机车柴油机活塞的技术发展与创新

第26卷（2008）增刊内燃机学报TransactionsofCSICEVol.26（2008）Suppl收稿日期：2008-10-08；修回日期：2008-11-20。作者简介：杨英，博士，教授级高级工程师，E-mail：[e-mail]。文章编号：1000-0909（2008）增-0035-0526-098机车柴油机活塞的技术发展与创新杨英，迟兴国(中国北车大连机车研究所有限公司，辽宁大连116021)摘要：简要介绍了我国机车柴油机活塞技术开发体系，即以活塞加速寿命试验技术、组合活塞仿真分析技术、活塞环槽抗磨损试验技术和组合活塞失效模式及失效原因分析技术等为核心的活塞技术开发体系，并扼要介绍了这些技术的实际应用。根据我国引进内燃机车及其先进技术消化、吸收、再创新的要求，针对引进机车柴油机活塞的特点和中速柴油机活塞发展趋势，提出机车柴油机活塞创新技术路线，并简要介绍目前的一些实践。关键词：组合活塞；机车柴油机；创新技术路线；加速寿命试验中图分类号：TK423文献标志码：ATechnologyDevelopmentandInnovationofLocomotiveDieselEnginePistonYANGYing，CHIXing-guo(CNRDalianLocomotiveResearchInstituteCompanyLimited，Dalian116021，China)Abstract：Thispaperbrieflyintroducesthetechnologydevelopmentsystemoflocomotivedieselenginepistonusingthepistonacceleratinglifetest，FEAsimulationofcompositepiston，experimentalresearchforanti-wearofpistonringgroove，failuremodeandfailurecauseanalysisasthecoretechnologiesandsomeexamplesusingthesetechnologiesarepresented.Tomeettherequestofre-innovationafterintroducingdiesellocomotiveadvancedtechnology，andaimingatthecharacteris-ticsofintroduceddiesellocomotivepistonandthedevelopmenttrendofmedium-speeddieselenginepiston，thetechnicalrouteoflocomotivedieselenginepistoninnovationisproposed，andsomepresentapplicationexamplesaredemonstratedinbrief.Keywords：Compositepiston；Locomotivedieselengine；Technicalrouteofinnovation；Acceleratinglifetest引言我国从1958年开始试制内燃机车，比国外晚了30年，但经过近50年的拼搏，我国内燃机车及其柴油机行业形成比较完整的科研开发和生产体系，产品技术水平和制造能力与发达国家的差距在不断缩小，研制成功并批量生产了240/275和280/285系列机车柴油机。但是应看到，与发达国家相比还有一定的差距，20世纪90年代中后期开发的新一代280/320、280/300型机车柴油机指标虽已达到国际先进水平[1-2]，但只是试验样机，未能批量生产。鉴于此，2003年铁道部提出了铁路跨越式发展战略，其中一个重点是引进先进的大功率交流传动内燃机车及其技术，通过消化、吸收再创新，打造掌握核心技术的内燃机车和柴油机品牌。