張 昭，杜冬梅，劉世英

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206;2.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

基于熱分析的活塞頭部設(shè)計(jì)規(guī)律及優(yōu)化

張 昭1，杜冬梅1，劉世英2

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206;2.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

為了得到某柴油機(jī)活塞工作過(guò)程中溫度場(chǎng)分布，并對(duì)活塞結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)。建立了活塞的模型，通過(guò)修改模型的火力岸高度，對(duì)這些模型進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬及熱應(yīng)力分析;提出了在活塞頂部開積炭槽的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步討論了不同結(jié)構(gòu)積炭槽對(duì)溫度場(chǎng)的影響。得到了工作狀態(tài)下各種結(jié)構(gòu)活塞溫度場(chǎng)沿其軸向和徑向的分布規(guī)律，并得出該活塞處于超負(fù)荷工作狀態(tài)及改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可以改善活塞溫度分布的結(jié)論。

熱應(yīng)力分析;溫度場(chǎng)分布;活塞;火力岸;積炭槽

0 引言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷強(qiáng)化，缸內(nèi)零部件的熱負(fù)荷不斷增加，尤其是活塞，工作環(huán)境最惡劣，它承受著巨大的高頻熱負(fù)荷，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，燃燒室最高溫度可達(dá)2 000℃，且活塞與燃?xì)庵苯咏佑|。在這方面研究者們進(jìn)行了廣泛的研究，陳剛［1］等通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的有限元分析，得到了活塞加載溫度和約束后的各個(gè)方向的熱應(yīng)力分布情況;孫團(tuán)［2］通過(guò)對(duì)建模后的活塞進(jìn)行熱應(yīng)力分析，分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了建議;高希彥［3］等運(yùn)用活塞組與內(nèi)燃機(jī)缸套耦合的方法對(duì)柴油機(jī)活塞組進(jìn)行了溫度場(chǎng)及熱力耦合的有限元分析，認(rèn)為應(yīng)力問題不會(huì)成為柴油機(jī)進(jìn)一步強(qiáng)化的障礙。對(duì)柴油機(jī)強(qiáng)化的主要障礙在于熱負(fù)荷的加大使得活塞的熱膨脹變形很大，對(duì)活塞的正常運(yùn)轉(zhuǎn)不利，另外，活塞環(huán)槽的溫度也是個(gè)不容忽視的大問題。王志明［4］等通過(guò)有限元分析軟件對(duì)活塞進(jìn)行了溫度場(chǎng)的計(jì)算。因此發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的熱分析顯得尤為重要，該文將對(duì)某活塞在某一工況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并進(jìn)行熱應(yīng)力分析，提出活塞頂部開積炭槽的方案并闡述了一些在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的規(guī)律。

1 活塞溫度場(chǎng)模擬

活塞結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，該文中使用硬度塞法進(jìn)行溫度測(cè)量。

圖1 活塞溫度測(cè)量布置圖

首先建好活塞模型，將對(duì)溫度場(chǎng)影響不大的部分去掉做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，由于燃燒室在活塞頂部的中心，該文使用活塞的四分之一模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)受熱零部件的溫度場(chǎng)和熱負(fù)荷進(jìn)行模擬時(shí)，一般使用第三類邊界條件。模擬時(shí)將測(cè)點(diǎn)溫度作為目標(biāo)溫度，以經(jīng)驗(yàn)值作為初始溫度，通過(guò)試湊法不斷的修改活塞受熱壁面的熱邊界條件，使模擬值逐次逼近實(shí)測(cè)值，當(dāng)模擬值達(dá)到誤差范圍以內(nèi)時(shí)，即為模擬成功，其中測(cè)點(diǎn)實(shí)際溫度和模擬值如表1所示，文中模擬在ANSYS中采用實(shí)體20節(jié)點(diǎn)六面體傳熱單元solid90，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，活塞材料為硅鋁合金，材料彈性模量設(shè)置70 GPa，泊松比0.3，熱膨脹系數(shù)2.1×10－5m/K，熱傳導(dǎo)率137 W/K。最終熱邊界條件如表2所示。

