第２４卷第２期 ２０１０年４月 江苏科技大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１０ 基于ＣＦＤ的某Ｖ型船用柴油机活塞环 断裂故障研究 苏石川１，王 慧，陈永杰，郑洪俊，王 乐，顾 祥 （江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江２１２００３） 摘要：针对某船用１２缸Ｖ型柴油机第２缸活塞环经常断裂的现象，应用ＣＦＤ方法对其进行分析判断，结果表明：由于缸 体水套中存在大范围的高温区和低流速区，活塞环处的热负荷及由温差产生的内部热应力增大，使活塞环发生断裂故障． 通过对缸体水套进行结构改进，减小其最高温度及高温区域面积，可降低活塞环热负荷及应力，进而降低了活塞环断裂 频率． 关键词：活塞环；断裂；ＣＦＤ分析；温差；热应力 中图分类号：Ｕ４６４。１３３；ＴＫ２４３．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—４８０７（２０１０）０２—０１５６—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ ｉｎ ａ ｍａｒｉｎｅ Ｖ—ｓｈａｐｅｄ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＦＤ Ｓｕ Ｓｈｉｃｈｕａｎ，Ｗａｎｇ Ｈｕｉ，Ｃｈｅｎ Ｙｏｎｇｊｉｅ，Ｚｈｅｎｇ Ｈｏｎｇｊｕｎ，Ｗａｎｇ Ｌｅ，Ｇｕ Ｘｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅ￣ｉａｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｏｆｔｅｎ ｏｃｃｕｒｓ ｉｎ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ Ｓ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｍａｒｉｎｅ １２Ｖ—ｓｈａｐｅｄ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｂｙ ＣＦＤ，ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｉａｃｋｅｔ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｉｎ ｏｖｅｒｓｉｚｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ．Ａｌｓｏ，ｔｈｉｓ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｌｏａｄ ａｎｄ ｈｅａｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｉｎｇ ｗａｓ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ．Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｊａｃｋｅｔ ｗａｓ ｉｎｔｒｏ— ｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｗｅｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｉｓ ｃｏｕｌｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｌｏａｄ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ Ｓ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ；ｂｒｅａｋｉｎｇ；ＣＦＤ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ；ｈｅａｔ ｓｔｒｅｓｓ 活塞环具有保持活塞与气缸套之间的有效密 作条件极其恶劣． 活塞环的主要故障有折断、粘着、拉缸和异常磨 封，将活塞热量传递给气缸壁，以及调节气缸润滑 油的作用．同时它也是所有发动机零件中唯一作３ 个方向运动的零件（即轴向运动、径向运动和圆周 损等．本文针对某ｌ２缸Ｖ型船用柴油机在使用过程 中第２缸活塞环经常出现的断裂现象进行具体分 析，利用ＣＦＤ方法对缸体水套流场进行分析，找出 方向的旋转运动），使用条件最为苛刻．发动机在 燃烧期间，燃气温度可达到２ ０００～２ ５００℃，其爆 发压力平均达到５０ ＭＰａ，活塞头部的温度一般不 活塞环断裂故障的主要原因，并提出解决对策． 低于２００ ｏＣ．活塞是作往复运动的，其速度和负荷 都很大 ｊ．活塞、活塞环和缸套形成的运动副工作 条件非常恶劣，它们之间的磨擦损失占到整个柴 油机磨擦损失功率的５５％～６５％．同时，活塞环 １ 活塞环断裂判断的基本方法 分析活塞环断裂的传统方法是采用对实际断裂 环进行检测判断．如用无损检测法对活塞环进行役 前检测，用化学分析法测定断裂活塞环的成分，用能 谱仪检测失效活塞环表面的腐蚀产物的成分，用扫 描电镜观察活塞环的显微组织和裂纹形态 ｊ．但这 的润滑条件较差，其燃烧产物对活塞、活塞环都会 产生一定的磨损和腐蚀作用 Ｊ．