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技术讲座 铁道机车车辆工人 第1期2008年1月 文章编号：1007-6042(2008)O1—0026—05 内燃机车柴油机动力系统关键零部件 邹稳根 (中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所 江苏常州 213011) 1 柴油机活塞 柴油机活塞、活塞环和气缸套是柴油机的心脏。活塞从制造方法而青， 有锻造与铸造之分；从材料与种类而言，主要有铝活塞、钢活塞、整体球铁活 塞和钢顶铁裙、钢顶铝裙组合式活塞等。衡量活塞的制造水平，一般有几个 方面：①活塞的可靠性(在规定的寿命内的故障率低于规定要求)；②活塞 的平均使用寿命(主要是活塞的疲劳寿命和磨损辱命)；③是否为活塞环提 供了适宜的条件(活塞温度分布、环槽与活塞环摩擦剐匹配状况)；④噪音 是否比较低(活塞横向运动产生的机械噪音和燃烧噪音)；⑤是否有助于排 放达标(燃烧状况)。根据柴油机功率和牵引特性的不同，}舌塞的材质与制 造工艺也各不相同。 由于活塞在做功时直接承受着气缸内燃气的高温、高压。因此对活塞材 料的要求是：具有足够的强度，热膨胀系数要小，导热性要高，使用中尺寸稳 定性要好，抗腐蚀性能要好，并且质量还要轻。 1．1 铝合金活塞 铝合金在现代柴油发动机中获得了广泛的应用。其突出的优点一是材 料密度小，这就使得往复运动质量的惯性力相应地减小；二是导热性高，可 使活塞顶局部温度差易于均衡，从而减小活塞顶的热应力，提高活塞的可靠 性；三是铝合金活塞可以降低与气缸壁问的磨耗。缺点是高温时强度低，线 胀系数较大，价格较高。16V240Z柴油机活塞材料选用的是经固溶与时效 处理强化的LD8(8号锻铝)。 1．2 球墨铸铁活塞 整体球铁活塞在大、中缸径的柴油机中，也是一种成熟的选择。20世 纪80年代，原铁道部戚墅堰机车车辆工艺研究所(以下简称戚所)与原铁 道部大连机车车辆厂合作，成功开发了16V240型大功率整体薄壁球铁活 塞。在日本的柴油机生产厂家中，选用整体球铁活塞的也较多。内燃机车 一 26 — 技术讲座 铁道机车车辆工人 第1期2008年1月 柴油机用合金球墨铸铁的基本化学成分和机械性能应符合相关标准的要 求。与铝活塞相比，球铁活塞的质量较大，但在设计活塞时可因热强度提高 而减小其截面。同时，因其具有较低的热膨胀系数和良好的导热性，有利于 在设计时将活塞的第一道环槽布置得较高，这样能有效降低活塞的压缩高 度，可减小活塞与气缸的间隙，从而减小柴油机的振动。 1．3 钢顶铝裙组合式活塞 活塞顶的材料推荐采用42CrMo或4Crl0Si2Mo，活塞裙毛坯采用 LD11 或LD7挤压成形，连接螺栓或双头螺柱材料采用40CrNiMoA、18Cr2Ni4WA 或经主管部门批准且装车验证的其他材料。 运行考核表明：钢顶铝裙组合活塞常见的失效模式主要有环槽过度磨 耗、活塞裙与活塞顶连接不可靠以及活塞裙疲劳裂损。后2种失效模式均 与铝裙有关。因而用于活塞裙的铝合金材料既要有较高的机械强度又应具 备优越的抗疲劳性能。 就目前而言，能满足上述要求的铝合金材料的牌号为4032锻造铝合 金。这种材料我国东北、西南某铝厂均能生产。戚所在2003年引进俄罗斯 生产的4032铝合金(简称俄铝4032)，2004年引进美国Alto公司的4032 铝合金(简称美铝4032)，以期通过对不同产地材料的研究，优选出最佳的 材料，从而确保活塞90万 km的运行寿命。通过对材料成分的比较(见表 1)，从中可以看出，国外4032材料具有明显的优势。 表1 国内外组合活塞铝合金裙4032材料化学成分与检测结果比较 (％质量分数) 标准／牌号 si Fe Cu Ni Mg Mn cr zn Ti 嬲 11~13．5 1．o 0l5 3 o．5 3 o．8 3 o 05 o．1 o．25 o．05 国产4032 11．989 0．404 0．842 0．842 0．956 0．03 0．O1 0．034 0 013 GE公司标准11—13．5 0．4 0．7—1．3 0．7～1．3 1．0—1．3 0．05 0．03 0．2 0．05 美铝4032