祝传亮，曹国帅，郑洪国，黄超，赵昌锋,张学禄

1.滨州渤海活塞有限公司，山东 滨州 256600；2.山东省发动机活塞摩擦副重点实验室，山东 滨州 256600

0 引言

随着发动机性能的提高，活塞组件的工作环境更趋恶劣[1-4]，发动机更容易产生不同的失效模式。众多的失效模式中，发动机形成液压锁进而导致发动机失效是一种不太常见的失效模式，但是这种失效模式会对发动机造成极其严重的损害，导致相关零部件弯曲、碎裂等故障发生，甚至可能造成整台发动机报废。

本文中针对液压锁形成模式对活塞失效的影响进行研究，分析液压锁失效模式的判定思路，为液压锁导致的活塞失效分析提供参考。

1 活塞失效分析

当发动机处于静止或运行状态时，液体(水、冷却剂、机油或燃油)以非正常状态进入燃烧室，由于液体具有不可压缩性，活塞和曲轴在压缩行程中承受巨大的应力，在该应力作用下导致发动机运动件出现不同形式的失效，如活塞环岸断裂、连杆弯曲、曲轴损坏等，这种情况导致的失效称为液压锁失效。

1.1 失效描述

某1.3 L直列四缸四冲程增压发动机，其主要性能参数如表1所示。

表1 发动机主要性能参数

该发动机进行耐久试验运行到356 h时，由于曲轴箱压力过大报警，拆机后发现4只活塞的第2环岸均出现了断裂，部分活塞的第3环岸也出现了断裂失效。活塞失效面外观如图1所示。

图1 活塞失效面外观

1.2 失效原因分析

在热应力、机械应力、高温等因素综合作用下，如果活塞环岸承受的载荷大于设计承受能力，活塞极易发生环岸断裂失效[5-8]。活塞环岸在载荷Fg作用下断裂失效示意图如图2所示。活塞环岸断裂是一种常见的失效模式，造成活塞断裂的原因主要有：1)活塞结构强度不足；2)活塞材料不合格，导致活塞各项物理性能参数下降，不能满足活塞的使用要求；3)活塞失效部位存在铸造缺陷；4)发动机有液体进入缸孔，形成液压锁；5)发动机运转过程中，如果超负荷工作，活塞及相关零部件的变形量过大；6)燃烧系统工作不正常，发动机爆震。

图2 环岸断裂失效示意图

通过核对发动机运行数据，整个试验过程中无明显超负荷运转，也没有出现发动机爆震，因此导致活塞环岸断裂的上述原因中最后2项可以排除。

1.2.1 结构强度计算

仿真计算软件为分析活塞工作状态提供强有力的手段[9-11]。以活塞中心线为z轴，x、y轴分别平行、垂直于活塞销中心线[12]。采用ANSYS软件对故障件结构强度进行有限元分析，建立活塞网格模型，对模型进行网格划分，共296 669个单元、434 643个节点，有限元网格模型如图3所示。对活塞环岸部位的疲劳系数进行有限元分析，计算结果如图4所示。由图4可知：活塞最小疲劳系数为1.307，位于主推力侧，满足活塞环岸的疲劳系数许用限值，符合设计要求，因此活塞设计方案不存在强度不足的问题，造成活塞失效的原因1)可以排除。

图3 活塞网格模型 图4 活塞环岸部位疲劳系数

1.2.2 物理性能检测

活塞本体铝合金材料的物理性能影响活塞的整体结构强度，活塞物理性能参数主要包括材料成分、金相、抗拉强度以及硬度等[13]。

采用光谱分析仪对活塞材料成分进行检测，活塞材料化学成分质量分数如表2所示。由表2可知，材料各成分配比满足要求。

表2 活塞材料的主要化学成分质量分数 %

将活塞制作成金相检测样块，如图5所示。通过金相显微镜进行金相检测，金相检测微观组织如图6所示。由图6可知：基体α-固溶体较细小，共晶硅呈短条状，初晶硅呈小块状，分布均匀(二级)；铁相针状，铁相夹杂物不明显(一级)，满足设计要求。

图5 金相检测样块 图6 活塞微观金相组织

受失效影响，在原活塞本体上无法取出抗拉强度试棒，因此调取同批次未装机活塞进行抗拉强度和硬度检测，活塞物理性能检测结果如表3所示。由表3可知，活塞材料物理性能满足设计要求。

表3 活塞物理性能检测结果

通过以上检测分析，材料物理性能满足要求，失效原因2)可以排除。

1.2.3 铸造缺陷检测

如果活塞本体中存在铸造缺陷，缺陷部位将会导致活塞结构强度降低，发动机运转过程中，活塞有可能在该部位出现失效。

为了确定开裂处是否存在铸造等其它宏观缺陷，对开裂部分进行CT扫描，CT检测结果如图7所示。由图7可知：活塞各方向均没有明显铸造缺陷。因此，造成活塞失效原因3)可以排除。

a)水平方向 b)平行于销孔方向 c)垂直于销孔方向

1.3 失效原因确认

通过以上分析可知，造成活塞失效的原因4)具有最大可能。对发动机进行详细拆解检测，发现空滤、进气歧管内有机油残留，进气压力传感器中也发现有很厚的油渍，可以判定机油进入缸孔形成液压锁是导致发动机失效的主要原因。