表1 模擬時(shí)用測(cè)點(diǎn)及實(shí)測(cè)溫度

表2 活塞溫度場(chǎng)模擬時(shí)最終熱邊界條件

活塞溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 活塞溫度等高線分布

活塞模型上測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值在同一坐標(biāo)系中的對(duì)比如圖3所示。實(shí)測(cè)值與模擬值基本吻合，該溫度場(chǎng)模擬溫度值除測(cè)點(diǎn)15以外誤差均在5%以內(nèi)，因此，可以作為該活塞在該工況下的模擬狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)15誤差來(lái)源有多個(gè)方面，有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，還有因?yàn)橛捕热c活塞材料熱膨脹系數(shù)不同而使其中間產(chǎn)生氣隙干擾了熱傳導(dǎo)。

圖3 活塞上測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)平均值與模擬值對(duì)比

2 溫度場(chǎng)結(jié)果分析

圖2反應(yīng)了活塞在該工況下溫度的等高線分布，從圖3中很容易看出不管是實(shí)際測(cè)量還是對(duì)溫度場(chǎng)的模擬中，活塞底部3和4點(diǎn)溫度總是低于活塞燃燒室中心點(diǎn)1和活塞頂部點(diǎn)7，這是因?yàn)槿紵覟樯瞀匦腿紵?，底部采用大圓角過(guò)渡，避免了熱應(yīng)力集中，所以降低了溫度，由圖2顯而易見，活塞頂面的溫度從活塞燃燒室中心向四周逐漸降低，而從過(guò)渡區(qū)再向外擴(kuò)展，經(jīng)燃燒室側(cè)壁到喉口部位溫度又逐漸升高，從喉口沿活塞頂徑向向外，溫度又有所降低，因?yàn)槿紵液砜诓课贿^(guò)渡角較小，熱應(yīng)力集中，故燃燒室喉口是整個(gè)活塞溫度最高的地方，工作條件最惡劣。從表1、圖2和圖3中也很容易看出，火力岸工作溫度也位居前列，所以火力岸可以做一些工作以改善其工作環(huán)境。從燃燒室頂面到第一環(huán)槽溫度急劇下降，此處由于第一道活塞環(huán)的存在將燃?xì)鈧鱽?lái)的熱量導(dǎo)入了缸套和冷卻水中，而第一環(huán)槽處溫度變化巨大，活塞側(cè)面在此又有形狀突變，形成很大的熱應(yīng)力，故第一環(huán)槽的工作條件也很糟糕，一般第一環(huán)槽溫度比燃燒室底面圓角處溫度要高［5］。

從圖2中也可以看到，燃燒室底面溫度小于其兩側(cè)的溫度，這里不僅因?yàn)橛械谝?、二道活塞環(huán)的傳熱作用，還有機(jī)油的飛濺冷卻作用，說(shuō)明機(jī)油冷卻作用效果很明顯，且不亞于活塞環(huán)的冷卻，燃燒室中心由于連桿小頭擋住了從下面噴上來(lái)的機(jī)油，故此處溫度急劇升高，使燃燒室中心突起圓角部位與活塞喉口部位成為活塞上最容易出現(xiàn)最高溫度的地方。活塞裙部較薄并且與缸套直接接觸，其熱量經(jīng)缸套傳給冷卻水帶走，同時(shí)，機(jī)油冷卻也起到很大的作用，所以活塞裙部溫度較低。

經(jīng)分析可知該活塞工作溫度偏高，最高溫度為394℃，長(zhǎng)期工作在這種工況下活塞金相組織容易發(fā)生變化，出現(xiàn)內(nèi)部缺陷、破壞活塞工作表面，當(dāng)活塞溫度超過(guò)500℃時(shí)，活塞表面可能熔化，后果將非常嚴(yán)重?；钊９ぷ鳒囟仍?80～350℃，而鋁合金的正常工作的極限溫度為375℃［6］。應(yīng)盡量使用十六烷值高的燃料、避免使發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作在低速大負(fù)荷工況，降低活塞工作溫度等。

