DF4型机车活塞裂碎的原因

　　活塞是机车柴油机的重要部件之一，其可靠性直接影响柴油机的工作状态。活塞不仅承受因气体压力而产生的高频脉冲应力，而且因其直接与高温燃气接触，同时亦产生交变热应力。这样，活塞在多种交变应力的作用下，极易在应力集中部位产生疲劳裂纹，导致活塞裂碎，影响柴油机正常工作。

 

　　目前，对于机车用柴油机活塞，所有文件及文献中均没有对其使用寿命作出明确的规定，机务部门对活塞使用的一般原则是：在中修探伤没有裂纹的情况下，视第1道环槽的磨损情况做不同处理。磨损不超限的，检修后继续使用；磨损超限的，经扩槽修复或换顶处理后，亦继续使用。这样一来，就产生了一个活塞裙部特别是活塞销座处的疲劳裂损问题。因活塞裙部及活塞销座经长期使用后，虽然中修探伤没有裂纹，也不能保证在下一个中修期内不产生疲劳裂纹，这就为柴油机活塞故障埋下了隐患。

 

　　产生疲劳裂纹比较集中的部位是活塞销座处，销座内缘上侧的尖角上，由于很高的棱缘负荷而产生裂纹。统计近年来我段的活塞裂碎故障(见表1)，也可发现近90％的活塞裂碎部位集中在活塞销座处。

 

裂碎部位	销座处	裙部	顶裙连接处	其它	总计
发生件数	38	1	2	1	42

 

　　就DF4型机车活塞而言，第l道环槽磨损是极为常见的故障，而环槽磨损后，经换顶处理，又可继续使用，这就造成活塞裙部及活塞销座反复使用，极易产生疲劳裂纹。疲劳裂纹产生的原因如下：

　　(1)活塞销座用来支撑活塞销并传递作用力，因此活塞销座要承受巨大的交变机械负荷，使活塞销和活塞销座产生变形而引起应力集中，产生销座裂纹。同时，变形的结果使活塞销和活塞销座的接触情况大为恶化，在销座内缘上侧的尖角上，由于很高的棱缘负荷也会产生裂纹。

　　(2)由于活塞直接与高温燃气接触，温度很高，活塞顶部表面的温度在柴油机工作循环内发生变化，产生高频热应力；当柴油机工况变化时，热应力也随之变化，又出现了低频的应力循环。而材料的疲劳强度随温度的升高又会不断下降，这样，就会在活塞顶部向活塞销座过渡处产生应力集中，从而产生疲劳裂纹。

　　(3)活塞销和活塞销座可以相对转动，构成一对摩擦副，它们之间应有合适的间隙和良好的润滑，但它们之间的润滑条件是很不利的，首先是它们所承受的比压很大，其次是活塞销相对活塞销座的摆动角度比较小，只能靠挤压效应承载。因此，当活塞销和活塞销座间隙过大，润滑不良时，销座孔很快磨损。而间隙过小，温度升高时，又可使活塞销在销座孔内咬死，从而发生销座裂碎故障。

 

　　活塞作为柴油机的重要部件，既要保证活塞使用的可靠性，又要尽可能地延长其使用时间，节省材料费用，因此，如何对活塞的使用寿命进行正确界定，成为摆在我们面前的一个突出问题。

我们对近年来发生裂碎故障的活塞进行了统计分析。2003年，我段共完成中修机车64台，检修活塞约1 000多个，其中探伤时发现裂纹的2个，分别为1998、1999年生产的活塞，故障率仅为2％。所占比例极小。而活塞检修装车后，却接连发生活塞裂碎故障。到2004年6月底，共计发生活塞裂碎故障14件。

　　在14个裂碎活塞中，使用3年以上(2000年以前)的有13个，占总数的93％，而使用时间不足3年(2001年以后)的只有1个，只占总数的7％。

　　为什么活塞探伤时没有裂纹，而装车运用后，短期内却发生裂碎故障呢?而发生裂碎故障的活塞又多为使用3年以上的活塞呢?我们分析认为：活塞的工作条件非常恶劣，在各种复杂交变应力的作用下，活塞长时间(3年以上)使用后，其材料的强度、韧性等指标均大大降低，如果继续使用，产生疲劳裂纹的概率大大增加，且裂纹一旦产生后，发展速度很快，维持不到下一个中修即发生活塞裂碎故障。为此，2004年，经段质量委员会研究决定：使用3年以上的活塞禁止装车使用，并以段文形式下发执行。由检修车间配件组建立活塞动态记录簿，对装车活塞逐个登记，并报技术科，技术科对活塞动态严格把关，逐个校验活塞使用年限。2004年下半年至2005年8月，我段中修的机车没有发生活塞裂碎故障。

　　综上所述，我们认为：DF4型机车柴油机活塞的使用寿命为3年，按修程计算，约为2个中修期，按走行公里计算，约为60万km。