引言

  

图1　拆机图片

柴油机活塞与缸套和缸盖共同组成燃烧室，并将燃烧形成的气体压力传递给连杆推动曲轴旋转，实现发动机的运行，所以它是整个发动机中最关键的零部件之一。另外，顶部温度高并且分布不均匀、散热条件较差、需要承受很大的爆发压力和往复惯性力等恶劣的运行环境，也使得它成为整个发动机中工作环境最苛刻、最容易发生失效的零部件之一。造成活塞失效的原因复杂多样，有活塞设计的原因，有活塞加工的因素，也有柴油机装配、使用的因素[1-3]。本文通过对某柴油机活塞头部断裂失效的真实案例分析，并结合以往的经验对活塞头部断裂失效的机理进行梳理，也对本次活塞头部断裂失效的原因进行了探讨和验证。

1　情况说明

某132缸径V8发动机在起动过程中排气管冒白烟，检查发现冷却液进入柴油机，辅助系统高温水箱内冷却液缺失，柴油机盘不动车。随后返厂拆检发现：发动机外表面灰尘较多；对整机水路进行气密试验，发现水路存在较大漏气部位；1、2、3、4缸，除连杆轴瓦有轻微磨损外，无其他明显异常；第5缸活塞头部断裂，缸套破裂，排气门自盘部位置已断裂掉落，排气道有大量的油迹和金属碎块，轴瓦表面严重划伤；第5缸喷油器的喷油嘴被撞击损坏，其他喷油器未见异常；第6缸活塞燃烧室边缘有掉块情况，活塞燃烧室表面有异物镶嵌情况，缸内和排气道有大量乳化液；第7缸排气道锈迹较重，拆下进气平衡管，发现管内有大量的油污、冷却液及金属碎块；第8缸排气道附着较多的水珠，锈迹较轻如图1所示。

2　失效活塞描述

2.1　宏观描述

2.1.1　内冷腔、燃烧室、活塞内腔

活塞头部在第二环槽上侧面和耐磨镶圈下侧面处断裂。失效活塞燃烧室表面正常，内冷油腔颜色正常，活塞内腔无变色情况，不存在高温现象,如图2所示。

  

图2　活塞内腔、内冷腔、燃烧室

  

图3　活塞顶部

2.1.2　活塞头部

活塞头部已经断掉，断面处存在大量被异物撞击的痕迹,如图3所示。

2.1.3　活塞裙部及环岸

活塞裙部型面存在异物导致的拉伤，并有大量异物镶嵌在裙部型面上。从活塞裙部型面与缸套贴合情况来看，贴合正常，没有出现因裙部型面贴合不正常而产生的异常磨损或拉缸。

3)最后断裂区：随着疲劳裂纹的不断扩展，零部件能够承受的最大应力会越来越小，当所受应力大于零部件所能承受的最大应力时。便会产生瞬间断裂，形成疲劳断裂区。塑性材料的断裂区呈纤维状，脆性材料的断裂区呈结晶状。并且该区域反光能力较裂纹扩展区弱很多，所以颜色相对比较暗，一般呈暗灰色。

在中文语境下，美国研究的概念早就存在，它关注美国方方面面的研究，不是一个单一学科概念。外语专业的美国文学、政治学的美国政治、世界史的美国史、美国外交史、法学的美国法律、经济学的美国经济、艺术类专业的美国艺术等与美国有关的各种研究，都可纳入美国研究范畴。美国研究分属不同的学科，是一个非常宽泛的学科领域。

  

图4　活塞裙部型面及环岸

2.1.4　活塞销孔

从失效活塞销孔的接触情况来看，销孔表面有轻微划伤，但是尚未对销孔表面的黑色磷化层造成破坏,如图5所示。结合活塞失效时活塞销孔可能存在的不正常的受力情况，可以判定活塞销孔的接触情况是正常的。