因此，活塞环的工 收稿日期：２００９—０３一】８ 作者简介：苏石川（１９６３一），男，江苏淮阴人，博士，教授，研究方向为内燃机排放预测与控制．Ｅ・ｍａｉｌ：ｊｕｓｔｕｓｓｃｌ＠１６３．ｃｏｒｎ 第２期 苏石川，等：基于ＣＦＤ的某Ｖ型船用柴油机活塞环断裂故障研究 １５７ 些方法工作量大、成本高，由人员及环境等因素造成 的误差也较大，相对比较繁琐． 近年来，随着计算流体力学和计算机技术的 发展，模拟计算越来越多的应用于工程设计与优 化领域．ＣＦＤ数值模拟技术是一种基于计算机并 行技术的模拟工具，能够较为准确地预测各种复 杂的流动和传质现象，并能够对计算结果进行处 理，提供可视化的结果 Ｊ，是作为结构设计、改进 和故障分析的一种有效手段．发动机冷却系统中流 动与传热现象的数值计算是发动机设计的一个重 要方向，其结果的准确性和可靠性是令人满意的． 同时，与试验相比，运用ＣＦＤ软件进行模拟计算， 不仅能够提供试验研究不可能提供的信息，而且花 费少、周期短、运用性强、效果明显 ． ２ 由温差引起的活塞环断裂分析与 解决方案 ２．１ 热负荷。热应力及仿真结果分析 本文所选机型为１２ＰＡ６型柴油机，其主要特 性参数如表１． 表１柴油机主要特性参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｓｅｌ 主要特性项目 参数 型式 Ｖ型、四冲程、直接喷射 气缸数 １２ Ｖ型夹角 ６０。 气缸直径 ２８０ ｍｉｌｌ 活塞行程 ２９０ ｍｉｌｌ 活塞平均速度 １０．１５ ｍ／ｓ 单缸工作容积 １７．８６ Ｌ 几何压缩比 １１．７ 缸心矩 ４６０ ｍｒｆｌ 起动方式 压缩空气单排起动 起动空气压力 １．２～３．０ ＭＰａ 柴油机的部件常由于其温度过高而失去工作 能力．例如：由于滑油品质的不同，当第ｌ根活塞环 槽的温度超过对应的１８０～２３０℃时，会引起滑油 在环槽里逐步结焦，致使环失去活动能力，以致破 坏气密与散热作用；缸套或环的温度过高时，将破 坏润滑油膜，使缸套和环的磨损加剧 ；缸套周向 温度的不均匀会使缸套变形，以致破坏活塞与缸套 间的正常间隙，从而导致活塞环的断裂．另一方面， 活塞不正常的热变形也会产生同样后果． 由于缸盖底部，活塞顶部，缸套等处温度分布 不合理，而造成过大的温差应力一热应力．热应力 在柴油机负荷变化或柴油机起动、运转和停车的过 程中都会产生脉动，此外柴油机在稳定运转状态 下，也因不断地循环工作而使包括热应力在内的总 应力水平发生脉动．这些脉动应力在严重时将会造 成机件的疲劳破坏，如导致活塞环的断裂． 图１为原缸体水套的结构方案．图２为利用 ＣＦＤ分析方法对水套进行仿真模拟得出的缸体水 套的温度场分布． 对称面 入 口 图１ 缸体水套的原结构方案 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｓｔｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｂｌｏｃｋ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ 高温区 图２水套的温度场分布 Ｆｉｇ．２ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｂｌｏｃｋ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ 从图２中可以看出各缸上半部分温度略高于 下半部分，水套的高温区都集中在２缸的上部，如 图２所示的高温区位置．通过分析得出：首先，这主 胃口—［】 譬 要是因为缸套内表面温度大大高于下半部分，上部 冷却水所含热量要比下部冷却水的热量大；其次， 因为冷却水是从缸套下半部分流经上半部分，经过 连接水孔，然后流人缸头，缸套上半部分的冷却水 流动速度低于下半部分，对流换热强度低于下半部 分．其水套的最高温度为３５５．８ Ｋ． 獬 图３高温区局部放大图 Ｆｉｇ．３ Ｐａｒｔｉａｌ ｚｏｏｍ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｇｉｏｎ 冷却水温度过高使得缸套温度进一步提高，这 样会增加缸套的变形，使其强度下降 ，从而导致 ２缸发生拉缸现象以及活塞环断裂事故的概率大 大增加．从图３中可以看出，原结构方案不但温度 高，而且高温区域范围也比较大．由活塞环的导热 １５８ 江苏科技大学学报（自然科学版） 第２４卷 作用可知：如果将活塞在一定时间内的平均温度与 该温度相对应的气缸壁位置作为传热的不变条件， 则从活塞往活塞环向缸壁的传热过程就属于稳定 的传热过程．设活塞环处于稳定态的传热过程，传 到的热量为Ｑ，即热量自活塞环传导至气缸壁，传 热公式 如下： 活塞传人活塞环的热量 Ａｎ Ｑ。＝ Ｆ （ 一 ，）＝ （１） Ｐ 通过活塞环传导的热量 Ｑ：： （ ｒｒ２）： （２） 活塞环传给气缸套的热量 Ｑ。＝ＯＺｌＦｌ（ ，一 ）＝ ／３Ｌ１ （３） 式中，下标Ｐ，ｒ，１分别代表活塞、活塞环及气缸壁； 下标ｒ ，ｒ：分别代表与活塞接触的环侧和与气缸壁 接触的环侧；Ｑ为传导的热量，单位为ｋｃａｌ／ｈ；Ｆ为 传导面积，单位为ｍ ；Ｒ为热阻，单位为ｈ％／ｋｃａｌ； 为温度，单位为℃；Ｏ／为传热系数，单位为ｋｃａｌ／ （ｍ ｈ℃）；Ａ为导热系数，单位为ｋｃａｌ／（ｍ ｈ℃）；Ｓ 为当量导热长度，单位为ｍ． 从上式可知，环的导热系数根据材料可以知 道，当量传热面积与当量导热长度也已知，当上述 麓 … 缸套的温度 升高时，将导致式（３）中的传热量 Ｑ 减小．