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NY6280ZJB柴油機(jī)氣缸套熱-機(jī)耦合分析

羅威，張偉華，胡俊

（南車玉柴四川發(fā)動(dòng)機(jī)股份有限公司，資陽641301）

摘要介紹了NY6280ZJB柴油機(jī)氣缸套分別在機(jī)械載荷、熱載荷、熱-機(jī)耦合下的應(yīng)力應(yīng)變情況，得出熱載荷對氣缸套的應(yīng)力影響尤為顯著，不可忽略；并且最大應(yīng)力通常發(fā)生在凸肩位置處，在使用過程中易發(fā)生凸肩處裂紋危險(xiǎn)；為氣缸套的設(shè)計(jì)或改型升級提供了理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)氣缸套有限元熱-機(jī)耦合

來稿日期：2014-11-26

1　概述

NY6280ZJB型柴油機(jī)是根據(jù)我公司2014年新產(chǎn)品研制計(jì)劃要求，自主設(shè)計(jì)開發(fā)的低油耗、低排放、高可靠性的新一代節(jié)能環(huán)保型機(jī)車柴油機(jī)。其標(biāo)定功率為1 900 kW，裝車功率為1 850 kW。該型柴油機(jī)主要用作鐵路運(yùn)輸2 500 kW混合動(dòng)力機(jī)車及調(diào)車兼小運(yùn)轉(zhuǎn)電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車動(dòng)力裝置，稍作改動(dòng)也可作為陸用發(fā)電機(jī)組及船舶動(dòng)力裝置。

氣缸套是柴油機(jī)的一個(gè)重要、易損部件，與活塞、氣缸蓋等共同組成了柴油機(jī)的燃燒室，并為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用。本文分析了NY6280ZJB柴油機(jī)氣缸套分別在機(jī)械載荷、熱載荷、熱－機(jī)耦合下的應(yīng)力應(yīng)變情況，為氣缸套的設(shè)計(jì)或改型升級提供理論指導(dǎo)。

2　氣缸套結(jié)構(gòu)及工作狀況

NY6280ZJB柴油機(jī)氣缸套為濕式、帶減磨環(huán)氣缸套，為合金鑄鐵離心澆鑄，缸孔內(nèi)壁表面采用感應(yīng)淬火、并作平臺(tái)珩磨處理。通常將氣缸套、活塞、連桿、活塞銷、氣缸蓋作為作功單元，即將這些部件作為一個(gè)整體拆卸、安裝。氣缸套的上面部分是一個(gè)支承法蘭，氣缸套擱置在機(jī)體頂板的座孔中，使得氣缸蓋通過低碳密封墊圈壓緊在支承法蘭面上，從而使氣缸套的上端固定不動(dòng)，氣缸套的下部有凸肩使其固定在機(jī)體上。凸肩以下部位深入到機(jī)體中，受熱后可沿軸向自由向下膨脹。濕式氣缸套外表面與冷卻系統(tǒng)所形成的冷卻水腔上部由壓緊的法蘭予以密封，下端則用密封圈與機(jī)體保持密封。

柴油機(jī)工作時(shí)，氣缸套內(nèi)壁承受燃料燃燒產(chǎn)生的高溫，外壁面卻被冷卻水包圍，如此大的溫差及瞬時(shí)爆發(fā)壓力使得氣缸套產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力?；钊突钊h(huán)對氣缸套的滑動(dòng)摩擦和側(cè)壓力，使得氣缸套產(chǎn)生磨損和變形。此外，氣缸套還要承受螺栓預(yù)緊力。

3　NY6280ZJB柴油機(jī)氣缸套載荷計(jì)算

3.1柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

NY6280ZJB柴油機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示，標(biāo)定工況下的示功圖如圖1所示，最大爆發(fā)壓力為17.4 MPa。

表1　NY6280ZJB柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1　NY6280ZJB柴油機(jī)示功圖

3.2柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算

研究氣缸套工作過程中的受力情況，主要是為了闡明氣缸套在受到的各種力作用下的變形，對氣缸套的強(qiáng)度、剛度、磨損等進(jìn)行分析，從而為提高氣缸套的使用壽命和對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持[1]。

根據(jù)示功圖得出的最大爆發(fā)壓力，發(fā)生在曲軸轉(zhuǎn)角13℃A位置，其最大值為17.4 MPa。根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到此時(shí)的氣缸套側(cè)壓力為54.36 kN，活塞上止點(diǎn)位移為4.8 mm。

