活塞金相組織對其可靠性影響的研究.pdf

1、柴油機機車是國家運輸業(yè)，重型機械等重要領(lǐng)域發(fā)展的核心動力。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，為了適應(yīng)更高的要求，現(xiàn)代柴油機車的核心部件活塞正承受著前所未有的高熱負(fù)荷和機械負(fù)荷的相互交替作用。目前，柴油機車的活塞所承受的最高爆發(fā)壓力已經(jīng)高達20MPa，如此高的爆發(fā)壓力給活塞可靠性能帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。鋁合金活塞的承受能力也幾乎到了極限，高負(fù)荷帶來了一系列的活塞疲勞失效問題。因此，研究如何提高活塞的材料性能，從而減少活塞疲勞失效問題具有重要意義。

2、　　本文以某型號柴油機活塞為研究對象，通過改善和提高活塞鑄造工藝對其材料微觀結(jié)構(gòu)進行了改善；測試了1-4各等級金相活塞的物理性能和機械性能；采用有限元分析軟件對其在熱負(fù)荷及熱機耦合作用下的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變情況進行模擬分析，并采用硬度塞法對活塞溫度場進行試驗測試；對第4級金相活塞頂部及燃燒室區(qū)域進行了局部重熔處理，對局部改善后的活塞進行了有限元熱分析，并將其與普通活塞進行了熱疲勞對比試驗。主要研究內(nèi)容如下：
　　（1）在實驗室中

3、對1-4級不同金相組織活塞進行了材料性能測試，得到了各自的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、極限強度等材料屬性隨溫度變化的情況。測試結(jié)果表明材料在高溫下的總體性能明顯降低，金相等級越高，材料性能的優(yōu)勢越明顯。
　?。?）在發(fā)動機臺架上，采用硬度塞法對發(fā)動機1、3、5號氣缸內(nèi)的活塞溫度場進行試驗測試工作，得到了活塞表面各測點處的平均溫度。
　?。?）從溫度場分布可以看出，1-4級金相活塞最高溫度值隨金相等級下降呈現(xiàn)遞增趨勢。1-4級金相活塞

4、的溫度差值在活塞頭部較為明顯，活塞燃燒室的高溫區(qū)域隨金相等級降低呈現(xiàn)擴大趨勢。從熱流密度場研究了活塞熱量的傳導(dǎo)方向，冷卻油腔和第一環(huán)槽對活塞頭部冷卻起到了主導(dǎo)作用。熱應(yīng)力場中，喉口處熱應(yīng)力較為集中，最大熱應(yīng)力值隨活塞金相等級下降而增大。1-4級金相活塞的熱變形最大值均小于活塞與氣缸間隙。
　?。?）對1-4級金相活塞的熱機耦合場進行分析得出，耦合應(yīng)力和耦合變形均隨活塞金相等級的下降呈現(xiàn)增大趨勢。從耦合應(yīng)力場總體分布來看，熱負(fù)荷對耦

5、合應(yīng)力影響區(qū)域主要集中在活塞頭部，而機械負(fù)荷的影響區(qū)域則集中在銷座。耦合應(yīng)力值在銷座、第二環(huán)槽、喉口區(qū)域分布較大，3個區(qū)域處的許用應(yīng)力值與耦合應(yīng)力值的差值隨金相等級的下降呈下降趨勢，得出活塞金相等級越高其可靠性能越強；通過對比活塞在銷座喉口處的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布情況，從微觀金相層面探討了拉壓應(yīng)力的作用對活塞局部裂紋產(chǎn)生的重要機理。
　　（5）對第4級金相活塞頂部進行局部金相重熔處理，并對改善后的活塞進行了有限元熱分析。模擬