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技术研究报告

技术研究报告

课题编号：

2011ZC0206

课题名称：

潍柴用WP7高性能柴油机活塞设计与制造

申请鉴定单位：

山东滨州渤海活塞股份有限公司（盖章）

申请鉴定日期：

一、国内外同类技术的背景材料

汽车工业是我国国民经济的重要产业,近几年汽车工业在跨越式发展，随着国内外对重型卡车和大型工程机械需求的进一步扩大，柴油发动机正在向高负荷、高功率、高强度化方向发展，这对活塞本身的性能提出了更高的要求。

活塞是发动机上的关键零部件，被称为发动机的“心脏”，不但要满足发动机各项性能指标要求，同时还要承受交变的机械负荷和热负荷;活塞特别是高性能活塞已发展成为高技术含量产品。

为满足市场的需求和自身发展的需要，潍柴动力集团在广泛市场调研的基础上，依托公司强大的技术力量，将WP7系列柴油机作为重要战略项目提出，并进行全新设计开发，满足市场的需求，扩大国内市场占有率。

该发动机为废气涡轮增压中冷、直列、六缸、水冷、高压共轨、四冲程柴油机，该机结构紧凑、动力强劲、经济性好、排放指标欧Ⅳ，主要配套于中型载货车及工程机械车辆。

在该发动机设计过程中，广泛吸收了当今先进设计理论及方法，总体设计水平先进，燃烧过程组织合理，排放达到欧Ⅳ标准，符合我国排放法规的要求，市场前景十分广阔。

WP7-35活塞是与该机型配套的新型柴油机活塞，作为发动机的关键零部件，活塞环槽设计采用先进的三环槽结构，第一环槽将采用镶有耐磨镶圈的双梯形槽，能有效防止因高温下机油碳化结焦引起的活塞环卡滞、折断，使活塞环保持良好弹性及密封性，提高整机工作可靠性，耐磨镶圈由高镍奥氏体铸铁制成，增加了环槽的耐磨性，使活塞的使用寿命提高了倍，降低了用户的使用成本；头部外圆采用大间隙锥体，对降低机油消耗和密封燃气具有很好的作用；裙部为中凸椭圆型面，使活塞在工作状态时与缸套配合间隙合理、便于润滑油膜的形成；活塞裙部表面石墨化处理，减少了活塞摩擦损失，裙部导向性得到了改善；活塞采用内冷腔结构能够迅速的传递热量，降低了活塞的热负荷；活塞销孔采用异形曲面设计进一步降低了销座应力峰值，提高了活塞销孔的承压能力。

这些措施同时提高了发动机工作可靠性。

材料为性能优良的共晶硅铝合金材料BH135+。

以上活塞新技术的应用使发动机运转平稳、油耗低、噪音小，可靠性高，完全适合当前重型载货车、工程机械发动机的需求，市场前景十分广阔。

二、技术方案论证

三、技术特征

1.1WP7-35活塞方案设计

本项目为我公司和潍柴动力集团联合开发，针对WP7系列柴油机的性能要求及活塞的设计参数，参考国内外先进的活塞设计理论和经验，我公司在活塞的结构优化及型面设计方面进行了全新设计。

①WP7发动机性能参数：

型式：

直列、增压水冷、四冲程、六缸、高压共轨

缸径X冲程：

108X130

活塞总排量：

7.14L

压缩比：

16:

1

标定功率/转速：

220（KW）/2300（r/min）

最大扭矩/转速：

1100/1700（r/min）

②活塞主要技术参数

活塞总高：

110.1mm

压缩高：

±0.03mm

裙部外圆椭圆长轴最大尺寸：

±0.009mm

销孔直径：

Φ44（+，+）

材料：

BH135+

1.2WP7-35活塞的结构设计：

燃烧室形状的设计：

根据发动机欧Ⅳ排放要求，为保证燃油与空气的充分混合与燃烧，燃烧室形状由普通的ω缩口形改为欧四排放燃烧室结构，并且燃烧室中间部分凸起，使空气与油束混合更加合理，提高了空气的利用率。

活塞冷却方式的设计：

随着强化程度的提高，活塞的冷却也需要不断的增强。

目前，当单位面积功率Pf＜cm2时，采用内腔喷油冷却，当Pf＞cm2时,主要采用内冷油腔振荡冷却。

WP7-35活塞的单位面积功率为Kw/cm2，所以，选用内冷油腔振荡冷却方式。

该活塞采用内冷油道设计后，导热性好、能够迅速的传递活塞所吸收的热量，有效降低了活塞的热负荷。

润滑油导流方式：

普通柴油机活塞油环刮下的润滑油一般经由与内腔相通的回油孔泄油，对于WP7-35高强化柴油机活塞，考虑到冷却油量的增加，取消原先的内腔回油通孔的设计，采用面窗外部回油，即在销座外侧铸造有凹面面窗，此结构可以使油环挂下的润滑油迅速回流油底壳，也有减轻活塞重量的作用。

