0 引　言

在保护自然生态环境和节能降耗的背景下，传统的船用柴油机逐步淘汰，新款柴油机投入使用，后者是对前者在零部件方面的优化和改进，其中活塞便是得到改进的部件之一，从原本的球铁活塞变为钢顶铁群组合式活塞。在使用中发现，这种活塞容易出现失效的情况。为此，应当采取有效的检测技术，查明活塞失效的原因，据此对活塞加以优化。

1 船舶柴油机活塞失效分析

活塞是船用柴油机重要的零部件之一，若是活塞失效，则会对柴油机的运行造成直接影响。为查明活塞失效的主要原因，选取不同生产厂家的2个开裂活塞，用A和B表示。

1.1 外观检查

检查活塞的外观后发现，燃烧室存在裂纹，在裂纹拐角处有缺口，其形状不规则，与圆周方向垂直的裂纹延伸至外圆。具体情况如图1所示。

沿着裂纹打开活塞后发现，断面位置处存在明显的疲劳贝壳纹。对裂纹的先后次序加以分析，在连接处出现裂纹扩散的状态，此时如果仔细观察冷却腔，可以发现其表面粗糙度较差，有比较明显的台阶，并且与疲劳裂纹相对应^[1-2]。据此可以推断最先发生的部位是靠近阀坑根部的疲劳纹。检查B活塞的外观后发现，在该活塞上有一条贯穿壁厚的裂纹，延伸度超过圆周的1/2，该裂纹的扩展情况如图2所示。

可知，裂纹并未向燃烧室进一步扩展，而是沿外圆的圆周方向扩展。因2个活塞的失效特征大体相同。为使研究过程得以简化，只对A活塞进行检测分析^[3]。经过初步判定，裂纹最早出现在阀坑的根部，柴油机运行时，活塞做功，导致裂纹随之扩展，由于外部的受力比较大，壁厚过薄，从而使得外圆裂纹的扩展速度更快^[4-5]。

1.2 材料性能

采用钻孔的方法，从活塞上取金属屑，通过化学法分析活塞材料的性能。对活塞裂纹部位取样，做金相检测，由结果可知，材料的洁净度比较好。在裂纹源部位和基本部分取样，分析活塞的金相组织，结果显示该区域组织为回火索氏体，依据现行规范标准的规定要求，将其结晶力度评定为7级；检查活塞裂纹的脱碳情况，结果显示，裂纹源区域并未出现明显的脱碳痕迹。

1.3 失效原因

通过对活塞检查后，得出失效原因，具体如下：活塞疲劳开裂，起始区域在避阀坑底部圆角区域；活塞材料成分与现行规范标准的规定要求相符，与失效原因无关；未见脱碳层，裂纹不是在调质时产生；阀坑圆角处产生极大的热应力，受此影响活塞极易开裂。由此推断，在热应力与机械应力的双重作用下，活塞开裂失效。

2 船舶柴油机活塞失效检测技术

船舶柴油机活塞失效检测是一项较为复杂且系统的工作，为确保检测结果的准确性和可靠性，在失效检测过程中，应用有限元分析软件，构建三维立体模型，获取活塞失效部位的温度场，据此计算出最高温度，建立高度与温度坐标系，通过对比分析，判断活塞的失效原因。

2.1 确定柴油机活塞的热边界条件

通过有限元软件分析船用柴油机活塞的热学时，要对相关的热边界条件加以确定，通过求解热微分方程，从而获得所需的温度值。热边界条件分为三类，其中第一类可以表示为：

$ f(r,\phi ,z) = T \text{。} $

式中：r和z分别为极坐标的半径和角度； $ \phi $ 为位置点的高度。

第二类按照傅里叶定律可得：

$ {q^{''}} = - k\frac{{{\text{δ}} T}}{{{\text{δ}} n}} \text{。} $

上式的应用前提为稳定工况，并且要求换热设备表面的热流量为已知数据。

第三类可表示为：

$ - k\frac{{{\text{δ}} T}}{{{\text{δ}} n}} = h(T - {T_0}) \text{。} $

式中： $ T $ 为船用柴油机活塞表面的温度； $ {T_0} $ 为介质温度。当导热过程稳定时，以上三类热边界条件中设计的主要参数均为特定的常数，具体包括温度、换热系数等。当任意参数为已知时，便可通过求解得到柴油机活塞各个点的温度。在研究船用柴油机活塞的热负荷时，较为常用的边界条件是第三类，这是因为另外两类的准确值确定难度较大。

船舶作为大型机电液一体化机械设备，主要是柴油机驱动，由此使得柴油机的工作过程比较复杂，不同的柴油机型号、不同的工况，柴油机的工作参数均不相同。正因如此，尚未开发出适用于所有型号的经验公式。在柴油机活塞失效检测过程中，为找到最为贴合的计算方法，对业内专家学者的研究成果借鉴参考，最终确定出适宜的计算方法。本文研究中，活塞为钢顶铁裙组合式，船用柴油机为四冲程，活塞的冷却方式为振荡冷却。按柴油机活塞温度场的计算模型，结合选定的边界条件，对稳态温度场仿真，由此得到活塞的温度变化曲线。船用柴油机活塞径向路径1温度变化曲线如图3所示，船用柴油机活塞径向路径2温度变化曲线如图4所示，船用柴油机活塞径向路径3温度变化曲线如图5所示，船用柴油机活塞径向路径4温度变化曲线如图6所示。

