技術(shù)研究報(bào)告

1、WORD格式技術(shù)研究報(bào)告課題編號(hào)：2011ZC0206 課題名稱：濰柴用WP7高性能柴油機(jī)活塞設(shè)計(jì)與制造申請(qǐng)鑒定單位：山東濱州渤?；钊煞萦邢薰荆ㄉw章）申請(qǐng)鑒定日期：2014.6. 30一、國內(nèi)外同類技術(shù)的背景材料汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)，近幾年汽車工業(yè)在跨越式發(fā)展，隨著國內(nèi)外對(duì)重型卡車和大型工程機(jī)械需求的進(jìn)一步擴(kuò)大，柴 油發(fā)動(dòng)機(jī)正在向高負(fù)荷、高功率、高強(qiáng)度化方向發(fā)展，這對(duì)活塞本身 的性能提岀了更高的要求。活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零部件，被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，不但要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，同時(shí)還要承受交變的機(jī)械負(fù)荷和熱 負(fù)荷;活塞特別是高性能活塞已發(fā)展成為高技術(shù)含量產(chǎn)品。為滿足市場(chǎng)

2、的需求和自身發(fā)展的需要，濰柴動(dòng)力集團(tuán)在廣泛市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，依托公司強(qiáng)大的技術(shù)力量，將WP7系列柴油機(jī)作為重 要戰(zhàn)略項(xiàng)目提岀，并進(jìn)行全新設(shè)計(jì)開發(fā)，滿足市場(chǎng)的需求，擴(kuò)大國內(nèi) 市場(chǎng)占有率。該發(fā)動(dòng)機(jī)為廢氣渦輪增壓中冷、直列、六缸、水冷、高壓共軌、四沖程柴油機(jī)，該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)力強(qiáng)勁、經(jīng)濟(jì)性好、排放指標(biāo)歐IV, 主要配套于中型載貨車及工程機(jī)械車輛。在該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，廣 泛吸收了當(dāng)今先進(jìn)設(shè)計(jì)理論及方法，總體設(shè)計(jì)水平先進(jìn)，燃燒過程組 織合理，排放達(dá)到歐IV標(biāo)準(zhǔn)，符合我國排放法規(guī)的要求，市場(chǎng)前景計(jì) 分廣闊。WP7-35活塞是與該機(jī)型配套的新型柴油機(jī)活塞，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，活塞環(huán)槽設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的三環(huán)

3、槽結(jié)構(gòu)，第一環(huán)槽將采用 鑲有耐磨鑲?cè)Φ碾p梯形槽，能有效防止因高溫下機(jī)油碳化結(jié)焦引起的 活塞環(huán)卡滯、折斷，使活塞環(huán)保持良好彈性及密封性，提高整機(jī)工作可靠性，耐磨鑲?cè)τ筛咩y奧氏體鑄鐵制成，增加了環(huán)槽的耐磨性，使 活塞的使用壽命提高了 1.5倍，降低了用戶的使用成本；頭部外圓采用大間隙錐體，對(duì)降低機(jī)油消耗和密封燃?xì)饩哂泻芎玫淖饔?；裙部?中凸橢圓型而，使活塞在工作狀態(tài)時(shí)與缸套配合間隙合理、便于潤(rùn)滑 油膜的形成；活塞裙部表而石墨化處理，減少了活塞摩擦損失，裙部 導(dǎo)向性得到了改善；活塞采用內(nèi)冷腔結(jié)構(gòu)能夠迅速的傳遞熱量，降低 了活塞的熱負(fù)荷；活塞銷孔采用異形曲而設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低了銷座應(yīng)力 峰值，提高了活塞銷