3 改變活塞頭部結(jié)構(gòu)的討論

該文通過(guò)改變活塞火力岸高度和在原活塞火力岸上開積炭槽等，來(lái)探討這些改變對(duì)活塞溫度場(chǎng)分布的影響，從而得到關(guān)于改善結(jié)構(gòu)的一些規(guī)律。文中原活塞溫度測(cè)量使用的活塞火力岸高14 mm，改變其高度后分別為5 mm，8 mm，11 mm，17 mm，19 mm。火力岸上開槽厚度1.2 mm，高度分別為3 mm，5 mm，其結(jié)構(gòu)在圖4中示出。用與原活塞相同的熱邊界條件模擬其溫度場(chǎng)得到各模型相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的模擬溫度如表3所示。

圖4 積炭槽結(jié)構(gòu)

表3 不同結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果相應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度表 ℃

從表3中可以看到，火力岸高度由14 mm降到5 mm，火力岸溫度呈下降趨勢(shì)，但第二環(huán)岸溫度逐漸升高。原因是火力岸高度降低，燃?xì)鉁囟雀菀淄ㄟ^(guò)火力岸和第一環(huán)槽傳至第二環(huán)岸，使活塞下部分負(fù)擔(dān)了一部分熱負(fù)荷，從而降低了火力岸的受熱強(qiáng)度。由此可知，適當(dāng)?shù)慕档突鹆Π陡叨瓤梢跃徑饣鹆Π兜臒嶝?fù)荷。

活塞頭部的活塞環(huán)槽工作條件也十分惡劣，僅次于活塞頂面，尤其是活塞的第一環(huán)槽，從各結(jié)構(gòu)活塞溫度分布圖中提取的第一環(huán)槽溫度分布來(lái)看，環(huán)槽從上面經(jīng)底面到下面溫度逐漸降低，原因是在活塞作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)槽上表面與活塞環(huán)接觸，熱量經(jīng)活塞環(huán)帶至缸套經(jīng)冷卻水帶走，同時(shí)熱量向四周擴(kuò)散時(shí)一部分熱量由飛濺上來(lái)的機(jī)油帶走，故從上到下溫度逐漸降低。橫向比較活塞第一環(huán)槽的最高溫度可以看出，活塞火力岸高度從5～19 mm變化是，環(huán)槽最高溫度趨勢(shì)是從5 mm到8 mm最高溫度升高，而從8 mm到19 mm，環(huán)槽最高溫度又呈下降趨勢(shì)，原因是當(dāng)火力岸高度由很小逐漸變大時(shí)，散熱能力變差，所以溫度會(huì)慢慢升高，而當(dāng)其高度達(dá)到一定值時(shí)，通過(guò)一定截面的熱流量不變，但是熱流流向更加廣泛，如增加了火力岸與缸壁的接觸面積增加了散熱量，同時(shí)傳向活塞軸線方向的熱也會(huì)不定向傳導(dǎo)，也增加了傳熱當(dāng)量面積。綜上所述，火力岸最高溫度會(huì)出現(xiàn)如上規(guī)律。

從圖5中也可以明確的判斷該活塞在該工況下，處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，其工作狀態(tài)有待改善。若活塞第一環(huán)槽溫度超過(guò)220～230℃［7］，進(jìn)入第一環(huán)槽的潤(rùn)滑油就會(huì)變質(zhì)、碳化，使活塞粘結(jié)，失去活動(dòng)性，使環(huán)槽迅速磨損、變形，直接影響活塞組的壽命。

圖5 不同火力岸高度活塞溫度對(duì)比圖

該文通過(guò)在活塞火力岸頂部開環(huán)形積炭槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)在火力岸開高度為3 mm的槽，所起作用與使活塞火力岸高度為17 mm時(shí)效果相當(dāng)，如圖6中測(cè)點(diǎn)15到16的曲線所示，而此時(shí)活塞火力岸的機(jī)械強(qiáng)度降低也很少。而且開積炭槽可以在此處形成適量積炭吸附潤(rùn)滑油以改善活塞工作過(guò)程中的潤(rùn)滑條件。比較開槽3 mm和開槽5 mm時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)其溫度影響差距不大，后者整體溫度略低，因此，綜合考慮機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力有一個(gè)合適的開槽高度。若開槽厚度過(guò)大，會(huì)增加活塞的漏氣量，同時(shí)活塞頂面積縮小，缸內(nèi)進(jìn)氣受熱面減小，影響混合氣的蒸發(fā)、混合和燃燒，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，開槽厚度過(guò)小起不到降低活塞頂熱負(fù)荷的作用，故積炭槽有一個(gè)合適的厚度。

