柴油機(jī)活塞二階運動仿真分析

張麗強(qiáng)，張翼，付月磊

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車輛與動力工程系，太原030051）

柴油機(jī)活塞二階運動仿真分析

張麗強(qiáng)，張翼，付月磊

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車輛與動力工程系，太原030051）

對柴油機(jī)活塞二階運動進(jìn)行計算分析，要考慮到活塞、缸套的熱變形和安裝工況下的變形等多方面的因素。計算了活塞和缸套的溫度場及熱變形，然后對活塞的二階運動進(jìn)行了分析，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評價，為活塞進(jìn)一步的優(yōu)化提供了參考。

柴油機(jī)活塞二階運動仿真分析

1 引言

活塞是發(fā)動機(jī)工作條件最苛刻的零件之一，它在高速往復(fù)運動中傳遞著整個發(fā)動機(jī)的原動力，承受著極高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，活塞是制約發(fā)動機(jī)進(jìn)一步強(qiáng)化的瓶頸之一?；钊芰η闆r復(fù)雜，在爆發(fā)壓力、慣性力、連桿力、側(cè)推力及各種摩擦力等的作用下，除作往復(fù)直線運動外，還有橫向平移和繞活塞銷軸的擺動，此兩種運動共稱為活塞的二階運動。雖然二階運動不是很大，但對內(nèi)燃機(jī)的噪聲、振動、功率損失卻是不能忽略的影響因素[1]。

本文通過AVL GLIDE軟件對某機(jī)型柴油機(jī)活塞二階運動進(jìn)行了仿真分析，考慮到活塞和缸套的熱變形，缸套在安裝工況下變形，獲得了一個工作循環(huán)內(nèi)活塞在缸套中的瞬時運動特性、活塞與缸套之間的接觸力，為優(yōu)化活塞外輪廓形線提供了理論依據(jù)。

2 活塞的二階運動[2]

圖1所示為活塞的受力模型。根據(jù)活塞的受力狀況，以活塞銷孔中心為坐標(biāo)原點，以水平主推力面指向副推力面作為軸正向，豎直向下為軸的正向建立笛卡爾坐標(biāo)系，由此列出活塞運動平衡方程。

其中，gas為爆發(fā)壓力，CR為連桿力，h為油膜壓力，h為缸壁對活塞裙部的摩擦力，h為由油膜壓力引起的繞活塞銷的轉(zhuǎn)矩，rz、ry分別為當(dāng)量環(huán)對活塞法向力和切向力，為活塞的質(zhì)量，為活塞繞銷的轉(zhuǎn)動慣量，為活塞的名義直徑，1、2，和分別為圖1所示的距離，i為往復(fù)慣性力。由上可以看出活塞的二階運動與活塞裙部的油膜壓力分布耦合在一起，使得方程很難用解析法求解。

圖1 活塞的受力模型

3 分析過程

3.1 分析總流程圖

缸內(nèi)工作狀況可以采用BOOST模塊進(jìn)行仿真計算，缸內(nèi)的爆發(fā)壓力和溫度也可以通過測量獲得，本文采用的數(shù)據(jù)是由測量得到的。這些數(shù)據(jù)要作為活塞和缸套溫度場計算提供邊界條件，同時為最后的動力學(xué)仿真提供數(shù)據(jù)?；緟?shù)的輸入包括該型號發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、缸徑等，而活塞、連桿等的質(zhì)心位置、慣量可以通過三維CAD模型計算得到?；钊亩A運動分析流程如圖2所示。

3.2 活塞徑向剛度矩陣的求解

活塞剛度表示的是某一區(qū)域在外載作用下的彈性變形能力，活塞剛度會影響活塞運動和受力狀態(tài)。GLIDE軟件僅考慮活塞的徑向剛度，就是在活塞上取點，給任一點加徑向力，看各點的徑向位移。取點位置一般考慮活塞的對稱性，在0°～180°范圍內(nèi)取點，0°為垂直于銷孔平面上主推力面?zhèn)?，角度的選取要合理，在該角度活塞高度方向上取一系列的點，形成一個陣列，參見圖3。徑向變形可以通過測量和有限元的方法得到，推薦使用有限元方法，求解簡便、精度高，特別是無實物的時候。本文由于活塞銷未偏置，所以在活塞的0°、30°和60°處取點，分別在各節(jié)點上分兩次加載2 kN和5 kN的徑向力，然后得出各節(jié)點的徑向位移，然后編輯活塞的剛度矩陣。

圖2 活塞的二階運動分析流程

圖3 活塞徑向剛度矩陣取點位置

3.3 活塞溫度場和熱變形的求解[3]

活塞溫度場的分析取決于所給定的邊界條件，本文采用經(jīng)驗公式確定熱邊界條件，溫度場的計算采用第三類邊界條件，并分區(qū)確定。燃燒室內(nèi)平均溫度為858℃，平均換熱系數(shù)為1 021 W/m2K，活塞裙部和環(huán)槽處邊界條件采用多層平壁傳熱模型。圖4為活塞溫度場計算結(jié)果容；圖5為活塞的徑向變形，左側(cè)為銷孔向的變形，右側(cè)為垂直于銷孔向的變形。

圖4 活塞溫度場計算結(jié)果

圖5 活塞徑向變形示意圖

活塞的最高溫度為346℃，出現(xiàn)在火力岸附近。最大徑向變形為0.476 mm，出現(xiàn)在活塞頂，總體變形呈中凹形，不利于形成良好的潤滑環(huán)境，所以活塞一般設(shè)計成中凸型的，保證熱變形后仍能形成良好的潤滑環(huán)境。這里得出的變形將用于后面的計算。

3.4 缸套溫度場和熱變形的計算[4]