活塞材料的研制

随着发动机强化程度的提高，传统的共晶铝硅合金材料的强度已显得不足，特别表现在高温强度。

目前各主要活塞生产厂家正在积极开发利用高性能的铝硅合金材料，在高温条件下具有更高疲劳强度，同时经过长时间工作后仍保持优良的尺寸稳定性。

我公司新研制开发的BH135+材料，其高温强度、热疲劳强度与普通材料相比可提高25%左右。

活塞头部截面形状

WP7-35活塞的头部设计成导热良好的“热流型”，既根据活塞的热流通路，采用大圆弧过渡，以增加从顶部到裙部的传热截面，从而将头部热流迅速传出，使活塞的头部温度得到降低。

异性销孔结构设计

为降低销孔内侧上缘比压，防止该处应力集中而疲劳损坏，同时也为了增加销孔的储油能力，将WP7-35销孔设计成双喇叭形结构（如下图所示）；

活塞裙部表面处理

为了提高活塞裙部的磨合初期抗拉缸能力，在裙部外圆进行印刷石墨处理，石墨层厚度。

活塞裙部纵向型线的设计

据超越函数理论，工作状态下活塞裙部将转化为柱形，若使活塞在热膨胀后纵向型线不是一条直线而是一中凸的桶形曲线，这样在裙部表面与缸套之间形成一楔形油隙，则不论活塞运动方向如何，由于高速运动产生流体动力效应，使壁面间油压升高，并使两壁面为油膜分开，实现流体动力润滑效果，从而降低摩擦损失，并且活塞在下行过程中，裙部下半段油楔内产生较高的油压效果，将有助于活塞保持好的稳定导向作用。

裙部型线

活塞裙部横向截面设计

活塞裙部椭圆度与发动机缸径、侧压力、强化程度、活塞材料和裙部壁厚等有关。

WP7-35设计为椭圆度为的横向变椭圆形面，通过合理的椭圆设计，使活塞横向设计成均压横向形线，既在65°-100°范围内变形后的摩擦面的曲率半径与缸径接近，实现均压接触，侧压力均匀分布。

裙部横向截面

活塞结构强度分析

在研制阶段确定活塞寿命的方法主要有两种：

台架试验和计算。

由于影响活塞寿命的因素很多、而且复杂，实际寿命的离散度非常大，要通过台架试验结果总结在各种条件下受热件的寿命及其分布规律，需要做大量、长时间且复杂的寿命试验。

因此对于活塞疲劳寿命的仿真分析软件的应用越来越受到产品设计人员的关注。

（1）有限元计算：

通过有限元计算，确定活塞的温度场、热-机耦合的应力场、活塞各部位的变形量，再应用后处理程序，计算出活塞的疲劳寿命和安全疲劳系数，保证活塞设计的可靠性。

在活塞设计阶段使用有限元分析和疲劳评价技术，设计人员可在活塞样件制造之前预测出活塞寿命，进行结构优化设计，将显著缩短活塞推向市场的时间、提高产品可靠性、降低活塞研发费用。

（2）活塞在气缸内的动力学分析：

通过活塞动力模拟计算分析，计算出活塞在气缸中的翻转角度、上止点换向对气缸的敲击动能，模拟计算出发动机的机油消耗和漏气量。

铸造毛坯工艺研究

原材料进厂

液态铝配制

铝合金熔炼

成分检测

精炼处理

毛坯浇注

盐芯生产

盐芯冲洗

热处理

液体铝合金配制

外购合金铝液经过成分调整后直接用于活塞生产，避免二次熔化，既可保证铝水质量的稳定，又能达到良好的节能效果。

活塞合金铝液熔炼

成分调整、合金液变质使用工频炉，通过电-磁实现升温和搅拌，材料均匀，变质充分，年生产合格铝液万吨以上。

活塞合金铝液精炼

铝液精炼采用氮气-氯气旋转除气法，氮气、氯气流量压力可控，除气、除渣彻底干净，保证铝液清洁。

毛坯浇注

公司自制的QZ130A、QZ130B、QZ110等系列浇注机均可用于柴油机活塞毛坯的生产。

其中，QZ130A为半自动浇注机，是公司生产柴油机活塞毛坯的主要设备；QZ110为我公司自行研制的一机两模、正立式倾转全自动浇注机，该机型是公司柴油机毛坯浇注自动化的重点机型；QZ130B为QZ130A的改进型，主要用于压力铸造活塞毛坯的生产。