活塞是柴油机的关键部件，作为我国机车柴油机活塞开发、生产的重要单位，中国北车集团大连机车研究所有限公司一直是进口机车柴油机活塞国产化的先锋，先后成功地完成了ND2、ND4、ND5等型进口机车柴油机活塞的国产化，研制生产了具有独立知识产权的240/275系列柴油机钢头铝裙活塞和240、280系列气体发动机钢头铝裙活塞，参与了国内主型机车柴油机活塞的研发工作[3]。因此，铁道部大功率交流传动内燃机车及其技术的引进，以及船用中速大功率柴油机的引进，给公司带来了机遇和挑战。1新形势下活塞的创新技术路线作为柴油机的关键部件，我国机车柴油机活塞一直在更新换代，以满足不断提高的铁路运输的要求，由最初的全铝活塞、整体球墨铸铁活塞发展演变为钢头铝裙组合活塞和钢头球铁裙组合活塞。随着柴油机的性能和强化度的提高，国外大功率中速柴油机活塞也不断发展。一般采用钢头铝裙活塞，如GE7HDL、CAT3600、RK270等系列柴油机·36·内燃机学报第26卷增刊的活塞；也有采用活塞销座带有衬套的钢头铝裙活塞，如GE7FDL、EMD265H等系列柴油机的活塞；较高强化水平的多采用新型钢头铁裙活塞，如CAT3618、MAN27/38等型柴油机活塞，其特点是活塞头为钻孔冷却、活塞裙单支撑，刚性好、可靠性高，可满足最高爆发压力20MPa的柴油机要求；还有采用铰接式结构的活塞，如GEVO系列柴油机的活塞；更高要求的则采用钢头钢裙组合活塞，如MTU8000、ADD300系列柴油机活塞及德国Mahle公司的Ferrocomp组合活塞[4]等，可以满足爆发压力25MPa以上更高强化柴油机的要求。铁道部引进的GE和EMD公司的大功率交流传动内燃机车，其柴油机活塞均为德国KSKolben-schmidt公司的产品。GE公司的GEVO系列柴油机为铰接式活塞，EMD公司265H系列柴油机活塞是钢头铝裙活塞。德国KSKolbenschmidt公司是国际上最大的活塞开发、生产厂商之一，拥有国际一流活塞研发人才，活塞的研发能力、制造技术、生产检测设备和质量控制能力国际领先。铁道部大功率交流传动内燃机车及其技术的引进，以及船用中速大功率柴油机的大量引进，给中国北车集团大连机车研究有限公司带来了机遇和挑战。国内外大量技术创新实践证明，技术引进与独立研究开发相结合是最理想的创新战略。为此，本公司制定了以现有活塞技术积累和技术开发体系为基础、以引进技术为起点、立足于自行开发创新的机车柴油机活塞创新技术路线，见图1。图1机车柴油机活塞创新技术路线Fig.1Technicalrouteoflocomotivedieselenginepistoninnovation2活塞可靠性试验技术可靠性试验是产品在研制过程中为保证其可靠性而采用的一个重要手段。近年来，美国GE公司、EMD公司和德国MTU公司等国际知名柴油机企业的柴油机零部件加速可靠性试验技术应用极其迅猛，通过采用较低层次的零部件级可靠性试验，对其可靠性做出恰当的评价，从而达到降低研发成本、缩短研发时间的目的。本公司拥有单缸柴油机试验台、多缸柴油机试验台、疲劳试验机等基础试验设备，还有活塞静压装置、活塞寿命快速试验装置等活塞模拟试验设备。通过测试试验，本公司掌握了一系列活塞测试专有技术，为活塞的设计和改进提供了依据。2.1活塞疲劳寿命快速测定本公司引进的IST活塞寿命快速试验装置(见图2a)，其实验原理如图2b，试验波形如图2c，可以进行缸径180～400mm、最高压力25MPa的活塞、连杆的疲劳寿命快速测试，完成107次循环仅需要8天。某型机车柴油机活塞疲劳寿命试验结果与实际失效对比见图3。a)试验装置b)试验原理c)试验波形图2活塞疲劳寿命的快速测定试验装置Fig.2TestbenchofpistonfatiguelifecelerityMensuration2008年12月杨英等：机车柴油机活塞的技术发展与创新·37·该装置的主要参数如下：结构：双伺服阀；高压腔压力：0～25MPa；低压腔压力：0～5MPa；波形：正弦波，高低压腔相差180°；频率：15Hz。