正常的工作。活塞的椭圆度用圆度仪进行测量，测量位置与图2一致，得出1、4位置的椭圆度曲线如图3所示。

可以看出，位置1没有拉缸现象发生，活塞损伤较小，活塞在该位置的椭圆度线与标准椭圆度线基本吻合，符合标准值；位置4的椭圆度失真较严重，变形明显，证明该位置承受热量和载荷较大，易产生磨损，与形线的测量结果一致。椭圆度检测结果表明，活塞顶面的熔化现象与活塞机械加工的质量和工作时的承载状态无关。

2.3活塞油道检测

柴油机活塞设有冷却油道，润滑油在活塞冷却油道循环往复流动，将活塞的部分热量带走，使活塞温度降低。活塞冷却油道是铸造而成的，在铸造过程中易出现油道内径变小的现象，导致流经冷却油道的润滑油量变少，使活塞的冷却效果变差。由于活塞冷却油道在活塞内部，无法直接检测，因此本文采用注水法和切割法进行间接检测。

（1）注水法。注水测试法的原理如图4所示，将软管一端连接压力机出水管，另一端的接头插入活塞冷却油道入口，冷却油道出口同样连接1根软管，以便观察水的流速。通过手动水压机将水注入到活塞冷却油道中，观察油道入口和出口水的流速是否一致。流速不一致说明活塞油道内有“隔墙”，阻碍水流；若一致则证明活塞油道内部无“隔墙”。

（2）切割法。本文将故障活塞沿着第1道活塞环和第2道活塞环之间的位置切开，如图5所示，观察故障活塞冷却油道内壁是否存在“隔墙”，即检测是否有阻断油道的铸造薄壁。从图5可以发现，内壁光滑，没有“隔墙”结构，可知故障活塞冷却油道没有铸造缺陷。

2.4金相组织与元素分析

活塞材料为S2N铝硅合金，本文使用小型切割机从检测的熔顶活塞上截取20～45 mm长的一段，通过镶嵌、打磨、抛光、腐蚀等步骤制备了金相试样，将其置于XJG05型卧式金相显微镜上进行观察，如图6所示。

从图6中可以看出，该材料属于共晶组织，共晶硅呈粒状或杆状较均匀地分布在 αAl基体上，其上还分布有数量较多的金属化合物相，例如Mg、Fe、Gu等。黑色共晶硅和条状初晶硅没有偏析等现象，均匀分布在铝金属之间。与标准金相图谱比较，共晶硅和初晶硅颗粒大小符合标准，未出现组织异常。

将金相试样的检测表面再次磨平、抛光，采用光谱分析仪进行合金元素含量的检测，结果如表1所示。从表1中可以看出，熔顶活塞中的合金元素仍在标准范围之内，并没有发生严重的偏析现象，与图6中的结果一致。

中的测试数据可知，被测8个点的硬度值均低于硬度标准值110～140 HB，不符合活塞硬度要求。由此可见，柴油机活塞承受的最高温度是导致熔顶故障和限制柴油機提高功率的关键因素之一。经过试验数据的反复验证可知：柴油机铝合金活塞顶面的极限温度须小于350 ℃，超过该温度时，活塞顶部将会产生细小的裂纹；活塞长时间处于330 ℃以上时，受到高温气体交变载荷的冲击，将出现硬度迅速降低甚至局部熔化，导致熔顶故障的发生。

3结语

本文对引起某型工程机械柴油发动机活塞顶面熔化的3种主要因素进行了分析，其中，根据柴油的性能和油品排除了燃烧室的积碳因素。根据试验研究结果可得出以下结论。

（1）故障活塞的加工形线在标准形线轨迹线范围内，活塞顶端无粘缸现象发生，其椭圆度线与标准椭圆度线基本吻合；因此，塞顶面的熔化现象与活塞机械加工的质量和工作时的承载状态无关。

（2）通过注水法和切割法对油道性能进行检测，结果表明故障活塞冷却油道无铸造缺陷；对活塞熔顶金相组织和合金元素含量的分析表明，共晶硅和初晶硅颗粒大小符合标准，未现组织异常，无元素偏析。因此，活塞顶面的熔化现象与制造工艺、材料属性无关。

（3）根据不同温度下活塞顶面融化部分的多参考点硬度测试结果可知，活塞长时间处于330 ℃以上时，顶面的硬度低于标准值，证明活塞在熔化之前过热且没有及时散热，最终导致顶面熔化的发生。

参考文献：

[1]陈予，程春乐，王渭松，等.DF4型机车16V240柴油机活塞故障的分析与预防[J].内燃机，2014（4）：5658.

[2]陈文旗，胡树兵，胡晨晨.柴油机活塞开裂失效分析[J].金属热处理，2011（S1）：116121.

[3]张小荣，陈培磊，姜起东.发动机活塞开裂分析[J].理化检验：物理分册，2013，49（5）：330333.

[4]杨晋平.电控柴油机燃油供给系统检修[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（4）：8385.

[5]王孝敬.工程机械用柴油机润滑系统故障原因分析[J].筑路机械与施工机械化，2001，18（3）：2426.

[6]张帅，李晓荣，苏辉，等.柴油发动机活塞熔顶开裂失效分析[J].汽车零部件，2014（11）：5253.

[7]吴波，丛茜，熙鹏.带有仿生孔的活塞裙部试验研究[J].大连理工大学学报，2015，55（1）：3138.

[8]李闯，张翼，蔡强.冷却油腔形状对活塞温度场影响[J].煤矿机械，2015，37（3）：8285.

[9]秦朝举，张卫正.柴油机活塞用铝合金材料烧蚀性能研究[J].内燃机工程，2014，35（5）：107112.

[10]王毅，杨靖，邓帮林，等.试验与仿真相结合的发动机活塞热负荷分析[J].湖南大学学报：自然科学版，2014，41（8）：2329.

[11]邓士杰，崔翔，王东.基于PNN的发动机PT燃油系统故障诊断[J].筑路机械与施工机械化，2013，30（2）：8183.

[12]张俊红，何振鹏，张桂昌，等.柴油机活塞热负荷和机械负荷耦合研究[J].内燃机学报，2011（1）：7883.

[13]雷基林.增压柴油机活塞三维有限元分析及温度场试验研究[D].昆明：昆明理工大学，2005.

[14]童宝宏，张强.不同工况下柴油机活塞变形的三维有限元分析[J].农业工程学报，2010，26（9）：159163.

[15]吕彩琴，苏铁熊，赵振峰.柴油机活塞在复杂载荷条件下的强度研究[J].车辆与动力技术，2009（2）：3136.

[16]景旭文，徐振中，李焕.基于多学科耦合的柴油机活塞性能优化研究[J].机械设计与制造，2009（6）：112114.

[17]杨世寿，雷基林，毕玉华，等.柴油机活塞热负荷研究[J].铁道机车与动车，2011（7）：2730.

[18]楼狄明，陶建兰.柴油机活塞拉缸实例分析和试验研究[J].车用发动机，2001（5）：1820.

[19]李希斌，郜文国.现代柴油机活塞型线设计方法[J].拖拉机与农用运输车，2000（5）：2123.

[20]王梁，朱艳芳.柴油机活塞烧熔和开裂机理及预防措施[J].农机使用与维修，2000（3）：45.

[责任编辑：王玉玲]endprint