内冷油道冲洗

自动6工位盐芯冲洗设备，能够实现循环水冲洗、清水冲洗、高压空气吹干自动定时并切换。

每只冲洗完的活塞都要进行内冷通道滚钢球检验，保证每只活塞内冷通道畅通。

活塞热处理

先进的活塞时效热处理自动生产线，炉温均匀性±2℃，炉子温度和保温时间PLC自动控制，能够实现自动进炉和出炉，保证了活塞的稳定性。

活塞机加工生产

本活塞机加工选用了专门进行小批量、高精度活塞加工的生产线。

生产线为2010年整体新上线，人员均长期从事小批高精活塞加工。

环槽、燃烧室、顶面、外圆、销孔的精加工均采用超硬材料刀具，确保严格的公差要求与高精的表面质量。

本活塞机加工工序：

钻销孔→粗车止口→粗车外圆及顶面→内冷通道探伤→精车止口→粗镗销孔→钻内冷通道孔→精车环槽及半精车外圆→半精镗销孔→车挡圈槽及外口→车销孔内倒角→精车顶面、精车燃烧室→精镗销孔→精车外圆→去毛刺

活塞质量控制点-精镗销孔

该工序为关键工序，主要控制点：

销孔直径、圆柱度、偏移、压缩高、对外圆垂直度、异形销孔型线。

活塞质量控制点-精车外圆

该工序为关键工序，主要控制点：

外圆基准尺寸，椭圆长轴相对销孔中心线的最大偏移、外圆型线及椭圆；一槽下侧面倒角。

活塞质量控制点-内冷油道探伤

用于检测活塞内冷油道缺陷检测，也可用于镶环内侧面与与铝基体结合缺陷的检测。

表面处理生产

用全自动高压清洗机对活塞表面进行清洁，清洁活塞粘附的铝屑或油迹。

应用最先进的自动印刷机对活塞裙部进行石墨化处理。

对印刷完石墨的活塞加温固化，以保证石墨层与活塞本体的粘结强度。

成品最终检测

最终检验对销孔直径、外圆大点等重要特性以及、标识、二维码、印刷层、表面质量进行100%检验，确保活塞的高质量交付。

温度场试验

把装入硬度塞的活塞装入发动机，参照规范制定磨合步骤。

拆检发动机，从经自然冷却的活塞中取出硬度塞，然后通过显微硬度计测量硬度塞顶面的硬度，每个硬度塞测量4个点，取其平均值作为测量结果。

通过测试WP7发动机稳定工况下WP7-35活塞表面温度分布，为活塞改进设计、数值模拟分析提供依据。

四、总体性能指标与国内外同类先进技术的比较

1、活塞新材料研制

WP7-35活塞用国内独有的BH135+材料，其高温强度、热疲劳强度与普通材料相比可提高25%左右。

2、欧Ⅳ燃烧室结构设计

燃烧室形状由普通的ω缩口形改为国际先进的欧Ⅳ排放燃烧室结构，并且燃烧室中间部分凸起，使空气与油束混合更加合理，提高了空气的利用率。

3、应用内冷油腔冷却活塞头部

该活塞采用国际先进的内冷油道设计后，导热性好、能够迅速的传递活塞所吸收的热量，有效降低了活塞的热负荷。

4、活塞内冷探伤技术

购进活塞内冷油道超声波探伤设备，技术国际先进，对内冷通道的检测快速有效。

5、主要技术指标

A、活塞主要技术参数

活塞总高：

110.1mm

压缩高：

±0.03mm

裙部外圆椭圆长轴最大尺寸：

±0.009mm

销孔直径：

Φ44（+，+）

材料：

BH135+

B、BH135+材料性能

硬度：

105-135HBW

体积稳定性：

≤%D

常温抗拉强度：

≥200MPa（20℃）

高温抗拉强度：

≥83MPa（300℃）

C、WP7-35活塞的单位面积功率为Kw/cm2，所以，选用内冷油腔振荡冷却方式。

D、WP7-35活塞的头部设计成导热良好的“热流型”，以增加从顶部到裙部的传热截面，使活塞的头部温度得到降低。

E、自主开发出高压冲盐芯设备，并快速投入使用，使盐芯冲洗工作快速有效，保证活塞内冷油道的畅通。

F、活塞采用铸淬工艺，节约成本；活塞时效处理自动化，保证了活塞性能的稳定性。

G、引进超声波探伤技术，研究出内冷油道位置标样和缺陷标样，对活塞内冷油道的安全性严格把关。

五、技术成熟程度、

本项目实施开始，通过在原有技术基础上优化设计活塞结构，应用最新的活塞铸造工艺、合理的机加工工艺、先进的表面处理技术、自主研发设计的内冷油道冲洗机，引进内冷油道超声波探伤机，目前已在公司其它产品推广应用。

到目前公司生产活塞万只，销售收入425万元。

六、对社会经济发展和科技进步的意义

WP7-35高性能活塞设计开发，大大提升了我公司批量生产高附加

值产品的产业层次，进一步巩固了我公司活塞研发生产在国际国内的地位，促进了产品结构、技术结构调整，加速了自主品牌的推广，打破了国外产品的垄断。

七、推广应用的条件和前景

高性能活塞的设计开发符合国家产业政策，是国家、省、市重点支持的发展领域；有利于传统的活塞制造领域的产业化升级，对地方经济和产业结构调整具有积极的意义，对促进人员就业、社会稳定和保护环境具有重要的意义。