内燃机的不断发展,从根本上说是建立在主要零部件性能不断提高和使用寿命不断延长的基础上的。活塞是柴油机工作条件最苛刻的部件之一,它在高速往复运动中传递着整个柴油机的原动力,承受着极高的机械负荷和热负荷。可靠性考核试验表明,活塞是影响柴油机性能指标和使用寿命较为薄弱的部件,是制约柴油机进一步强化的瓶颈之一。活塞设计的好坏、加工精度的高低都会直接影响柴油机的经济性、可靠性、检修周期和使用寿命。G300系列柴油机为四冲程中速柴油机,1976年首次由国家四部一院联合开发出来,广泛运用于船用主机、陆用发电机组,历经近40多年的改型提高,目前朝着提高功率、降低能耗、可燃用重油和寿命大于20,000h的发展。现在由无锡柴油机厂和宁波中策动力机厂主导生产的该G300柴油机,占据国产船用主机80%的市场份额和电站国产柴油机的40%市场份额,保有量可观。针对强化型船用G300柴油机的发展对活塞提出的要求,本文以提高柴油机输出功率和燃烧性能、减轻活塞重量、降低能耗和增加重油适用性为开发目标,在活塞结构设计、材料选择、工艺保证等方面开展研究工作,运用理论计算、试验分析和疲劳可靠性评估等方法对新开发的G300组合活塞进行了全面评价,具体工作内容有:1)重新设计活塞结构。活塞结构形式从一体式整体球墨铸铁活塞改为两体式钢顶球铁裙组合活塞,活塞环槽数量由5道减少为4道,活塞重量减轻6.9%。依据工程经验规范,对新设计活塞的影响结构强度的关键结构要素壁厚做了评判确定,规避了活塞失效风险。2)通过UG造型和MSC MARC的有限元计算,完成了新设计活塞的考虑接触影响的热应力和机械应力分析,得出了活塞温度场分布、活塞变形及其各种工况条件下的动态安全系数均满足设计要求的结论。3)为考察新设计活塞的运动性能,利用AVL GLIDE进行了活塞运动分析和接触分析,结果显示活塞运行平稳,接触情况正常。4)采用电阻应变法测试了新设计制造活塞在各种模拟工况条件下的静强度,结果表明静强度安全系数满足工作安全系数设计要求。5)采用硬度塞法对活塞温度场进行了测定,测试结果与有限元计算结论基本吻合,验证了理论计算的准确性。6)根据计算确定的球铁活塞裙铸件危险部位,采用应力-强度干涉模型,对球铁活塞裙进行了可靠性评估,得出了新设计活塞安全运行20,000h可靠度大于0.99999的结论。运用情况显示,研制的强化型船用G300柴油机组合活塞是成功的。设计和制造技术的发展,使得活塞产品更新换代的周期明显缩短,需要不断研制出高可靠性、高性能的活塞以满足柴油机高强化指标、高燃油经济性和低油耗、低排放的发展趋势。