对重型柴油发动机上活塞环槽磨损的统计学方法加速测试.doc

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1、 中原工学院毕业设计译文 对重型柴油发动机上活塞环槽磨损的统计学方法加速测试RKRIVOY J.K.COLVILL and D.H.PARSONS这是一个运用跨学科只是探讨发生在重型柴油机内的活塞第二环槽的磨损现象。磨损机制和发动机状态加重被鉴别出来；这些信息被用来开发一个加速发动机测试。一个部分配置法实验只在探讨在这个问题上各种对活塞和活塞环有影响的因素。加速试验的分析导致了一个硬件组合磨损现象消除了。简介活塞和活塞环是重型柴油发动机的关键组成部分，这篇文章阐述了努力来解决一个涉及这些元件的磨损现象的一个调查，尤其是从制造和可靠性方面。发动机部件磨损在很大几率上与制作材料和发动机工况有关。康

2、明斯发动机，一个14公升排量六缸重型柴油机，主要用来给高速公路重型机车提供动力。在过去的几年里，这种类型的应用增加了对电力的需求导致大量的活塞环槽磨损。进行了若干调查作为一个底质的监测问题。信息都被聚合起来以帮助找出促成迅速磨损的因素。在实验室里模拟这种现象对发动机进行试验。以往的所有途径都没有达成一个对磨损现象背后原因的全面理解或者在实验室中复制模拟出这种磨损机制。几个在车队发动机上找到的磨损的活塞出发了一个对这些长期存在的问题的集中解决，并试图找到一个可以接受的解决办法。一个由来自各个应用工程的专家组成的跨学科研究团队成立了，包括制造工程,材料工程,度量学、产品设计、产品开发、产品工程,采

3、购,可靠性分析、以及服务工程。一个公认的迫切需求是在实验室控制条件下，复制出磨损环境并在短时间内观察到客户发动机上的磨损状况。这种需求事实上只能通过适当的检测技术，多样的可能的设计和制造的改变才能够产生出来。讨论加速测试的发展和变量测量为了复制从磨损实际观察传回来的部分数据，用一个综合的方法探讨了发动机的利用。第一步进行的是定义了经历过活塞环槽磨损的发动机负载周期。跟随这些车辆走过的几条道路，用一个叫做“车辆任务模拟 图1 BEMP和RPM与第二活塞环上气体压力负载（VMS）”的计算机仿真软件进行研究。这个项目考虑到了地形路径的物理特征，卡车的配置(例如:发动机评级、传输、后桥装置传动比、毛重

4、、荷载人数和驱动轴，额叶面积,轮胎的尺寸和类型等等),天气条件(例如:风的速度和方向的变化和环境温度),高速公路的速度限制，以及驾驶技术来预测发动机工作状况(如:速度和转矩的不同组合所占的时间百分比)。 VMS程序操作表明，在1200-1600转/分之间刹车的时候，引擎提供了一大部分的有效压力支持。RPM和BMEP矩阵被给出的1650转/分和1.338 MPa(194 psi)平均有效压力减少到一个等效的稳态操作条件。这与全功率工作状态下非常不同，每分钟2100转和1.207 MPa(175 psi)平局有效压力通常是在引擎测试以确定其耐久性的测试中。同时努力研究发动机工作环境，努力进行确定活

5、塞环的负载并且以此推算活塞环槽的负载，都归结于燃烧性气体的压力。利用气体压力测量规定区域临近的活塞环，缸套，活塞外壁。结果表明，第二个活塞环上方和下方的压力差与转速呈负相关性，并且与BMEP呈正相关性。在如图表1中的发动机工作状态范围内，发动机转速比平局有效压力意义更大。结合仿真和环槽之间气体压力的数据信息，在引擎实验室中建立了一个最接近实际情况的发动机运行环境，也就是说，高BMEP和低RPM（图1，点A）。制造一个与经历过摩擦的发动机硬件条件相似的发动机，在实验室中经过300小时的测试。对于一个成功的加速测试来说，这些条件不仅需要复制实际工作中零件上观察到的磨损，也必须在一个非常短的时间内使

6、之产生（比如数天或者数月）。图2 表征环槽重点几何形态的技术图3 测试时间与环槽磨损的关系康明斯发动机有三个汽缸盖，每一个汽缸盖覆盖两个活塞，它被用来在第100小时和200小时来进行部分检查用以观察和测量连续性的伤害。最靠前的汽缸盖下面的活塞在第100,200和300小时时候检查，中间汽缸盖下面的活塞在第200和300小时检查，剩下的两个活塞在第300小时检查。考虑到第二个活塞环槽的特定形状，它的几何特征由一对校准针进行直径测量。图2显示了其测量手法。用直径的变化作为时间的一个函数来计算环槽的磨损。图3显示的是在测试时间和磨损之间发现的联系。即使是100小时后测量到重大磨损，在这个测试中仍然被

