某发动机活塞环顶口故障分析
蓝宇翔
（广西玉柴股司工程研究院，广西玉林市天桥西路88号）
摘  要：通过A VL Excite Piston & Rings 软件，进行某发动机活塞环运动的仿真计算，出活塞环第一道环发生顶口故障的原因，提出改进建议，建议实施后，故障消失。 关键词关键词：：活塞环；顶口
主要软件主要软件：：A VL Excite Piston and Rings
1 前言
某新机型发动机在800小时试验后，发现 各缸活塞环一环大多数出现不同程度的顶口现 象，如图1所示，其中第二、四缸比较严重， 开口端面基本上全部发亮，其次是第一、五缸， 端面侧近外侧部分约有一半发亮，再次是第六 缸，有少部分发亮，第三缸比较正常，没有出 现发亮，根据测量，冷态下只有第三缸的闭口 间隙超过0.4mm，所有缸套、活塞没有发现故障 现象。
由于该发动机是刚开发产品，还没有活塞、缸套温度场测量数据，计算中这些数据是通过      和其它机型对比、计算结果和试验情况反复对 比修正得出。
2 计算模型
2.1  活塞活塞环运动分析模型
计算模型为单体结构活塞、湿式气缸套（简 称缸套）、活塞环，其中一环、二环为气环， 三环为油环，模型还包含活塞销和连杆，如图 2所示：
图2  活塞动力学分析模型 2.2 缸套参数
温度场参数通过其它机型温度及气缸体缸孔结构进行模拟所得，图3是缸套的在各高度的平均平均温度分布图，图4是缸套在此温度下轮廓缸套内径上差是0.025mm ，下差
是0mm 。
图1 各缸一环环端磨损图
图3  缸套平均温度分布                  图4 缸套计算网格
2.3 2.3 活塞环参数活塞环参数
根据工程图，一环、二环和油环闭口间隙取值范围分别为：0.3～0.5mm 、0.8～1.1mm 、0.45～0.65mm ，计算中一环的闭口间隙分别0.3mm 、0.35mm 、0.4mm 、0.45mm 进行。 2.4 活塞环与缸套材料
在20～200ºC 范围内，缸套材料含硼铸铁与一环材料球铁热膨胀系数相差很小，活塞环发生顶口与环和缸套之间的温差有关，与环的闭口间隙大小有关，根据文献1，各种球铁材料20～100ºC 时膨胀系数一般在11.2×10-6/K 左右，20～200ºC 时热膨胀系数一般在12.1×10-6/K 左右，计算时，活塞环取11.5×10-6/K ，缸套温度比环低100 ºC 左右，热膨胀系数取11.2×10-6/K 。 2.5 2.5 间接参数间接参数
通过Boost 计算的缸内压力数据，如图5所示
图5  缸内压力示意图
3 计算结果
一环的平均温度按210℃，考虑到各缸之间燃烧及压力可能存在一定的差异，因而各缸之间温度也存在一定差异，以及考虑到温度数据的误差，计算时取±5℃误差。
缸套上限公差、下限公差情况计算中是极端情况，实际工作中出现概率比较低，而计
算平均公差情况计算是一般情况，实际工作中出现概率比较高，目的是方便与实际对比。
缸套热态温度(°C )
缸套温差
3.1
情况下，，结果如图6～8所示
所示
.1 缸套公差取下限值
缸套公差取下限值0mm情况下
图6 一环平均温度205ºC
一环初始闭口间隙为0.3mm时，出现了严重顶口现象，初始闭口间隙为0.35mm以上时，闭口间隙变化正常，没有出现环的两端相碰现象。一环闭口间隙变化如图6所示，红圈位置表示出现在顶口现象，下同。
图7 一环平均温度210ºC
在上一状态基础上，一环温度升高5ºC时，初始闭口间隙为0.3mm时，除在上止点附近，缸套温度较高的位置有一点间隙外，其它地方都处于顶口状态；初始闭口间隙为0.35mm 时，也出现了顶口现象；初始闭口间隙为0.4mm以上时，环端运动正常，这与测量初始闭口间隙为0.4mm以上一环都出现顶口的结果相一致，一环闭口间隙变化如图7所示。
图8 一环平均温度215ºC
在图7状态的基础上，一环温度再升高5ºC时，初始闭口间隙为0.3mm时，工作过程
中一环始终保持顶口状态，极端严重。初始闭口间隙为0.35mm 时，也出现了严重顶口，初始闭口间隙为0.4mm 以上时，环端运动正常，这与测量初始闭口间隙为0.4mm 以下一环都出现顶口的结果相一致，一环闭口间隙变化如图8所示。 3.2 .2 缸套公差取平均值缸套公差取平均值0.0.012501250125mm mm 时，结果如图9～11所示所示
图9  一环平均温度205ºC
一环初始闭口间隙为0.3mm 时，出现了顶口现象，初始闭口间隙为0.35mm 以上时，环端运动正常，一环闭口间隙变化如图9所示。
图10  一环平均温度210ºC
在图9状态的基础上，一环温度升高5ºC 时，初始闭口间隙为0.3mm 时，出现严重顶口；初始闭口间隙为0.35mm 以上时，环端运动正常，一环闭口间隙变化如图10所示。
图11  一环平均温度215ºC
在上一状态基础上，一环温度再升高5ºC 时，初始闭口间隙为0.3mm 时，除在上止点附近，缸套温度较高的位置有一点间隙外，其它地方都处于顶口状态。初始闭口间隙为
0.35mm时，也开始出现顶口现象，初始闭口间隙为0.4mm以上时，环端运动正常，这与测量初始闭口间隙为0.4mm以下一环都出现顶口的结果相一致，一环闭口间隙变化如图11所示。
025mm mm时，
缸套公差取上限值0.0.025
3.3
玉柴发动机.3 缸套公差取上限值
025
结果如图12～14所示，环端运动正常，都没有出现顶口现象。
图12 一环平均温度205ºC
图13 一环平均温度210ºC
图14 一环平均温度215ºC
4 分析结果
通过计算表明，该发动机一环的闭口间隙小于0.4mm，工作过程中就比较容易发生顶口故障，这一结果与试验测量结果完全吻合。按这一结果，把一环的闭口间隙由原来的0.3～0.5mm改为0.4mm～0.6mm后，再没有活塞环顶口故障反馈，证明计算处理方法、分析结