2.1.5　失效断面

活塞顶面已经被异物撞击的严重变形，但是从可以得到的失效断面来看，断口新鲜、粗糙，呈灰褐色，无表面磨蚀或腐蚀的痕迹,如图6所示。

  

图5　活塞销孔表面

  

图6　活塞销孔表面

2.2　材料检测

分析活塞的失效，首先应该从活塞的设计是否合理、加工尺寸是否符合图纸要求、材料的性能是否符合相关标准和图纸的要求这三方面着手。其中材料的性能是否满足相关标准和图纸要求是重中之重，因为从原材料到毛坯的整个生产过程中，影响因素非常多，所有的检测只能是尽量减少材料缺陷[4-6]。所以对于失效分析，检测材料的化学成分和金相组织非常有必要。

2.2.1　化学成分检测

我国计划生育政策从“独生子女”到“全面二孩”的变迁历程中，最关键的政策调整出现在2005-2015年之间。通过对十年间传统媒体和新媒体的话语进行定量分析发现，新媒体时代到来后，媒体话语与政策变迁轨迹趋同，一定程度上证明了在媒介融合的背景下，媒体对计划生育政策变迁确实产生了影响效果，推动了独生子女政策走向全面二孩政策的变迁。

 

表1　活塞化学成分(%)

  

元素SiCuFeMnMg要求10．5～13．04．0～6．0≤0．7≤0．50．4～1．3实测12．025．130．330．210．72元素NiTiZnVZr要求1．75～3．5≤0．2≤0．1≤0．2≤0．2实测2．270．1170．0280．0720．1097

2.2.2　金相组织检测

以“24小时内”为标准，直到今天，不少开展医院——或转归住院，超过24小时；或延长至48小时；或平均出院时长在18小时～24小时间；或需要过夜——在因种种因素难以彻底实现的情况下，中心将日间手术标准严格卡定，并通过开展以麻醉医生为主导的围术期管理模式，缩短术后恢复时间，加强患者安全保障的同时，严格确保每一例患者，尤其是小儿患者的“不过夜”出院。

在金相显微镜下，观察活塞材料的显微组织,如图7所示。α-固溶体较细，共晶硅、合金相呈小条状、小块状，初晶硅呈小块状，分布比较均匀。根据设计要求、图纸以及相关标准的要求，材料的金相合格。

  

图7　显微组织

3　断裂失效的机理简析

对于铝合金活塞的断裂失效，一般主要从疲劳断裂和过载断裂这两个方面进行分析。这两种断裂方式有着明显的区别，如表2所示。

 

表2　疲劳断裂和过载断裂对比[7]

  

疲劳断裂过载断裂所受应力幅小于材料能承受的应力所受应力幅大于材料能承受的应力断裂是局部损伤累计的结果断裂几乎是瞬间发生的断口表面光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区断口粗糙、新鲜，表面无磨蚀或腐蚀痕迹，颜色发暗无明显塑性变形韧性材料塑性变形明显，脆性材料变形不明显应力集中对寿命影响大应力集中对极限承载能力影响不大

3.1　疲劳断裂

疲劳断裂是在材料所受的应力幅小于其能承受的最大应力的情况下，并在足够多的扰动载荷作用之后，从高应力或高应变的局部开始形成微裂纹，然后在扰动载荷继续作用下，裂纹进一步扩展，直至到达临界尺寸而发生完全断裂[7]。

裂纹起始或萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展 (断裂)是疲劳断裂必经的三个阶段。与之相对应的裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区成为疲劳断裂断口的三个主要组成部分。

1)裂纹源：疲劳伴随着零部件的投入使用而开始，使用足够长的时间之后，在高应力和高应变部位就会产生微裂纹，然后形成疲劳裂纹的核心—裂纹源。裂纹源是零件疲劳破坏的起始点，一般是一个，也可以有多个，并且用肉眼很难看到。