4、孔的承壓能力。這些措施同時(shí)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作 可靠性。材料為性能優(yōu)良的共晶硅鋁合金材料BH135+。以上活塞新 技術(shù)的應(yīng)用使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、油耗低、噪音小，可靠性高，完全適 合當(dāng)前重型載貨車、工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，市場(chǎng)前景十分廣闊。#專業(yè)資料整理二、技術(shù)方案論證傷技術(shù)產(chǎn)線加工活塞試驗(yàn)驗(yàn)血度場(chǎng)測(cè)量溫度批量生產(chǎn)三、技術(shù)特征1. 1WP7-35活塞方案設(shè)計(jì)本項(xiàng)目為我公司和濰柴動(dòng)力集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)，針對(duì)WP7系列柴油機(jī)的性能要求及活塞的設(shè)計(jì)參數(shù)，參考國內(nèi)外先進(jìn)的活塞設(shè)計(jì)理論和經(jīng) 驗(yàn)，我公司在活塞的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及型而設(shè)計(jì)方而進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)。®WP7發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù):型式：直列、增壓水冷、四沖程、六缸、高壓

5、共軌 缸徑X沖程：108X130 活塞總排量：7. 14L壓縮比：16:1 標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速：220 (KW) /2300 (r/min)最大扭矩/轉(zhuǎn)速：1100(N. m)/1700 (r/min)活塞主要技術(shù)參數(shù) 活塞總咼：110. Inun壓縮高：71. 2±0. OSmm裙部外圓橢圓長(zhǎng)軸最大尺寸：107. 89±0.009nim銷孔直徑：44 (+0.012, +0.006)材料：BH135+1. 2WP7-35活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):1.2.1燃燒室形狀的設(shè)計(jì):根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)歐IV排放要求，為保證燃油與空氣的充分混合與燃燒，燃燒室形狀由普通的3縮口形改為歐四排放燃燒室結(jié)構(gòu)，并且

6、燃燒室中間部分凸起，使空氣與油束混合更加合理，提高了空氣的利用 率。1. 2. 2活塞冷卻方式的設(shè)計(jì):隨著強(qiáng)化程度的提高，活塞的冷卻也需要不斷的增強(qiáng)。目前，當(dāng)單位而積功率 Rf < 0. 3Kw/cmf >0. 3Kw/cm'時(shí)，采用內(nèi)腔噴油冷卻，當(dāng)P2時(shí)，主要采用內(nèi)冷油腔振蕩冷卻O WP7-35活塞的單位而積功率為0. 402Kw/cm,所以，選用內(nèi)冷油腔振蕩冷卻方式。該活塞采用內(nèi)冷油道設(shè)計(jì)后，導(dǎo)熱性好、能夠迅速的傳遞活塞所吸收的熱量，有效降低了活塞的熱負(fù)荷。1.2.3潤(rùn)滑油導(dǎo)流方式:普通柴油機(jī)活塞油環(huán)刮下的潤(rùn)滑油一般經(jīng)由與內(nèi)腔相通的回油孔泄油，對(duì)T- WP7-35高強(qiáng)化

7、柴油機(jī)活塞，考慮到冷卻油量的增加,取消原先的內(nèi)腔回油通孔的設(shè)計(jì)，采用而窗外部回油，即在銷座外側(cè) 鑄造有凹而而窗，此結(jié)構(gòu)可以使油環(huán)掛下的潤(rùn)滑油迅速回流油底殼, 也有減輕活塞重量的作用。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的提高，傳統(tǒng)的共晶鋁硅合金材料的強(qiáng)度已顯得不足，特別表現(xiàn)在高溫強(qiáng)度。目前各主要活塞生產(chǎn)廠家正在積極 開發(fā)利用高性能的鋁硅合金材料，在高溫條件下具有更高疲勞強(qiáng)度,同時(shí)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間工作后仍保持優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性。我公司新研制開發(fā) 的BH135+材料，其高溫強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度與普通材料相比可提高25% 左右。1. 2. 5活塞頭部截而形狀WP7-35活塞的頭部設(shè)計(jì)成導(dǎo)熱良好的“熱流型”，既根據(jù)活塞的熱流通路，

