乔彦超，栾永东，张亚林，白小婷

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336）

0 引言

曲柄连杆机构（如图1）为发动机的核心机构，承受燃烧压力，将气体力转化为活塞的直线运动，再通过连杆摆动和曲轴旋转转化为旋转动力输出。活塞组与缸套、缸盖密闭形成燃烧室，承受燃烧压力和温度，转化气体力为直线运动力，活塞在发动机中扮演重要角色，其可靠性直接决定着发动机的使用寿命。

图1 曲柄机构

1 故障描述

某机型在活塞贴合试验完成（发动机运行96.5 h）后，拆机时发现第3缸活塞裙部存在一条白色印记（如图2），位置为活塞主推力侧裙部，通过显影剂对活塞表面情况进行分析，发现白色印记从裙部内侧贯穿外侧，初步确定缺陷为裙部产生裂纹，活塞裂纹分布在止口到大点位置（如图3）。

图2 故障活塞裙部

图3 活塞裙部裂纹

2 故障原因分析

1）装配。现场对活塞装配过程进行分析，现场装配步骤分为活塞环装配和活塞销装配。活塞环为设备自动装配，油环气环定位为活塞内腔，顶部压紧，定位和压头均为硬质塑料，不会造成金属裂纹，通过验证100个活塞，活塞表面均无裂纹等异常问题；活塞销装配过程为活塞反向定位压紧，人工将活塞销和连杆装配完成，过程无压伤等造成活塞应力过大的异常操作，无裂纹问题。

2）材料。对失效活塞进行金相分析后发现：失效活塞金相微观组织中有Si析出，属于标准的过共晶组织；未见初晶Si粗大及偏析，组织健全，可判定金相组织正常，判定级别为2级（如图4）[1]。对失效活塞硬度分析后发现：活塞本体硬度金相检测，硬度检测共3个位置（如图5），硬度实测数据分别为69.6、70.6、68.7 HRB，均在65～81 HRB范围内，符合要求，活塞本体硬度无异常。

图4 金相组织（×500）

图5 硬度检测位置

3）活塞强度。增加爆发压力、活塞往复惯性力及热负荷等条件模拟发动实际运作条件，活塞安全系数要求大于1，经过仿真分析（如图6），活塞气门坑、顶部、燃烧室及裙部等本体安全系数均大于1，失效位置安全系数为1.51，满足设计要求，活塞无开裂问题。

图6 活塞安全系数分析

4）配缸间隙。对该机型活塞配缸间隙进行分析计算，活塞配缸间隙范围为0.038～0.062 mm，通过对比，配缸间隙在其机型的范围内，未超出设计极限，配缸间隙理论设计合理；对失效活塞配缸间隙进行测量评价，失效活塞基本径为81.964 mm，失效活塞对应的缸体缸孔直径为82.013 mm，活塞和缸孔直径均合格，通过计算失效活塞的配缸间隙为0.049 mm，配缸间隙中值为0.05 mm，配缸间隙趋于中值，配缸间隙无问题。

5）活塞尺寸。失效活塞尺寸未见异常，其中大点位置裙部壁厚为2.38 mm，规格值为（2.5±0.5）mm（如图7），满足要求。裙部基本径要求为81.965 mm，销孔内径要求为21 mm，压缩高度为29.65 mm，顶环槽宽度要求为1.2 mm，第二环槽宽度要求为1.2 mm，油环槽宽度为2.0 mm，燃烧室容积为8.91 cm2，孔偏心距为0.6 mm，轮廓型线等产品尺寸均满足设计要求，无异常[3]。

图7 活塞裙部壁厚

6）缸体、曲轴、连杆尺寸。缸体：缸孔直径检测合格，缸孔圆柱度检测合格，缸体曲轴孔中心到顶面距离及缸孔、主轴孔位置度满足尺寸要求。曲轴：曲轴主轴颈和连杆直径尺寸合格，曲轴曲柄半径合格。连杆和活塞销：连杆大小头孔直径及中心距合格，活塞销直径及圆柱度满足要求，对手件尺寸均满足要求。