7、设定运行200小时以获得更多有差别性的功率。这次测量的磨损量是在从实际运行中磨损的活塞上测量返回的数据范围之内。一个光学对照机也被用来获得活塞环槽横截面在第0,100,200,300小时的图形描述。其他几个视觉检测方案和分级量表被用来评估和记录活塞环槽的损坏过程。然而，测量活塞环槽直径的变化很明显是量化环槽磨损的最佳方法。磨损机理的冶金学评价这个调查研究过程中所用的活塞和活塞环，分别是用E332-T5(SAE 334)铝合金上方插入耐蚀镍合金和马氏体球墨铸铁制成的。实际运行中发动机上的活塞和活塞环装置返回数据被当做第二个活塞铝制环槽上观察到磨损的结果。这些回收的组件提供了识别，描述，甚至是在实

8、验室中复制活塞第二个环槽磨损过程的基础。比如说，在引擎和引擎之间，同一个引擎的发动机气缸之间，磨损和击穿变形都存在着显著差异。表面疲劳。表面疲劳是在活塞第二个环槽上面最经常被观察到的磨损机理。环槽底部接触区域是最严重的表面疲劳区域，被认为是活塞上最终展示环槽变形和击穿的最重要的部分。表面疲劳的早起标志是宏观来看的点状腐蚀；然而，是用光学和电子显微镜仔细检查发现了从这些表面点（图4和图5）开始的疲劳裂纹扩展的证据。分析更多的晚期表面疲劳显示出由于剥落大量材料而形成的空洞。一个显著的磨损情况也出现在大量的空洞上，这种磨损方式用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱（EDS）来分析，并且被认定为金属化

9、合物和A1-Si 共晶阶段分裂和随后拖尾效应的结果（图6和7）。活塞环周向和径向的滑动，再加上一个高气体负荷，被认作使疲劳裂纹萌生，传播和附近表面的破裂阶段的必要的应力集中过程中起到重要作用。4图4 表面显微结构显示启动和疲劳开裂的近表面微结构(室内试验发动机) 图5 扫描电镜显微结构显示第二个环槽由于接触疲劳开始和进一步磨损阶段 (实际发动机) 图6 扫描电镜显示一个破裂显微涂表层结构在疲劳破碎的底部图7 通过金相截面疲劳中显示疲劳破损图6揭示表面解体的微观结构熔着磨损。第二个铝制活塞环槽遭遇到的第二种磨损机理是熔着磨损。熔着磨损的特征是铝制活塞环槽向球墨铸铁环的材料的转变(图8)。对铝制活

10、塞环界面区域进行电镜扫描分析(SEM)指出，有两种熔着形式存在。第一种类型是发生在环和环之间槽的表面温度高到足以是表面微凸体发生消融的时候；这里，实际的消融过程形成熔着力，由扩散区可见（图9）。 图8 铁制的第二环底部接触表面显示铝 的积累 图9 通过扫描电镜显微截面铝组成的区域显示扩散更普遍的，熔着出现在摩擦焊接过程。被摩擦焊接结合在一起通常发生在合金熔点以下。然而，如果开始熔化确实发生了，通常情况下，在焊接点没有任何迹象，因为热影响区太浅并且材料在这个过程中被严重的处理过（如图10）。图10 铁制第二环底部接触面没有丝毫热影响区的迹象磨粒磨损。在一定程度上，磨粒磨损在第二个环和环槽上明显的

11、存在。磨损区域主要显示了两种磨损形态。第一种显示了一种非常有顺序的，并且横穿活塞环槽底部接触区域的周向可重复性磨损（如图11）。这个区域深深的磨损是由于非常锋利的边缘，处理“裂纹”，或者活塞环底部裂缝的加工“毛刺”。第二种磨粒磨损方式更加随机（如图12）。这些浅的区域是在发动机运行过程中由松散的磨粒或者其他的硬质材料生成或吸收引起的。磨粒磨损在两种情况下，都会由第二个扭曲密封设计的活塞环和燃烧气体的交互压力所产生的固有负载加剧其磨损。“Beatout”变形。图13,14和15是典型的严重磨损和“Beatout”第二个活塞环槽。活塞出现“Beatout”变形被认为发生在活塞环槽失效的最后一个阶段

12、。环与环之间存在的高气体压力和表面温度被怀疑是引起活塞磨损和“Beatout”变形出现的原因。在实验室中对引擎活塞进行的检查，表明真正的“Beatout”在任何情况下，一定程度上是上述几种或者所有提到的磨损机理的前奏。 图11 扫描电镜显微结构显示第二个环槽底部重复性 图12第二个环的底部接触面的显示第三种物质/松颗粒磨损磨损的最严重部分 图13 第二环槽开始出现beatout变形的横截面显示图14 第二环槽出现beatout严重变形的横截面显示图15 扫描显微镜显示第二个环槽表面严重的beatout变形实验设计这个实验的目的是为了确定各活塞，上环，第二环和他们的组合对活塞第二个环槽磨损产生的