8、采用大圓弧過渡，以增加從頂部到裙部的傳熱截而，從而將頭部熱流迅速傳岀，使活塞的頭部溫度得到降低。1.2.6異性銷孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為降低銷孔內(nèi)側(cè)上緣比壓，防止該處應(yīng)力集中而疲勞損壞，同時(shí)也為了增加銷孔的儲(chǔ)油能力，將WP7-35銷孔設(shè)計(jì)成雙喇叭形結(jié)構(gòu)（如 下圖所示）；1. 2. 7活塞裙部表而處理為了提高活塞裙部的磨合初期抗拉缸能力，在裙部外圓進(jìn)行印刷石墨處理，石墨層厚度0. 01-0. 02mm。1. 2. 8活塞裙部縱向型線的設(shè)計(jì)據(jù)超越函數(shù)理論，工作狀態(tài)下活塞裙部將轉(zhuǎn)化為柱形，若使活塞在熱膨脹后縱向型線不是一條直線而是一中凸的桶形曲線，這樣在裙 部表而與缸套之間形成一楔形油隙，則不論活塞運(yùn)動(dòng)方向如何

9、，由于 高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生流體動(dòng)力效應(yīng)，使壁而間油壓升高，并使兩壁®為油膜 分開，實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力潤(rùn)滑效果，從而降低摩擦損失，并且活塞在下行 過程中，裙部下半段油楔內(nèi)產(chǎn)生較高的油壓效果，將有助于活塞保持好的穩(wěn)定導(dǎo)向作用。裙部型線1.2.9活塞裙部橫向截而設(shè)計(jì)活塞裙部橢圓度與發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑、側(cè)壓力、強(qiáng)化程度、活塞材料和裙部壁厚等有關(guān)。WP7-35設(shè)計(jì)為橢圓度為0. 35-0. 40的橫向變橢圓形而，通過合理的橢圓設(shè)計(jì)，使活塞橫向設(shè)計(jì)成均壓橫向形線，既在65° -100°范圍內(nèi)變形后的摩擦而的曲率半徑與缸徑接近，實(shí)現(xiàn)均壓接觸，側(cè)壓力均勻分布。裙部橫向截而17ainnITTF-l26

10、4月't*> -zr"八 z1. 3活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析在研制階段確定活塞壽命的方法主要有兩種：臺(tái)架試驗(yàn)和計(jì)算。由于影響活塞壽命的因素很多、而且復(fù)雜，實(shí)際壽命的離散度非常大, 要通過臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)在各種條件下受熱件的壽命及其分布規(guī)律, 需要做大量、長(zhǎng)時(shí)間且復(fù)雜的壽命試驗(yàn)。因此對(duì)于活塞疲勞壽命的仿 真分析軟件的應(yīng)用越來越受到產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。(1)有限元計(jì)算：通過有限元計(jì)算，確定活塞的溫度場(chǎng)、熱-機(jī)耦合的應(yīng)力場(chǎng)、活塞各部位的變形量，再應(yīng)用后處理程序，計(jì)算出 活塞的疲勞壽命和安全疲勞系數(shù)，保證活塞設(shè)計(jì)的可靠性。在活塞設(shè) 計(jì)階段使用有限元分析和疲勞評(píng)價(jià)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可在活塞樣

11、件制造 之前預(yù)測(cè)岀活塞壽命，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將顯著縮短活塞推向市場(chǎng) 的時(shí)間、提高產(chǎn)品可靠性、降低活塞研發(fā)費(fèi)用。ANMAT, A 匚DC9t*：rAL 3OLUTI：«ANaTEP-2 SUE ! riME-ZSY<XV3)RSYS-0£H?；工 1.221?HX =5SY 1.6"3Y-2SY»2.751.221SYZ 汨8SY=2.969HK 27 SCO?17:14: lU5Y2.3753Y=48Sg3Y«l305SY«218gSY-1.805SY»1,6O32JG1Z"1.6112.481?？2SY=