4　NY6280ZJB柴油機(jī)氣缸套有限元計(jì)算

4.1氣缸套預(yù)緊力工況下的分析

根據(jù)氣缸套內(nèi)徑，計(jì)算出氣缸蓋受到爆發(fā)壓力時(shí)的氣體作用面積為6.6 dm2。為了減小各部分的負(fù)荷情況，根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊（上）》規(guī)定單體式氣缸蓋的螺栓預(yù)緊力可以選取為最大爆發(fā)壓力的2.5~3倍。這里選取最小值，即為氣體最大爆發(fā)壓力的2.5倍。通過計(jì)算，其等效壓強(qiáng)為43.5 MPa，氣缸蓋上的氣體壓力為2.87 MN，該力在柴油機(jī)不工作時(shí)就是作用的氣缸套上的螺栓預(yù)緊力。

在螺栓預(yù)緊力工況下氣缸套的應(yīng)力云圖如圖2所示。從圖中可以看出，在螺栓預(yù)緊力工況下氣缸套所受最大應(yīng)力發(fā)生在凸肩位置，為335.7 MPa。氣缸套在螺栓預(yù)緊力工況下的應(yīng)變云圖如圖3所示。從圖3可見最大變形發(fā)生在氣缸套頂面，變形量為0.208 mm。

圖2　氣缸套在螺栓預(yù)緊力工況下的應(yīng)力云圖

4.2氣缸套熱分析

對氣缸套進(jìn)行熱分析時(shí)，需結(jié)合傳熱學(xué)中對傳熱問題的研究成果。通過分析比較，運(yùn)用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式確定氣缸套不同位置的換熱邊界條件，對其進(jìn)行熱分析。

要對氣缸套的邊界條件進(jìn)行明確的理解，需結(jié)合其二維簡圖進(jìn)行詳細(xì)說明[2]，如圖4所示。

（1）AB段（活塞下止點(diǎn)以上部分）邊界條件：與燃?xì)庵苯咏佑|，采取第3類邊界條件進(jìn)行計(jì)算。

圖3　氣缸套在螺栓預(yù)緊力工況下的應(yīng)變云圖

圖4　氣缸套二維簡圖

（2）BC、CD、DE段（活塞下止點(diǎn)以下部分）邊界條件：不與燃?xì)饨佑|，換熱量很小，采取第1類邊界條件進(jìn)行計(jì)算；取固定溫度70℃。

（3）EF段邊界條件：EF段為冷卻水密封部位，與機(jī)體間隙配合，采取第3類邊界條件進(jìn)行計(jì)算；換熱系數(shù)取115 W/(m-2·℃)。

（4）FG段邊界條件：該段與冷卻水直接接觸，其換熱系數(shù)等于冷卻水的放熱系數(shù)，為3 000 W/(m-2·℃)，冷卻水溫70℃。采取第3類邊界條件進(jìn)行計(jì)算。

（5）GH段邊界條件：GH為與機(jī)體接觸部位，傳熱系數(shù)由缸套和機(jī)體間的熱阻決定，采取第3類邊界條件進(jìn)行計(jì)算；換熱系數(shù)取116 W/(m-2·℃)。

（6）HI段及IA段邊界條件：采取第3類邊界條件進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，換熱系數(shù)分別為取4 652 W/(m-·2℃)和116 W/(m-·2℃)。

按照上文所述邊界條件及材料屬性對氣缸套進(jìn)行熱分析[3]，得到其溫度分布云圖如圖5所示。從圖5可以看出氣缸套在工作過程中最高溫度發(fā)生在活塞內(nèi)壁面，最高溫度為340.8℃。

圖5　氣缸套溫度分布云圖

4.3最大爆壓力工況下氣缸套熱-機(jī)耦合計(jì)算

最大爆發(fā)壓力在氣缸套內(nèi)壁的作用位置為當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)時(shí)距離氣缸套頂面的距離加上活塞位移。柴油機(jī)在工作時(shí)，作用在氣缸套的螺栓預(yù)緊力等于螺栓預(yù)緊力減去最大爆發(fā)壓力作用于氣缸蓋的等效值，即43.5 MPa減去17.4 MPa，將所得的結(jié)果乘以氣缸套內(nèi)圓的面積得到作用于氣缸套的力為1 722 kN。氣缸套在螺栓預(yù)緊力、最大爆壓力、側(cè)壓力、熱載荷耦合作用下的應(yīng)力云圖如圖6所示。從圖6可見，最大應(yīng)力發(fā)生在氣缸套凸肩位置，數(shù)值為604.4 MPa。

氣缸套在最大爆壓力工況下的熱-機(jī)耦合應(yīng)變云圖如圖7所示。由圖7可見最大變形發(fā)生在氣缸套底面，變形量為1.05 mm。

5　結(jié)論

綜合以上分析，可以得知：

(1)在各工況下，最大應(yīng)力均發(fā)生在凸肩位置，故在使用過程中有可能發(fā)生凸肩處裂紋現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意合理的結(jié)構(gòu)，并且采用恰當(dāng)?shù)臒崽幚恚?/p>

(2)熱載荷對氣缸套的應(yīng)力影響尤為顯著，在氣缸套的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意盡可能提高其散熱能力，這可以通過改變結(jié)構(gòu)或材料屬性得以實(shí)現(xiàn)。

圖6　最大爆發(fā)壓力工況下氣缸套熱-機(jī)耦合應(yīng)力云圖

圖7　最大爆發(fā)壓力工況下氣缸套熱-機(jī)耦合應(yīng)變云圖

參考文獻(xiàn)

[1]何連京. S50柴油機(jī)缸套機(jī)械應(yīng)力的有限元分析[J].大連海事大學(xué)，2008.