2.2 活塞建模

本文主要研究的是船用柴油机活塞失效的问题，为给检测分析提供依据，需要构建相关的模型，具体包括以下3D模型：活塞顶、活塞裙、组合活塞等。在活塞顶的燃烧室面上有4个阀坑，其底部和顶部圆角及燃烧室倒角，是活塞失效最为密切的部位，所以要按图纸予以体现。按照实际情况对冷却腔和油孔建模，易于倒角的处理并不会对油孔的冷却效果造成不利影响，可以直接忽略不计。根据实际情况，对活塞裙的各个部位进行建模，包括销孔、螺旋孔等。由活塞失效分析结果可知，失效的原因与活塞裙的强度基本无关，所以可在建模时，对加强筋予以简化。

当活塞的实体模型建立完毕后，应导入相关的分析软件中，为使模拟仿真过程与实际工况更加接近，选用的分析模型为多个零部件，其中包括一些关键的零件，如活塞销、连杆等。因分析的主要内容为应力场及温度场的分布情况，可对以下零部件在实体模型中做简化处理：螺栓、螺母、弹套等。船用柴油机活塞有4个避阀坑，它们虽然大小相同，但对称轴与活塞的长短轴并未完全重合。为确保计算结果的准确性，在计算分析的过程中，选取整个活塞结构模型。在网格划分过程中，为确保成功，删除了不影响仿真计算结果的参数，即活塞顶的小倒角和活塞裙的小圆角。同时，优化活塞铁裙结合结构，合并部分小面，降低网格的密度。网格的划分通过相关软件自动完成。

2.3 活塞温度场计算

在计算船用柴油机活塞温度场之前，要先对分析模型中的零件加以确定，主要包括活塞顶、活塞裙、活塞销、连杆等。再确定边界条件，施加到活塞上，并在相对比较稳定的工况下，可以得到活塞的温度场分布情况，最高的温度达到394℃，出现在活塞顶燃烧室边缘阀坑开口的上部，该部位所承受的热负荷最多。活塞总体逐渐降低，这与总结得到的实际经验基本相符。活塞裙的温度在120℃以下，活塞顶的最高温度达到394℃，最低温度为104℃，由温度的具体分布情况可以看出，活塞失效后，侧壁的温度出现下降的现象，从394℃降至270℃，降幅为6～7℃/mm。在对活塞失效处分析后发现，最高的温度不在阀坑圆角处，但该区域内的温度变化幅度相对较大。为确保计算结果的准确性，并为分析对比提供条件，在活塞顶设一个平面，并将活塞剖开，分别对左右两边的区域建立坐标系。将活塞顶部的端面作为原点，沿中心轴线方向，在外圆处每间隔2.0 mm取一个测点，检测该点位的温度值。为确保所测点处的温度值无误，采取细化的方式处理活塞顶的离散模型，将网格细化到2.0 mm。

作为研究对象的船用柴油机活塞的直径长74 mm，活塞顶之间的距离为28.5 mm。因此仅对这个区域进行分析即可。阀坑附件与未开阀坑区域外圆温度的对比情况如图7所示。

由于阀坑部位的温度变化速率有很大的变化动态范围，由此判断阀坑开裂与环境温度的变化率有很大关系。

2.4 活塞应力场计算

通过对船用柴油机活塞进行热耦合分析，可以计算活塞顶部的受力情况，重点对结合处的开裂位置进行详细分析，以此来验证活塞失效原因的推测是否正确。热边界可以根据温度场分析的结果输入，而力边界主要与活塞的实际工况有关，本文研究的工况为柴油机压缩冲程产生最大爆压的过程。在对边界条件进行加载时，可以采取如下方式：将边界条件施加在完整的活塞结构上。为确保施加的合理性，参考相关的研究成果，按照以下顺序施加：在活塞头部按100%施加；环槽底面及下侧按75%施加；环槽的上侧面按25%施加。

在压缩工况下，借助相关软件对活塞进行热机耦合分析，由应力计算结果可知，最大应力值为600 MPa。由此可以得到柴油机活塞的最小屈服极限值为600 MPa，该应力值为屈服极限值的82%，从安全的角度上看，余量并不充分，考虑到活塞的内应力、表面粗糙度等因素，安全余量不到10%，由此导致该部位开裂的可能性进一步增大，该结果验证了活塞失效的原因。

2.5 活塞优化

为避免船用柴油机活塞失效的情况发生，应当按照活塞失效检测分析得出的结果，对活塞全面优化。主要靠降低热应力进一步减少疲劳裂纹，依托温度场分析对温度降低的情况作出正确判断，据此对活塞结构进行优化改进。通过优化活塞的结构，减少并杜绝开裂失效的情况发生，优化原则如下：柴油机活塞经过优化改进后，应当可以与现有的零部件相匹配，通过优化相关参数，如活塞销孔直径、深度、截面积以及活塞裙内腔等，减小侧面与缸套的配缸间隙，才能维持原本的动平衡，改进后的活塞重量要尽可能维持不变，失效部位的温度要明显降低。综上采取如下措施对活塞进行优化改进：增加热障涂层，优化活塞的燃烧室；提高冷却腔的散热能力。

3 结　语

针对船舶柴油机活塞失效的问题，运用有限元技术检测分析，根据检测结果，对活塞优化改进，减少并杜绝失效的情况发生，确保柴油机稳定、可靠运行，使船舶的航行安全性得到保障。