7）异物进入。活塞裙部（如图2）表面无磕伤、拉痕等问题，缸孔（如图8）未见拉痕、磕伤，排除异物进入可能性。

图8 缸孔内壁

8）异常燃烧。对试验台架数据进行分析，台架监控过程数据无早燃和爆震问题，活塞顶部和缸盖燃烧室无严重积碳等异常问题，排除异常燃烧等造成活塞裂纹的可能。

9）铸造缺陷。铸造过程：同批次铸造过程进行追溯，保持炉铝液温度要求为（780±20）℃，实际为782 ℃，合格，模具头部温度要求为300～420 ℃，实际为380 ℃，外型温度要求为210～300 ℃，实际为272 ℃。活塞表面无冷隔、凹陷、欠铸及突起缺陷；活塞裙部存在裂纹，对裂纹断口进行分析，裂纹起始点在活塞内腔止口边缘（如图9），电镜检查断口未见铸造缺陷、夹渣物存在（如图10）[2]。

图9 断口形态

图10 电镜分析

对裂纹起始点进行成分分析[4]（如图11），未见铸造氧化物存在（如图12）；裂纹起始点存在外力引起的撕裂状裂纹和缺肉现象（如图13）。通过对断口分析，断口为撕裂状裂纹，结合缸孔内壁和活塞裙部无异常磨痕和磕伤现象，初步确定活塞裙部受外力影响，导致裂纹产生。

图11 化学成分分析

图12 金属表面型态

图13 撕裂状裂纹

10）生产过程排查。对活塞加工生产过程排查，发现在加工外圆面工序（如图14），工装存在防止反放防错挡块，由于活塞内腔为非对称结构，员工未识别活塞正反导致活塞反放（如图15），启动设备，活塞头部压紧工装下压时会导致活塞倾斜，内腔支撑块同时支撑活塞，活塞与支撑块干涉（如图16），导致局部应力集中，产生挤压缺陷。此活塞在装机运转中会产生裂纹。

图14 活塞正放状态

图15 活塞反放状态

图16 活塞挡块干涉状态

11）故障复现。在失效复现试验中，各选取4只活塞进行正反放夹紧试验，和正放活塞对比分析。反放活塞验证，在夹紧位置有2个较明显夹痕存在（如图17），位置距成品活塞底部约2.5 mm，该高度为止口台阶高度，而正放活塞后内腔无夹痕，对比失效活塞裂纹起始点位置（如图18）与反放活塞的夹点位置，发现夹点位置1与裂纹位置相吻合。

图17 活塞反放压紧验证

图18 失效活塞裂纹位置

活塞裂纹问题为供应商加工过程中活塞反放导致，活塞反放时活塞倾斜，当顶部施加压紧力，此时内腔的支撑点与活塞接触面积变小，产生应力集中点，导致活塞运转过程中产生裂纹。

3 整改对策

1）将工装底座上的防错挡块去除，避免防反后产生内腔挤压。在模具头部增加凸起，铸造后活塞顶部形成一个凹坑（如图19），增加顶部压盖气密检测，如果放反，气密不合格会触发报警，设备停机。

图19 活塞顶部状态

4 效果验证

对整改后样件完成单体耐久试验验证，试验通过，整改后产品未出现活塞裙部裂纹问题，证明该整改是有效的。

5 结语

针对活塞裙部裂纹问题的排查和解决方向如下：对故障件进行断口分析，确定断口形式，分析断裂失效机理，通过开展相关匹配零部件尺寸检测，排查设计尺寸是否满足要求，结合断裂机理进行生产过程和装配过程排查，识别异常点，结合故障复现等方式最终确定裂纹产生的原因，根据裂纹产生的原因提出对策，保证彻底解决此模式的裂纹失效，本文通过解决生产过程中的干涉问题，解决了活塞裙部裂纹的产生。