李江南，蘇增榮，張洋洋，邵 清，李永剛，張冬生

活塞冷卻噴嘴裝配技術(shù)研究

李江南，蘇增榮，張洋洋，邵 清，李永剛，張冬生

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

活塞冷卻噴嘴是發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零部件，其自身的加工質(zhì)量及裝配精度直接影響活塞的可靠性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命具有十分重要的作用。為了提前辨識(shí)活塞冷卻噴嘴可能存在的加工質(zhì)量問(wèn)題及裝配精度問(wèn)題，文章從噴嘴打靶、定位結(jié)構(gòu)及裝配工藝控制等方面進(jìn)行分析，研究了一種直觀、準(zhǔn)確的活塞冷卻噴嘴裝配方法，可在裝配階段有效識(shí)別可能存在的加工質(zhì)量問(wèn)題以及裝配精度問(wèn)題，能大大減少因活塞冷卻不足導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸問(wèn)題。

活塞冷卻噴嘴；發(fā)動(dòng)機(jī)零部件；裝配精度；加工質(zhì)量

在經(jīng)濟(jì)全球化日益深入的時(shí)代背景下，全球各國(guó)間的經(jīng)貿(mào)往來(lái)越來(lái)越密切，制造類(lèi)企業(yè)迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇，隨之而來(lái)的是愈發(fā)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力。各發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)為了保持自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不斷加大在低排放、燃油經(jīng)濟(jì)性等方面的研究投入。為了追求更高的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性且需要滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要零部件，其機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷越來(lái)越高，如果未進(jìn)行有效冷卻，將直接導(dǎo)致一系列問(wèn)題，如活塞頂面因過(guò)高而熔頂、活塞與氣缸套燒結(jié)、機(jī)油結(jié)焦導(dǎo)致活塞環(huán)卡死等，活塞熱負(fù)荷失效故障如圖1所示。

(a) 頂部燒蝕 (b) 燃燒室邊緣熱裂 (c) 拉缸

對(duì)活塞進(jìn)行有效的冷卻是保證活塞正常工作的前提[1-6]，活塞的冷卻方式目前主要分為兩大類(lèi)：無(wú)噴油冷卻（空氣自然冷卻）、有噴油冷卻，而有噴油冷卻常用的方式分3種，即自由噴射冷卻、振蕩冷卻、帶內(nèi)冷油腔的振蕩冷卻[7-8]。圖2為帶內(nèi)冷油腔的振蕩冷卻方案，該種方案的內(nèi)冷油腔布置在活塞頭部，然后由布置在機(jī)體上的活塞冷卻噴嘴將機(jī)油高速?lài)娙牖钊撞康膬?nèi)冷油腔內(nèi)，達(dá)到活塞冷卻的目的[9-10]?；钊ぷ鲿r(shí)，機(jī)油湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，會(huì)強(qiáng)化機(jī)油與活塞內(nèi)冷油腔的傳熱效果，可有效降低活塞頂部和活塞環(huán)岸的溫度。這種冷卻方式機(jī)油與活塞內(nèi)冷油腔壁面接觸時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)油利用率較高，活塞冷卻效果更好。

圖2 帶內(nèi)冷油腔的振蕩冷卻方案

因?yàn)榛钊睦鋮s效果取決于活塞冷卻噴嘴是否按設(shè)計(jì)要求加工及裝配，因此，本文對(duì)活塞冷卻噴嘴的裝配技術(shù)進(jìn)行研究，以保證活塞冷卻噴嘴與活塞內(nèi)冷油腔準(zhǔn)確對(duì)中，從而最終保證活塞的冷卻效果。

1 噴嘴打靶試驗(yàn)

為檢驗(yàn)噴嘴是否按圖紙要求加工，噴嘴在裝機(jī)之前需要先在噴嘴打靶試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行打靶試驗(yàn)（試驗(yàn)臺(tái)組成見(jiàn)圖3），在設(shè)定機(jī)油溫度下檢測(cè)噴嘴的開(kāi)啟壓力、設(shè)定機(jī)油壓力下的噴嘴流量以及打靶效率。該種方式雖然無(wú)法真實(shí)模擬活塞實(shí)際運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)的打靶狀態(tài)，但作為一個(gè)裝機(jī)前的重要檢測(cè)項(xiàng)目，可以提前識(shí)別加工誤差大的活塞冷卻噴嘴，及時(shí)剔除那些打靶效率低及有效流量低的活塞冷卻噴嘴，避免因冷卻不充分而影響活塞壽命。

圖3 打靶試驗(yàn)臺(tái)組成

某機(jī)型活塞冷卻噴嘴的設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力為（150±20）kPa，設(shè)計(jì)關(guān)閉壓力≥100 kPa，壓力機(jī)油壓力為400 kPa時(shí)的設(shè)計(jì)流量為（28±1）L/min，且打靶噴入12孔時(shí)打靶效率＞75%。為了提前評(píng)價(jià)活塞冷卻噴嘴的實(shí)際加工情況，本文選取18個(gè)活塞冷卻噴嘴在打靶試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，表1為該批噴嘴的實(shí)際打靶數(shù)據(jù)，從表1的數(shù)據(jù)可以看出所有噴嘴的實(shí)際流量、實(shí)際開(kāi)啟壓力、實(shí)際關(guān)閉壓力均滿(mǎn)足圖紙要求，但部分噴嘴的打靶效率低于設(shè)計(jì)要求75%，需要在裝機(jī)前剔除掉打靶效率低于設(shè)計(jì)要求的噴嘴。

表1 某機(jī)型活塞冷卻噴嘴打靶數(shù)據(jù)