[2]董丁丁. 12V280型柴油機(jī)氣缸套有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].大連交通大學(xué)，2010.

[3]寇曉東，唐可，田彩軍. ALGOR結(jié)構(gòu)分析高級教程[M]. 2008.

新技術(shù)

Federal-Mogul活塞環(huán)技術(shù)

過去10年，為降低運(yùn)行費(fèi)用和滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)，柴油機(jī)在提供燃油經(jīng)濟(jì)性和減少二氧化碳排放方面取得了顯著的進(jìn)步，采用的策略如提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率和提高缸內(nèi)燃燒效率以降低燃油耗及采用發(fā)動(dòng)機(jī)后處理以應(yīng)對顆粒和NOx排放法規(guī)；這些策略增加了柴油機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，因此要求柴油機(jī)能承受更高的溫度和壓力。為進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性，采用低粘度機(jī)油。低粘度機(jī)油要求零部件的耐磨性進(jìn)一步提高。

為此，F(xiàn)ederal-Mogul提出同時(shí)提高活塞環(huán)的強(qiáng)度和耐熱性的策略，開發(fā)了一種稱為IROX多鍍層的活塞環(huán)表面耐磨層材料。采用這種鍍層的活塞環(huán)解決了用低粘度機(jī)油帶來的潤滑問題，具有非常好的抗咬合性和耐磨性，也使得燃油耗下降達(dá)1.5%。

Federal-Mogul活塞技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失也影響燃油經(jīng)濟(jì)性。減少缸內(nèi)熱損失可以有效降低冷卻液流量，但這要求零部件有更高的耐熱性，另外，利用排氣熱量可減少發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失。采用這2種措施必然會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度，尤其是活塞頂部溫度。Federal-Mogul開發(fā)的全鋼活塞可以在高溫下工作而不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性。

Federal-Mogul還將新的全鋁活塞替代在重型發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的鋼與鋁組合式活塞。新的全鋁活塞耐久性比老的更好。重熔工藝使活塞頭部強(qiáng)度更高，改善了疲勞強(qiáng)度，使活塞壽命比傳統(tǒng)的鑄鋁活塞高4-7倍。

Federal-Mogul活塞環(huán)鑄造技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，即通過增壓和高壓噴射獲得更高的功率，同時(shí)為減排而采取的廢氣后處理給發(fā)動(dòng)機(jī)零部件帶來新的挑戰(zhàn)，燃燒室周圍的零部件尤其是活塞環(huán)的耐熱要求、承受機(jī)械要求以及耐摩擦要求都提高了。Federal-Mogul突破了建立已久的傳統(tǒng)的鑄造工藝對新活塞鑄造的限制，開發(fā)了新的鑄造工藝——高度自動(dòng)化垂直鑄造，采用特殊的模具設(shè)計(jì)，優(yōu)化毛坯設(shè)計(jì)、優(yōu)化澆注系統(tǒng)。還開發(fā)一套優(yōu)化鑄造的鑄造工藝模擬軟件，提供更精確的數(shù)據(jù)，使材料流動(dòng)獲得極大改善、鑄造模內(nèi)材料的壓力均勻并充滿。新工藝鑄鐵的活塞環(huán)金相組織，石墨形狀一致、均勻。

編譯SAE Off-Highway 2014年

Thermal-mechanical Analysis of NY6280ZJB Diesel Engine Cylinder Liner

Luo Wei, Zhang Weihua, Hu Jun

（YCSR Sichuan Engine CO., Ltd., Ziyang 641301, China）

Abstract:The stress and strain of NY6280ZJB diesel engine cylinder liner under mechanical load, thermal load and thermal-mechanical load are introduced, including the effect of thermal load on the stress of cylinder liner, which is significant and cannot be ignored. The maximum stress usually occurs at liner shoulder, which leads to crack at that location in the process of engine operation. The analysis provides theoretical guidance for the design or upgrade of cylinder liner.

Key words:diesel engine, cylinder liner, finite element analysis, thermal-mechanical couple

作者簡介：羅威（1987-），男，工程師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)零部件CAE仿真分析。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.003