12、2.18S"1.7594.584.16(2)活塞在氣缸內(nèi)的動(dòng)力學(xué)分析：通過活塞動(dòng)力模擬計(jì)算分析,計(jì)算岀活塞在氣缸中的翻轉(zhuǎn)角度、上止點(diǎn)換向?qū)飧椎那脫魟?dòng)能，模擬計(jì)算岀發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗和漏氣量。Iti IPM00 劉 lUTlMirK ErCIX lUU hWDTCrank Angle = 8.000000 deg View = Pulley?U1U1iIF fl" _f 03 12 別 J7Ki »卻如 f4rO4)|MA；c .” CflAtoctIP»I1P«I114鑄造毛坯工藝研究熱處理1. 4. 1液體鋁合金配制J外購合金鋁液經(jīng)過成分調(diào)整

13、后直接用于活塞生產(chǎn)，避免二次熔化，既可保證鋁水質(zhì)量的穩(wěn)定，又能達(dá)到良好的節(jié)能效果。1.4.2活塞合金鋁液熔煉匚JT成分調(diào)整、合金液變質(zhì)使用工頻爐，通過電-磁實(shí)現(xiàn)升溫和攪拌,材料均勻，變質(zhì)充分，年生產(chǎn)合格鋁液3. 5萬噸以上。1. 4. 3活塞合金鋁液精煉氮?dú)?、氯氣流量壓力可?鋁液精煉采用氮?dú)?氯氣旋轉(zhuǎn)除氣法,除氣、除渣徹底干凈，保證鋁液清潔。14. 4毛坯澆注3 7Zf: 二公司自制的QZ130A. QZ130B. QZllO等系列澆注機(jī)均可用于柴油機(jī)活塞毛坯的生產(chǎn)。其中,QZ130A為半自動(dòng)澆注機(jī)，是公司生產(chǎn)柴油機(jī)活塞毛坯的主要設(shè)備;QZ11O為我公司自行研制的一機(jī)兩模、正立式傾轉(zhuǎn)全自動(dòng)澆

14、注機(jī),該機(jī)型是公司柴油機(jī)毛坯澆注自動(dòng)化的重點(diǎn)機(jī)型；QZ130B為QZ130A的改進(jìn)型，主要用于壓力鑄造活塞毛坯 的生產(chǎn)。1.4.5內(nèi)冷油道沖洗*IIItbe:自動(dòng)6工位鹽芯沖洗設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)水沖洗、清水沖洗、高壓空氣吹干自動(dòng)定時(shí)并切換。每只沖洗完的活塞都要進(jìn)行內(nèi)冷通道滾 鋼球檢驗(yàn)，保證每只活塞內(nèi)冷通道暢通。1.4.6活塞熱處理.-、t £-* t.丄 A> taa-二. sy 先進(jìn)的活塞時(shí)效熱處理自動(dòng)生產(chǎn)線，爐溫均勻性±2°C,爐子溫度和保溫時(shí)間PLC自動(dòng)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)進(jìn)爐和出爐，保證了活塞的 穩(wěn)定性。1. 5活塞機(jī)加工生產(chǎn)tr本活塞機(jī)加工選用了專門

15、進(jìn)行小批量、高精度活塞加工的生產(chǎn)線。生產(chǎn)線為2010年整體新上線，人員均長(zhǎng)期從事小批高精活塞加工。環(huán)槽、燃燒室、頂而、外圓、銷孔的精加工均采用超硬材料刀具，確 保嚴(yán)格的公差要求與高精的表而質(zhì)量。本活塞機(jī)加工工序：鉆銷孔f粗車止口f粗車外圓及頂而f內(nèi)冷通道探傷f精車止口f粗鐲銷孔f鉆內(nèi)冷通道孔f精車環(huán)槽及半精 車外圓f半精鎮(zhèn)銷孔f車擋圈槽及外口f車銷孔內(nèi)倒角f精車頂而、 精車燃燒室f精鋰銷孔f精車外圓f去毛刺1. 5. 1活塞質(zhì)量控制點(diǎn)-精鎮(zhèn)銷孔$、該工序?yàn)殛P(guān)鍵工序，主要控制點(diǎn)：銷孔直徑、圓柱度、偏移、壓縮高、對(duì)外圓垂直度、異形銷孔型線。1. 5. 2活塞質(zhì)量控制點(diǎn)-精車外圓丿丿3%7 :r 一