a)300万次循环疲劳试验后活塞裙裂纹b)柴油机走行30万km后活塞裙裂纹图3某型机车柴油机活塞疲劳寿命试验结果与实际失效对比Fig.3Thecontrastofthetestresultandpracticefailure2.2活塞头部热疲劳寿命快速测定本公司根据试验确定的柴油机负荷、活塞应变和活塞温度之间的线性联系，采用修正的Manson和Coffin的低周疲劳应变范围-寿命公式理论，结合机车柴油机运转特点，用试验的方法预测活塞头部寿命。某型活塞采用高频感应加速热疲劳试验装置，见图4a，按照活塞热疲劳试验规范(见图4b)进行了活塞头部热疲劳寿命快速测定试验[5]。活塞加速热疲劳试验完成了1500个循环，活塞头部没有出现裂纹。根据理论计算和实际运用结果，可以预测，该活塞头部热疲劳寿命至少能满足机车柴油机正常工作2.5年以上的要求。2.3活塞螺栓疲劳寿命快速测定本公司借鉴美国军用标准，利用拉伸疲劳试验机和自制的专用试验装置，进行了多种高强度活塞螺栓的疲劳寿命快速测定试验，判定不同材料、工艺和热处理情况下螺栓的疲劳强度是否满足组合活塞的设计要求，评价了螺栓的工作可靠性，预估出螺栓的工作寿命。a)试验装置图b)控制规范图4活塞加速热疲劳试验装置和控制规范Fig.4Pistonacceleratingthermalfatiguetestbenchandtestspecification3组合活塞仿真分析技术活塞是柴油机的重要零部件，使用条件苛刻，设计难度较大。设计高可靠、高性能的柴油机活塞，必须突破其活塞热负荷和机械负荷等诸多技术方面的限制。组合活塞三维有限元数值仿真技术，是突破这诸多技术限制的有力工具。本公司已形成了组合活塞有限元计算、分析、验证的完整技术体系(见图5)，为活塞的设计和改进提供了依据。图5组合活塞数值仿真技术路线Fig.5FEAsimulationtechnicalschemeofthecompositepiston·38·内燃机学报第26卷增刊本公司组合活塞的有限元仿真和优化工作已非常透彻和详细，由单一活塞零件的仿真分析发展为活塞组件、活塞部件、活塞连杆组件的复杂边界条件、多工况耦合分析[6]。4活塞环槽抗磨损技术研究机车柴油机活塞环槽磨损是一个普遍问题，定量比较各种表面强化工艺对提高活塞环与活塞环槽耐磨性、优选活塞环槽最佳处理方案是非常必要的。采用MPX2000盘销式摩擦磨损试验机，选择5种表面强化工艺对活塞环槽试样表面进行强化处理，活塞环试样为销试样，环槽试样为盘试样。通过胶合试验选择耐磨性试验的参数，试样磨合后做耐磨性试验。活塞环与活塞环槽试样的材料及表面强化处理工艺方案见表1，试验结果见表2。试验结果表明：活塞头调质处理的环槽耐磨性最差；调质后激光淬火的环槽抗胶合性好、耐磨性高，表面处理工艺稳定，环槽耐磨性最好；软氮化的环槽次之；高频淬火或氮化的环槽不理想[5]。表1试样材料及表面强化处理工艺方案表Tab.1Samplematerialandsurfacetreatmentscheme方案编号活塞环材料活塞环槽试样表面强化处理工艺1合金铸铁42CrMo钢调质处理2合金铸铁42CrMo钢软氮化处理3合金铸铁42CrMo钢高频淬火处理4合金铸铁42CrMo钢氮化处理5合金铸铁42CrMo钢激光淬火处理表2快速磨损试验结果Tab.2Measuredresultofsimulationabrasiontest配对方案12345试验载荷/N100200100200200试验组数56575有效组数55555环槽试样磨损量的算术平均值X/mg6.784.882.766.042.78环槽试样磨损量的标准偏差值S/mg0.781.660.602.960.58活塞环试样磨损量的算术平均值X/mg0.621.620.560.520.285组合活塞失效模式及失效原因分析技术失效模式和失效原因分析是产品寿命期间必备的研究内容。国际知名活塞