综合上述分析，民乐矿区与成矿相关的英安斑岩成岩年龄为228±56 Ma～220.79±1.02 Ma，流纹斑岩的形成年龄234.8±2.4 Ma，辉铜矿矿石的成矿年龄为220 Ma(黄震，2005)，其成矿年龄总体与矿区火山岩、英安斑岩的成岩年龄一致，指示英安斑岩的成岩时代和矿床成矿时代属于同一时期。

2)疲劳裂纹扩展区：铝合金活塞疲劳失效的断面一般呈贝壳纹状的发散状态。往往因为使用工况不同以及所受载荷不同，造成裂纹的扩展速率也不相同，这样就在断面上留下明暗相间的条带，就象海水退离沙滩后留下的痕迹一样，所以称这些条带为“海滩条带[7]”，它们记录了疲劳裂纹不断扩展的过程。在裂纹扩展阶段，裂纹的两个表面不断地张开、闭合，相互摩擦产生磨蚀，使得断口较为光滑、平整，有时也会使“海滩条带”变得不太明显。疲劳裂纹扩展一般会持续较长的时间，所以断面受工作环境的影响，常常会留下腐蚀的痕迹。

作者简介：郭强，男，吉林德惠人，德惠市菜园子镇中心小学，主任室，教师，小学一级教师，专科学历，研究方向：小学数学教学。

从活塞裙部短轴方向和剩余的活塞环岸与缸套的贴合情况看，未发现任何异常,如图4所示。

3.2　过载断裂

过载断裂是指材料所受应力幅大于材料能承受的应力时，所产生的断裂。从宏观上看，过载断裂可以分为脆性断裂和韧性断裂[8]。

韧性断裂过程中，断口处会产生明显的宏观塑性变形，并且用肉眼或者放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状。纤维状是变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色则是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。

脆性断裂是指材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程。其断口一般呈放射状或结晶状，并且因为反光能力较弱，断口呈暗灰色。

4　失效原因分析

4.1　初步分析

根据活塞的失效现象和使用情况可做出如下分析：

通过光电光谱仪对材料的化学成分进行检测。检测结果显示材料的化学成分完全符合相关标准的要求,如表1所示。

3)严控发动机关键零部件的生产工艺流程，减少铸造、加工缺陷，减少高应力区的存在；

2)从活塞裙部贴合及环岸的接触情况来看，都比较理想，所以可以排除活塞型线不合理或活塞外圆加工不合格引起拉缸最终导致的断裂失效；

[1] 张炜，陈林祥. 高比功率柴油机活塞失效分析[J]. 车用发动机，2000(6)：38-39+41.

建设单位必须建立健全质量检查制度。作为水利工程的第一负责人，业主必须能够加强水利施工质量检查制度的建设，促使水利工程质量检查、复核和认可的有效实现。这既对保证业主合法利益非常有利，同时也有效地促使业主对水利工程质量管理方法的改善，对水利工程合法效益的实现具有非常重要的作用。工程建设主体的业主单位要采取力量，对工程建设质量按照有关制度要求进行监督检查和管理，切实负责起建设工程质量的监管作用，对工程的质量进行科学合理的管理，使水利施工质量的管理得以有效提高。