13、影响。这个设计包含两个活塞等级和四个等级的上环和第二活塞环。一个完整的阶乘，或者2*16设计，需要32种处理组合。每个发动机有6个缸，最终设计的样本大小必须是6的倍数。6个发动机测试必须完成全部的阶乘设计，由于时间的约束和柴油发动机测试的高昂费用，最终决定用少于6个发动机进行测试。通过牺牲三方的信息互动,小数阶乘设计可估计出主要影响和两方的相互作用。至少4个引擎（4引擎*6缸=24种处理组合）应该被测试来估计22个自由度的主要影响和双方相互作用（如表1）。表1 自由度(DF)主效应和双向互动项目自由度活塞1顶环3活塞*顶环3第二环3活塞*第二环3顶环*第二环9部分和22误差1总计23问题转变为

14、寻找32种处理组合中最好的24种处理组合以获得预期的估计。每两个4-等级因素(顶部和第二活塞环)转化为两个2-等级的“假冒的因素”。在这个转化之后，75%的反应32种设计提供了24种理想的处理组合。然而最终的小数设计没有让人失望，它被认为是令人满意的提供预测的最小的数。表2展示的是24种不同的处理组合被随机的非配到4个不同的发动机测试。在原始重复实验中，四个在第200小时观察到的磨损测量值被包括在分析中，以获得误差项中一个更 精确的估计。因此实际分析中有28个数据要点。结果方差分析并没有显示出活塞和顶环的相互作用是 有意义的，因此它就与误差项合并。方差分析结果显示在表3。假定值栏显示的是观察样

15、本结果的概率，如果在不同因素等级之间没有不同。小的假定值证明差异是真实存在的。R平方的值是90, 说明大多数磨损测量值的变化是由于这三个因素以及两个相互作用产生的,如图显示在表3。一个显著的交互作用意味着应该在对各因素自身下结论之前，对组合因素对磨损的影响进行研究。活塞与二环线相互作用存在是因为第二个环槽上的影响取决于使用活塞的类型。这是如图16所展示的那样，活塞环A与活塞A结合比与活塞B结合有更明显的磨损。另外三个二环的磨损并不依赖与是用的活塞类型。上环和二环相互作用的存在，因为活塞环B与四个顶环之中的任何一个结合没有明显的磨损（如图17）。然而，磨损与顶环和其他三个二环相结合有关。表2 部

16、分配置法处理组合测试(X)表3 方差分析显示主要影响的重要意义和相互作用这些结果明确指出二环B是消除活塞环槽磨损的答案，但是活塞和顶环哪个应该被选择还是不明显的。活塞B比活塞A更受推荐是因为它有一个较低的整体环槽平均磨损。考虑到四个顶部环被认为是相同的表现,选择顶环D因为它是标准件。被选出的硬件规格被放出以生产新的引擎和重制模板。正在进行的现场调查表明这一点改变是成功的。图16 活塞与第二个环上的相互作用对第二个槽磨损的影响图17 顶环和第二个环上的相互作用对第二槽磨损的影响。概述和总结采取跨学科和系统观点来解决一个长期存在的包括铝制活塞二环“Beatout变形”的问题是非常成功的。它不仅 解

17、决了这个问题，而且为问题解决的过程设立了一个标准。在实验室控制条件下，部分领域返回的磨损机理被识别，标记和复制。统计学设计实验决定了重大要素和相互作用。主要结论如下：1.当发动机运行在低转速与高BMEP时，燃烧气体加在第二个环并且因此加在活塞环槽上的负载是最高的。这个情况加速了活塞环槽损坏的过程。2.第二个活塞环槽上的磨损是几种磨损机理的结合：表面疲劳，熔着磨损，磨粒磨损和“Beatout”变形。3.部分配置法设计允许用最少的发动机数量测试来得到实验结果。4.第二个环与活塞以及顶环之间的相互作用是非常重要的。5.选定的硬件在现场使用中被证明是成功的。鸣谢作者想感谢康明斯公司的管理层允许他出版这

18、篇论文，也非常感激且欣赏团队成员和评审员们对这篇论文作出的重要贡献。参考文献1Metals Hamlbook, 8th ed. American Society lbr Metals， 1975, vol. 10, 故障诊断和预防；2V.L. Anderson and R.A. McLean:实验设计，Marce Dekker, New York, NY, 1974；3L, Engel and H. Ktingele:金属损伤图谱，Prenlicc-Hall, N J, 1981；4P.W. Schutz, D.A. Klokkenga, and D. B. Stattenficld:车辆任务仿真，SAE Paper 700567. 1970.