2 形成液压锁的液体来源及判定方法

2.1 液体来源

发动机形成液压锁的液体主要包括冷却液、机油和燃油。1)冷却液。缸垫密封不好，或缸盖的平面度达不到使用要求，会导致发动机水温升高或开锅现象，冷却液压力升高，越过密封垫进入缸孔、燃烧室，影响发动机正常工作。2)机油。发动机有时出现烧机油的情况，具体失效过程为：发动机漏气量增大，大量气体通过活塞组进入曲轴箱，导致曲轴箱压力增大，曲通管或油气分离器堵塞，机油通过曲通管进入空滤、进气管、燃烧室，出现烧机油、冒蓝烟、动力下降等异常现象。随着进入油量的增多，进入的机油不能完全燃烧，剩余的机油会导致液压锁失效的发生。3)燃油。发动机喷油故障，喷油嘴出现长喷油现象，导致缸孔内在压缩冲程时积存大量燃油，形成液压锁。

2.2 液压锁形成判定思路

发动机从失效到拆机一般会间隔一段时间，在条件允许的前提下，间隔时间应该尽可能短。如果发动机不能及时拆机，可能会导致造成失效的冷却液或油品挥发，不能准确判断失效的具体原因，因此及时拆机对判定发动机液压锁失效非常重要。

发动机在试验或使用过程中，一旦出现形成液压锁失效但拆机不及时的情况，如何判断导致失效的根本原因将是一个非常棘手的问题。如果拆机后没有发现明显的液体，判定发动机形成液压锁导致的失效可以从以下思路着手。

2.2.1 冷却液形成的液压锁

在活塞、缸套等相关零部件形成的密闭空间内没有出现冷却液泄漏时，由于冷却液的挥发性较差，拆机过程中如果发现冷却液，可以直接判定该种失效模式。如果出现泄漏，由于冷却液的清洗作用，失效缸的活塞与其它缸的活塞相比要相对干净，该种现象可以作为液压锁失效的间接判定依据。冷却液进入缸孔后的活塞外观如图8所示。

图8 冷却液进入缸孔后的活塞外观

2.2.2 机油形成的液压锁

发动机经过长时间运行，在活塞顶面会形成一定厚度的燃油积碳，正常情况下积碳以固体状牢固地附着在活塞顶面，不易脱落。机油进入到缸孔后，对活塞顶面的积碳有溶解稀释作用，最终活塞顶面积碳与机油融合成油泥状。因此，活塞顶面的积碳如果以油泥状态存在，基本可以判断机油导致的液压锁失效。

2.2.3 燃油形成的液压锁

由于燃油的易挥发性，燃油导致的液压锁失效模式很难通过拆机找到直接证据。燃油导致的液压锁一般是喷油正常但发动机失火不能正常工作造成的，此时，发动机在运转过程中会表现出功率下降、动力不足的现象。因此，发动机性能下降可以作为判定燃油导致液压锁的一种外在表现。

3 液压锁导致的活塞失效模式及预防

3.1 活塞环岸断裂

导致活塞环岸断裂的原因有很多，液压锁是其中之一。活塞环岸断裂的失效模式较多发生在活塞的主推力侧，一般情况下为活塞第2环岸断裂，比较严重的会导致第3环岸甚至油环槽以下区域出现断裂。

3.2 活塞顶面开裂

活塞在活塞销的支撑下可以简化为悬臂梁受力模型，如图9所示，活塞销简化为O点，活塞简化为悬臂梁，当顶部压力F足够大时，悬臂梁就会在O点处出现断裂。对应到活塞组件，则沿销孔方向活塞顶面出现开裂。

图9 摩擦副组件受力模型

如果活塞沿销孔方向从顶面开裂，则为脆性断裂，失效面没有明显的疲劳裂纹区，具体失效外观如图10所示。

图10 活塞开裂失效模式外观

3.3 预防措施

液压锁产生的活塞失效模式属于被动失效，一旦出现这种失效模式，活塞基本报废，严重者甚至整机报废，应尽可能避免出现液压锁失效，而解决该种失效只能从发动机的角度考虑，防止冷却液或油品非正常进入缸孔。

4 结语

针对该发动机出现的活塞环岸断裂失效，总结了导致活塞失效的原因，进行了失效分析，确定本次活塞失效的根本原因为发动机形成了液压锁；分析了形成液压锁的液体来源及诊断方法，总结了液压锁导致的活塞失效模式，为环岸断裂或液压锁产生的活塞失效提供了详细的分析方法。