3)从断裂面和断裂的失效机理分析，断口粗糙、新鲜，且反光能力较弱，呈暗灰色，无被磨蚀或腐蚀的痕迹。断口呈现出来的是过载断裂的痕迹，无疲劳断裂的迹象。

4)从理化分析报告来看，材料成分及金相均合格，排除因材料问题导致的断顶失效。

综合以上分析，结合拆机过程气门、喷油嘴、缸套的破损情况，可以初步判定为由于活塞和气门碰撞[9](俗称撞气门)引起的活塞顶部的断裂。

4.2　深入分析

失效分析的主要目的就是要找到失效的根本原因，然后有针对性的进行优化和改进，进一步提高柴油机的可靠性。因此进一步深入的分析导致撞气门的根源非常有必要。

导致活塞撞气门的原因[9]一般有以下几种：

1)从活塞加工方面分析，活塞压缩高大于设计值、活塞销孔直径大于设计值、活塞顶部避阀坑比设计值浅等。

2)从活塞销、连杆方面分析，活塞销直径小于设计值、连杆小头销孔直径大于设计值、连杆大头螺栓连接松动等。

3)从气门角度分析，气门扣瓦脱落、气门弹簧失效、气门长度大于设计值、阀盘大于设计值、阀盘断裂掉落[10]等。

4)从人工操作的分析[11]，空载时突加油门导致转速瞬间增高、突卸大负荷出现的发动机超速、配气正时调整不合理等。

经过对拆机现场的仔细观察，以及对柴油机操作人员整个操作过程的了解和分析。最终判断活塞撞气门导致活塞顶部断裂失效的根本原因是柴油机维护保养不及时，调速器上灰尘、油泥较多，导致调速器反应迟滞，并且在柴油机启动过程中油门过大、发动机转速过高，然后导致气门负荷瞬间增大，造成右侧进气门颈部发生疲劳断裂[12-13]。

右侧进气门失效，最终导致其他三个气门失效，活塞头部断裂，喷油器被撞击损坏，缸套破裂。并且由于气门不能正常关闭，因此部分渗漏进气缸内的冷却液和撞击产生的部分金属颗粒进入排气管道，并随气流进入第6、7、8缸。第6缸因为大量金属颗粒冲击活塞，造成活塞最薄弱的燃烧室边缘部位产生掉块，掉块撞击缸盖火力面产生撞击痕迹，并引起拉缸。由于重力作用，7、8缸进入的金属颗粒和冷却液相对较少，所以这两个气缸的损坏程度依次相对较小，仅在排气管部位有金属颗粒残留和在缸套、排气管产生锈迹。

另外因为5、6、7、8缸使用的是同一套进排气管道，1、2、3、4缸共同使用另外一套进排气管道，所以这次主要对5、6、7、8缸造成比较大的损坏，对1、2、3、4缸除连杆轴瓦造成轻微磨损之外，没有造成其他影响。

5　改进措施

根据活塞的设计生产情况，柴油机的使用情况，以及本次失效的分析结果，建议采取以下措施防止或减少此类失效再次发生：

政治学科的生命和灵魂就是理论联系实际。时政热点的讲解不仅可以使学生了解国家大政方针和政治原理，提高分析问题的能力和明辨政治是非的能力，更重要的是能培养学生理论联系实际的能力，从而学会运用理论去分析国内外重大的政治、经济现象、国家的方针政策等。现在高考试题突出以时政热点为背景设置新材料和新情境，考查学生多层次、多角度分析和解决问题的能力。例如，2017年全国卷Ⅱ第38题考查了大背景“供给侧结构改革”下的玉米收储制度，从经济和政治的层面考查政府和公民的应对举措。如果在平时的教学中，我们注意贯穿此热点并进行全方位、多角度的练习的话，这道题的6分应该是比较轻松就能拿到的。

1)全面分析右侧进气门疲劳断裂原因[14]；

学习、讲课、酿酒，与小伙伴们打造有趣的酒庄，酿出好玩的酒，并拿下HKIWSC的银奖、WINE100的铜奖……但对于这个2018，戴鸿靖只愿给自己80分，他说：“需要知足，也需要给自己压力。所以80分。”而对于即将开启的2019，他则表示：“好朋友在Napa开启了酿酒项目。希望2019年可以更深入地看到、经历到顶级葡萄酒是如何打造的。希望可以在考试上专注一点，有所得。希望可以把酿酒做成一定规模和体量，可以支撑我把更多时间用在酿酒上。”

2)对关键零部件的设计一定要合理，尽量减少高应力区的存在；

一楼的老爷爷坐在自家的阳台上，阳台前的一小块空地上，没有了以前的几坛花草。老爷爷的老伴儿是院子里人人都敬而远之的人物，也许她唯一可取的地方就是她侍弄的几坛花了。其中茶花开得尤其好，阳台前的一小块空地上整整齐齐地摆放了几坛，空旷的空地因此多了几分活力。