圖6 火力岸開槽與較高火力岸設(shè)計(jì)溫度對(duì)比圖

圖7 活塞熱應(yīng)力等高線分布

活塞在工作過(guò)程中除了受巨大的機(jī)械力沖擊，還受到很大的熱應(yīng)力，其中熱應(yīng)力占很大一部分。圖7為活塞頭部所受熱應(yīng)力的等高線分布，文中所出現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)最大熱應(yīng)力都出現(xiàn)在燃燒室底部過(guò)渡圓角處和潤(rùn)滑油道內(nèi)，但是其應(yīng)力大小遠(yuǎn)小于硅鋁合金的許用應(yīng)力，所以認(rèn)為這些結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵的受熱部件，其可靠性關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)整體的可靠性，其工作狀態(tài)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能和排放性能。該文模擬了某活塞工作時(shí)的溫度分布，并分析了出現(xiàn)該種分布的原因，得出了工作活塞的溫度分布規(guī)律，該文還進(jìn)一步提出積炭槽的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，得到該結(jié)構(gòu)可以改善活塞溫度分布的結(jié)論。但該文得到的規(guī)律是單從熱分析角度出發(fā)得到的結(jié)論，因此有待于從更全面的角度出發(fā)做出分析與計(jì)算。

［1］陳剛，趙玉奎，徐春雨．基于ANSYS的某活塞熱應(yīng)力分析 ［J］．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20(11):214-216

［2］孫團(tuán)．發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的數(shù)字建模與熱分析 ［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2008．

［3］陳霄．船用柴油機(jī)活塞瞬態(tài)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)三維有限元分析［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2013．

［4］劉曉，梁紅玉．Al－Si30活塞溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有限元分析 ［J］．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30(1)，116－119．

［5］張志勇．天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度測(cè)量及熱負(fù)荷分析［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2005．

［6］馬呈新．鋁合金活塞頭部設(shè)計(jì)及可靠性分析 ［D］．濟(jì)南:山東大學(xué)，2006．

［7］馮耀南，張翼．振蕩油腔位置對(duì)柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)的影響 ［J］．裝備制造技術(shù)，2009，6:11-13

［8］于文英．基于熱負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷柴油機(jī)活塞的結(jié)構(gòu)分析與仿真［D］．天津:河北工業(yè)大學(xué)，2012．

［9］姜明，封漢潁．基于ANSYS的內(nèi)燃機(jī)活塞－缸套耦合系統(tǒng)的傳熱模擬 ［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(6):1437-1440．

［10］余遠(yuǎn)菊．組合式活塞有限元分析 ［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2011．

［11］謝琰，明智，劉曉麗．柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究及有限元熱分析 ［J］．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2012，18(3):5-11．

Design Rules and Optimization of Piston Head Based on Thermal Analysis

Zhang Zhao1，Du Dongmei1，Liu Shiying2
(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China;2.School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China)

In order to achieve the temperature distribution of the piston on a diesel engine in the working process and improve the structure of this piston．It established the piston models with different heights of their top land，simulated their temperature fields and the distributions of their thermal stress;it also proposed to open a coke groove on the top land，made further study of the effects of different coke groove structures on the temperature field．And finally achieved the law of the temperature distribution along the axial and radial directions of the piston，reached a conclusion that this piston was in the overload condition and the structure of coke groove do good to the temperature distribution of a piston．

thermal stress analysis;temperature distribution;piston;top land;coke groove

TK422

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.014

2014－01－04。

張昭 (1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造，E-mail:18811376250@163．com。