这样一方面提高了活塞环的温度使得热 负荷增加，破坏润滑油膜，使活塞环与缸套的磨损 加剧；另一方面还使与气缸壁接触的环侧温度 ， 升高，两环侧ｒ 和ｒ２处的温度差将进一步增大，从 而使导热量Ｑ 变大，而由热流密度 ｇ： （４） 可得温差愈大，热流密度值就愈大，导致热应力也 愈大．从而导致活塞环的疲劳断裂． 图４为冷却水套下部位置的速度场分布．从２ 缸周围的流场来看，上部流动速度最小，中部次之， 下部最大．而４号连接水孔左右冷却水的流动速度 略低于其他位置的流动速度，如图４圆圈内所示位 置为“低流速区”．这主要是因为，从中间水腔流入 缸套周围水腔的冷却水是顺时针方向流动，而从入 口处下部水管流入缸套水腔的冷却水按逆时针方 向流动，这就使得两处的冷却水在２缸相遇，速度 降低，形成“低流速区”．这也是在２缸４号连接水 孔处形成高温区的主要原因． 图４缸体水套内冷却水的速度场分布 Ｆｉｇ．４ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｂｌｃｏｋ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ２．２基于ＣＦＤ的结构改进方案 为解决２缸水套高温带来的热应力问题，本文 对缸体水套进行了优化设计，并利用ＣＦＤ数值模 拟方法对其进行了仿真分析，具体结构改进方案如 图５． 图５改进后的缸体水套结构 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｂｌｏｃｋ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ｍｏｄｅｌ 此缸体水套是在原来结构的基础上在各缸套 之间钻了一个直径为５０ ｍｒｎ的圆孔，圆孔中心离 缸套上平面的距离为３０ ｍｍ．其他结构未作任何改 动．通过论证，此缸体水套结构上的调整对整体机 架的机械性能影响甚微，而且加工操作方便，便于 厂家组织生产．利用ＣＦＤ技术对改进的方案进行 计算仿真，结果对比如图６～７． —嘲目 高温区 图６原结构温度场分布 Ｆｉｇ．６ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄｓ ｗｉｔｈ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 图７改进结构的温度场分布 Ｆｉｇ．７ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄｓ ｗｉｔｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 通过对比发现：改进后的水套最高温度为 ３５４．２ Ｋ，虽与原结构相比下降了１．６℃．但其高温 区域面积相对改进前减少许多，尤其在新增水孔处 第２期 苏石川，等：基于ＣＦＤ的某Ｖ型船用柴油机活塞环断裂故障研究 １５９ 效果显著．因最高温度及高温区域的减少使缸套壁 温度 有所下降，活塞环与缸套间的传热量Ｑ，加 大，改善了缸套、活塞环等处的温度分布，从而使热 负荷与热应力随之下降．图８为结构改进前后的温 度场分布局部放大情况。 ｌ目 ａ）原结构 ｂ）改进结构 图８温度场分布局部放大图 Ｆｉｇ．８ Ｐａｒｔｉａｌ ｚｏｏｍ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄｓ 改进后的结构相对原结构来说，由于改进方案 增加了新水孔结构，在原方案高温区处的冷却水的 流速加强了，由图中可以看出，新开水孔处的温度 梯度变化激烈，这样使得原方案高温区的面积大大 减小． ３ 结论 本文利用ＣＦＤ数值模拟方法，研究了某Ｖ型 柴油机活塞环经常出现断裂的问题，得出结论如 下： １）气缸水套的局部高温导致缸套温度的进一 步升高，从而增加了活塞，环侧及缸套间的传热温 差，使得热应力增大，导致活塞环断裂； ２）对缸体水套的结构进行改进，降低缸套的 最高温度及高温区域，从而通过增加活塞环与缸套 的传热量来减少热负荷以及由于温差产生的热应 力，降低活塞环断裂的频率； ３）采用ＣＦＤ方法可有效模拟发动机稳态工 况下缸套冷却水的耦合流动与传热问题，使其更符 合实际工作状态，能在其分析基础上提出缸套结构 的改进方案． 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］邬伯翔．活塞环［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９８７． ［２］王锦辉．船舶主机活塞环异常折断分析及处理［Ｊ］．中 国修船，２００４（５）：１４—１６． Ｗａｎｇ Ｊｉｎｈｕｉ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｏ ａｂｎｏｒｍａｌ ｂｒｏｋｅｎ ｐｉｓｔｏｎ ｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｉｒｎｅ ｍａｉｎ ｅｎ￣ｎｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｓｈｉｐｒ— ｅｐａｉｒ，２００４（５）：１４—１６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［３］王艳琼，杨世柏．船舶柴油机活塞环断裂原因分析 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（责任编辑：童天添）