1)失效发生在正常装机期间，活塞内腔、内冷油道、燃烧室无高温变色情况，可以排除活塞因异常高温导致顶部烧蚀最终导致顶部拉断；

5)尽量减少能够使发动机突增负荷和转速的操作；

西双说，那简单，现在就可以还你。他将手里的借条折一下，再折一下，然后展开，问罗衫，是不是三等分？罗衫莫名其妙地看着他，搞不懂他接下来会有什么名堂。西双嗤地从借条上撕下一绺，弹一下，甩给罗衫，说，三万块钱的三分之一，正好一万，还你。

4)规范并严控发动机的装配工艺流程，避免因为装配不当引起的发动机运行故障；

6)及时的维护保养，特别是在恶劣环境中使用的柴油机，更应该增加维护保养的频次。

6　结束语

发动机活塞顶部与高温高压燃气直接相接触，工作环境十分恶劣，并且铝合金活塞的强度与发动机其他零部件比起来相对较弱，所以导致活塞成为发动机中最容易发生失效的部位之一。活塞的失效有其本身的原因也有柴油机使用方面的因素。所以研究活塞失效，不能仅仅从活塞单个零部件的层面上分析，而更应该结合与活塞配套的其他零部件以及整机的使用情况来等方面来全面的分析。找到失效的根本原因，然后进一步优化设计，保证严格的加工工艺，正确的装配，合理的使用，以及对柴油机进行良好的维护和保养，才能有效的避免活塞失效的发生。

参考文献：

Prediction of karst groundwater pollution by a chemical plant based on GMS simulation CHEN Fei XU Shi-guang HUANG Jian-guo et al.(81)

[2]秦朝举，原彦鹏. 活塞顶部失效的原因分析与改进[J].煤矿机械，2012，33(10): 180-181.

[3]王延亮，陈华，等. 发动机不正常燃烧引起的活塞失效模式简析[J]. 内燃机配件，2007(5)：27-30.

[4]梅华生，肖勇，李荣强，等. 内燃机铸造铝合金活塞失效分析[J]. 精密成型工程，2017，5(4)：:60-63.

[5]胡俊杰，侯艳. 铸造铝合金活塞失效分析[J].漯河职业技术学院学报，2015，14(2)：35-36.

[6]王延亮. 活塞顶部开裂失效分析[J]. 内燃机与动力配件，2013(6)：40-41.

[7]陈传尧. 教育部面向21世纪推荐教材：疲劳与断裂[M].武汉:华中科技大学出版社，2002.

[8]钟培道. 断裂失效分析[J]. 理化检验：物理分册，2005，41(7)：375-378.

[9]吴福云. 柴油机活塞失效原因分析[J]. 西部探矿工程, 2006(12)：235-236+242.

40年前，改革开放的号角如春雷般响彻中华大地，惊醒了沉睡中的东方，让神州大地迸发出勃勃生机，开辟了中华民族由站起来走向富起来、强起来的复兴之路。

[10]赵新. 内燃机气门失效的原因探析[J]. 内燃机与动力装置，2006(3)：54-56.

[11]王文修. 气门失效外部原因的探讨[J]. 内燃机配件，2000(6)：22-25.

[12]陈宏，丁艳，王明章，季永会. 高速柴油机气门失效分析与改进[J].柴油机，2012，34(3)：48-51+58.

[13]李建平，黄文长，陈云华. 某型发动机气门失效分析与改进[J].汽车科技，2003(6)：32-34.

其中D1=a,D2=a2-bc,D3=a3-2abc+dc2.特别地，若d=0,则Dn为三对角行列式,满足Dn=aDn-1-bcDn-2.

[14]郭秀. 发动机气门颈部失效原因分析与对策[J].内燃机与配件，2012(7)：43-45.