16、 K _-1 一該工序?yàn)殛P(guān)鍵工序，主要控制點(diǎn)：外圓基準(zhǔn)尺寸，橢圓長(zhǎng)軸相對(duì)銷孔中心線的最大偏移、外圓型線及橢圓；一槽下側(cè)而倒角。1. 5. 3活塞質(zhì)量控制點(diǎn)-內(nèi)冷油道探傷0-A用于檢測(cè)活塞內(nèi)冷油道缺陷檢測(cè)，也可用于鑲環(huán)內(nèi)側(cè)而與與鋁基-訓(xùn)h.4 體結(jié)合缺陷的檢測(cè)。1. 6表而處理生產(chǎn)*用全自動(dòng)高壓清洗機(jī)對(duì)活塞表而進(jìn)行清潔，清潔活塞粘附的鋁屑或油跡。23 一卻應(yīng)用最先進(jìn)的自動(dòng)印刷機(jī)對(duì)活塞裙部進(jìn)行石墨化處理。Al卩對(duì)印刷完石墨的活塞加溫固化，以保證石墨層與活塞本體的粘結(jié)強(qiáng)度。1. 7成品最終檢測(cè)最終檢驗(yàn)對(duì)銷孔直徑、外圓大點(diǎn)等重要待性以及、標(biāo)識(shí)、二維碼、印刷層、表而質(zhì)量進(jìn)行100%檢驗(yàn)，確保活塞的高質(zhì)量

17、交付。18溫度場(chǎng)試驗(yàn)把裝入硬度塞的活塞裝入發(fā)動(dòng)機(jī)，參照規(guī)范制定磨合步驟。拆檢發(fā)動(dòng)機(jī)，從經(jīng)自然冷卻的活塞中取岀硬度塞，然后通過顯微硬度計(jì)測(cè) 量硬度塞頂而的硬度，每個(gè)硬度塞測(cè)量4個(gè)點(diǎn)，取其平均值作為測(cè)量 結(jié)果。通過測(cè)試WP7發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況下WP7-35活塞表而溫度分布, 為活塞改進(jìn)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬分析提供依據(jù)。四、總體性能指標(biāo)與國內(nèi)外同類先進(jìn)技術(shù)的比較1、活塞新材料研制WP7-35活塞用國內(nèi)獨(dú)有的BH135+材料，其高溫強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度與普通材料相比可提高25%左右。2、歐IV燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)燃燒室形狀由普通的3縮口形改為國際先進(jìn)的歐IV排放燃燒室結(jié)WORD輅式構(gòu)，并且燃燒室中間部分凸起，使空氣與油束

18、混合更加合理，提高了 空氣的利用率。3、應(yīng)用內(nèi)冷油腔冷卻活塞頭部該活塞采用國際先進(jìn)的內(nèi)冷油道設(shè)計(jì)后，導(dǎo)熱性好、能夠迅速的傳遞活塞所吸收的熱量，有效降低了活塞的熱負(fù)荷。4、活塞內(nèi)冷探傷技術(shù)購進(jìn)活塞內(nèi)冷油道超聲波探傷設(shè)備，技術(shù)國際先進(jìn)，對(duì)內(nèi)冷通道的檢測(cè)快速有效。5、主要技術(shù)指標(biāo)A、活塞主要技術(shù)參數(shù)活塞總咼：110. Imm壓縮高：71. 2±0. 03mm裙部外圓橢圓長(zhǎng)軸最大尺寸：107.89 + 0. 009mm銷孔直徑：44 (+0.012, +0. 006)材料：BH135+R BH135+材料性能硬度：105-135HBW 體積穩(wěn)定性：W0025%D 常溫抗拉強(qiáng)度：2200MPa (2(rC)高溫抗拉強(qiáng)度：283MPa ( 300°C),所以