2 活塞冷卻噴嘴定位結(jié)構(gòu)分析

某機(jī)型的活塞冷卻噴嘴的定位結(jié)構(gòu)采用定位空心螺栓+圓柱銷(xiāo)來(lái)定位，噴嘴體安裝孔尺寸為18.6（+0.05，+0.20）mm，而空心螺栓定位處尺寸為（18.5±0.06）mm，如圖4所示，兩者為間隙配合，理論配合間隙為0.09 mm～0.36 mm；圓柱銷(xiāo)尺寸為6m6，而噴嘴體上銷(xiāo)孔尺寸為（6.15±0.1）mm，兩者也為間隙配合，理論配合間隙為0.038 mm～0.156 mm。兩者的間隙疊加后，噴嘴裝配時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確定位，造成的直接影響是噴嘴裝配一致性較差。

圖4 原始活塞冷卻噴嘴尺寸

為了改進(jìn)活塞冷卻噴嘴的定位問(wèn)題，將噴嘴體安裝孔尺寸減小為18.5（+0.06，+0.17）mm，如圖5所示，兩者理論配合間隙減小為0 mm～0.26 mm；噴嘴體上安裝圓柱銷(xiāo)處由銷(xiāo)孔改為長(zhǎng)槽，同時(shí)兩者理論配合間隙減小為0 mm～0.118 mm。

經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，改進(jìn)配合間隙后的活塞冷卻噴嘴裝配一致性明顯改善，調(diào)整次數(shù)減少，單臺(tái)機(jī)器噴嘴裝配時(shí)間由原來(lái)的8 h縮短至2 h，裝配效率提升75%。

3 活塞冷卻噴嘴裝配及評(píng)價(jià)

為了更真實(shí)地模擬活塞工作時(shí)與活塞冷卻噴嘴的對(duì)中情況，可先將活塞冷卻噴嘴按工藝要求擰緊到機(jī)體上，盤(pán)車(chē)使活塞盡量靠近上止點(diǎn)附近，此時(shí)活塞冷卻噴嘴與活塞距離最遠(yuǎn)，此情況最為苛刻。通過(guò)油管將噴嘴與預(yù)供油泵連接后，啟動(dòng)預(yù)供油泵，這時(shí)機(jī)油從機(jī)油箱流過(guò)機(jī)油濾清器后進(jìn)入預(yù)供油泵，最后通過(guò)油管進(jìn)入活塞冷卻噴嘴內(nèi)，當(dāng)機(jī)油壓力達(dá)到噴嘴的設(shè)計(jì)開(kāi)啟壓力時(shí)，機(jī)油從噴嘴噴出，并進(jìn)入活塞底部的內(nèi)冷油腔內(nèi)，此時(shí)通過(guò)高速攝像機(jī)或者人眼觀察活塞底部的內(nèi)冷油腔入口處狀況，工作原理如圖6所示。

圖6 工作原理圖

圖7 裝配合格的噴嘴

噴嘴裝配合格與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)：正常情況下合格的活塞冷卻噴嘴射出的機(jī)油束會(huì)完全噴入活塞底部的內(nèi)冷振蕩油腔內(nèi)，無(wú)機(jī)油飛濺的情況（見(jiàn)圖7）；異常的活塞冷卻噴嘴噴射出的機(jī)油束偏離了活塞底部的內(nèi)冷振蕩油腔，部分油束噴到了活塞油孔旁邊的壁面上或者活塞底部（見(jiàn)圖8），此時(shí)可松開(kāi)活塞冷卻噴嘴上的空心螺栓，根據(jù)剛才觀察的機(jī)油束偏離情況反方向調(diào)整噴嘴，重新進(jìn)行對(duì)中檢查操作，直至機(jī)油束完全噴入活塞底部的內(nèi)冷振蕩油腔內(nèi)。

圖8 裝配不合格的噴嘴

4 結(jié)論

本文從打靶試驗(yàn)、優(yōu)化噴嘴定位結(jié)構(gòu)、噴嘴裝配評(píng)價(jià)等方面，對(duì)活塞冷卻噴嘴的裝配技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要結(jié)論如下：

（1）借助打靶試驗(yàn)臺(tái)對(duì)噴嘴的設(shè)計(jì)符合性進(jìn)行評(píng)價(jià)，可極大地減少不合格噴嘴誤裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）通過(guò)優(yōu)化活塞冷卻噴嘴的設(shè)計(jì)，合理減小噴嘴的配合間隙，以此來(lái)減少?lài)娮彀惭b時(shí)的調(diào)整次數(shù)，可極大地提高噴嘴的裝配效率。

（3）通過(guò)裝配時(shí)采用預(yù)供油泵在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行實(shí)際打靶，可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)噴嘴與活塞的對(duì)中情況，減少因冷卻不充分導(dǎo)致的一系列活塞故障。

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Research on Assembly Technology of Piston Cooling Nozzle

LI Jiangnan, SU Zengrong, ZHANG Yangyang, SHAO Qing, LI Yonggang, ZHANG Dongsheng

( Weichai Power Company Limited, Weifang 261061, China )

Piston cooling nozzle is the key part of the engine, its own machining quality and assembly accuracy directly affect the reliability of the piston, and it has a very important role in the life of the engine. In order to identify the possible machining quality problems and assembly accuracy problems of piston cooling nozzles in advance, an intuitive and accurate assembly method of piston cooling nozzles is studied from the aspects of nozzle shooting, positioning structure and assembly process control, which could effectively identify the possible machining quality problems and assembly accuracy problems in the assembly stage. lt can greatly reduce the problem of engine cylinder pulling caused by insufficient piston cooling.

Piston cooling nozzle; Engine parts; Assembly accuracy; Quality of processing

U464

A

1671-7988(2022)24-90-04

U464

A

1671-7988(2022)24-90-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.016

李江南（1987—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，E-mail:lijiangn@weichai.com。