缸套溫度場計算時仍采用第三邊界條件，缸內(nèi)溫度和熱系數(shù)沿著缸中心線方向變化，采用經(jīng)驗公式可計算得到軸向距氣缸頂部各高度的缸內(nèi)溫度和換熱系數(shù)，缸套與機(jī)體間的換熱系數(shù)由二者之間的接觸熱阻決定，本文取116 W/m2K，其他邊界依照經(jīng)驗確定，計算結(jié)果如圖6和圖7所示。缸套的最高溫度為238℃，位置在缸套頂內(nèi)側(cè)。缸套的徑向變形為0.207 mm，中間段有所減小，這是由于冷卻水段溫度低造成的，大致走向如圖7所示。

安裝工況下的變形也可以用有限元方法求解，由于有限元計算結(jié)果受邊界條件影響太大，尤其是氣缸墊的非線性特性很難確定。本文采用實測方法得到，在軸向上，缸套自上而下變形逐漸增大，依次為0.03 mm、0.04 mm、0.06 mm，缸套總體類似于上小下大的喇叭狀。

4 活塞的二階運動計算結(jié)果與分析

圖6 缸套的溫度場

圖7 缸套的變形量

對活塞的二階運動進(jìn)行計算分析，包括活塞的徑向平移和繞活塞銷軸的擺動，同時還考察了活塞的撞擊能量和活塞與缸套間的接觸力，結(jié)果如圖8～圖14所示。

活塞做功行程時對缸套有較大的瞬態(tài)撞擊力，圖8顯示了活塞對缸套的撞擊能量，從圖中可以看到在8℃A出現(xiàn)峰值，為138.1 N·mm，設(shè)計時要將此值控制在一定的范圍內(nèi)。

圖9和圖10給出了活塞的徑向位移及加速度，最大徑向位移出現(xiàn)在40℃A，峰值為0.0698 mm，徑向加速度最大值為297 mm/s，出現(xiàn)在8℃A，這是由于活塞在做功行程，主推力面上的瞬態(tài)撞擊力導(dǎo)致的，所以加速度峰值也出現(xiàn)在同一時刻，位移在之后的40℃A出現(xiàn)峰值。

從圖11和圖12中可以看出，活塞偏擺角度小于0.0067°，這是可以接受的。角加速度峰值出現(xiàn)在換向時刻。實際表明適當(dāng)?shù)臄[角可以減小活塞對缸套的撞擊，有利于活塞的工作。由上可以看出活塞的二階運動保持在一個較小的范圍內(nèi)，工作較為合理。

圖8 活塞的撞擊能量

圖9 活塞的徑向位移

圖10 活塞的徑向加速度

從圖13和圖14中可以看出，主推力側(cè)在45℃A附近接觸力出現(xiàn)峰值，持續(xù)時間較長，接觸不是很理想；在副推力側(cè)，可以看出在活塞上行時，活塞裙部下側(cè)對缸套有較大的沖擊。

圖11 活塞的角位移

圖12 活塞角速度

圖13 活塞與缸套間主推力側(cè)的側(cè)橫向接觸力

雖然AVL GLIDE軟件可以仿真活塞運動，并用于指導(dǎo)活塞的設(shè)計，節(jié)省成本。但仿真結(jié)果如果要更加逼近實際，還要受到很多因素的影響，如活塞缸套溫度場的準(zhǔn)確性，材料的彈性模量和熱膨脹系數(shù)的非線性，配缸間隙和缸套安裝變形等，在后續(xù)的設(shè)計中要考慮這些[5]。

5 結(jié)束語

對某機(jī)型柴油機(jī)活塞二階運動進(jìn)行了分析，可以得到以下結(jié)論：

圖14 活塞與缸套間副推力側(cè)的側(cè)橫向接觸力

（1）活塞換向時比較平穩(wěn)，沒有嚴(yán)重的敲擊，最大徑向位移和角位移都維持在一個小的范圍內(nèi)。工作狀況較為理想。

（2）活塞下行做功時，對主推力側(cè)有較大的接觸力，持續(xù)時間較長，接觸不是很理想。上行時，活塞裙部下側(cè)對缸套有較大的沖擊，可以進(jìn)一步優(yōu)化裙部的型線得到改善。

（3）通過對活塞二階運動的分析，可以為后續(xù)裙部的改進(jìn)設(shè)計提供一定的依據(jù)。

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

2吳海濤，崔克天.Excite Piston and Rings軟件在活塞型線優(yōu)化中的應(yīng)用[C].2008AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會論文.

3薛明德.柴油機(jī)活塞的溫度場、熱變形與應(yīng)力三維有限元分析[J].兵工學(xué)報，2001，22（1）：11-14.

4劉月花.增壓柴油機(jī)濕式氣缸套的溫度場及振動特性研究[D].昆明理工大學(xué)，2006.

5藍(lán)軍.AVL GLIDE模型的計算精度控制[C]. AVL2006年用戶大會論文集.

An Analysis of Piston Secondary Movement for Diesel Engine

Zhang Liqiang, Zhang Yi, Fu Yuelei
（Dept of Vehicle and Power Engineering, Mechanical and Electronic Engineering Institute, North University of China, Taiyuan 030051, China）

Thermal deformation of the piston and liner and deformation of themunder preload condition should be considered in simulation and analysis of piston secondary movement. Temperature field and thermal deformation of piston and liner has been calculated, simulation analysis of piston secondary movement has been done, and the structure of piston has been evaluated, which provides reference for further optimization of the piston.

diesel engine, piston, secondary movement, simulation analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.02.003

來稿日期：2009-10-13

張麗強(qiáng)（1984－），男，在讀碩士，主要研究方向為發(fā)動機(jī)總體技術(shù)及結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計。