某船用柴油機(jī)活塞組的設(shè)計(jì)與傳熱分析

張津源 王富維 金麗珠 樊永勝

摘要：活塞在工作時(shí)，受高溫燃?xì)庾饔茫赡馨l(fā)生各種失效現(xiàn)象，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性。選取某船用柴油機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)其活塞組，利用UG軟件進(jìn)行三維建模，并利用ABAQUS軟件對(duì)其溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力進(jìn)行研究和分析。結(jié)果表明：活塞最高溫度出現(xiàn)在燃燒室喉口部位，燃燒室底部存在較大的熱應(yīng)力。分析結(jié)果可為活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);活塞;設(shè)計(jì);傳熱分析

0 ?引言

作為柴油機(jī)五大重要零部件之一的活塞，工作條件惡劣?；钊诠ぷ髦谐惺苤芨叩臒嶝?fù)荷，這主要是受缸內(nèi)燃?xì)獾淖饔?，缸?nèi)的高溫燃?xì)馔ㄟ^對(duì)流傳熱和輻射傳熱將熱量傳遞給活塞，造成活塞頂面、燃燒室表面溫度高，同時(shí)活塞各個(gè)部位熱流密度的不同也造成了活塞各部分溫度分布不均[1]?；钊哂凶銐虻膹?qiáng)度、剛度外，還應(yīng)具有耐熱性、良好的導(dǎo)熱性、小的膨脹系數(shù)等性能[2]。分析活塞的傳熱過程，可為柴油機(jī)活塞的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)[3]。

本文選取某船用六缸直列增壓水冷柴油機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)活塞組結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用UG軟件對(duì)部件建立三維模型，同時(shí)利用ABAQUS軟件，采用三維有限元的方法計(jì)算標(biāo)定工況下的活塞溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力。

1 ?活塞組的設(shè)計(jì)

研究對(duì)象為缸徑160mm的六缸直列柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.1 活塞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

材料選擇方面，根據(jù)性能要求，活塞材料選擇硅鋁合金ZL108，活塞銷材料選擇20Cr，活塞環(huán)材料選擇球墨鑄鐵。

活塞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求及主要措施：

①在設(shè)計(jì)時(shí)需要保證活塞具有足夠的厚度，以確保活塞在順利將頂部受到的負(fù)荷向下傳遞給連桿的同時(shí)，不出現(xiàn)明顯的疲勞失效現(xiàn)象。

②活塞整體溫度的分布和頂部熱流極易受其頭部截面的形狀影響。為使活塞頭部的溫度不至于過高，本文考慮適當(dāng)增大頭部燃燒室的過渡圓角半徑，以適應(yīng)頂部的熱流通路，從而使熱量能從頭部快速的導(dǎo)出。這樣在降溫的同時(shí)還能有效減少活塞頭部的應(yīng)力集中現(xiàn)象[4]。

③本文6160柴油機(jī)選用四道活塞環(huán)的設(shè)計(jì)形式，其中三道為氣環(huán)，一道為油環(huán)。為減少環(huán)槽處的應(yīng)力集中情況，在1～3道環(huán)槽底部設(shè)計(jì)了R0.3的過渡圓角，油環(huán)槽底部設(shè)計(jì)R0.5圓角。

④活塞銷座的設(shè)計(jì)要與活塞銷一同考慮?；钊N在工作時(shí)受到來自氣缸的交變載荷作用，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要使其具有足夠的剛度，還要能承受適當(dāng)?shù)膹澢冃?。因此，為了確?；钊N座與活塞銷之間的緊密配合，銷座需要在承受較大壓力的同時(shí)存在一定的彈性。本次設(shè)計(jì)選用在銷孔上方設(shè)置兩條支承筋的雙筋彈性銷座結(jié)構(gòu)形式，支撐筋能為銷座提供額外的支撐，而支撐筋之間的凹穴能保證活塞銷座適應(yīng)活塞銷的變形要求。另外將銷孔中心相對(duì)活塞銷座外圓向下偏心3～4mm，以加強(qiáng)銷座承壓強(qiáng)度。

⑤設(shè)計(jì)時(shí)常通過縮短連桿軸向長(zhǎng)度的方法，使活塞連桿整體結(jié)構(gòu)緊湊。但與此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生活塞裙部與平衡塊或主軸承座圈相撞的問題，為了發(fā)動(dòng)機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本次設(shè)計(jì)將裙部銑去兩塊，這樣在解決問題的同時(shí)，還可達(dá)到減輕活塞整體質(zhì)量的目的[4]。

1.2 活塞組尺寸的確定

結(jié)合活塞組的結(jié)構(gòu)要求，根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)·上冊(cè)》[4]，對(duì)活塞組尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果做出理論校核，以確定其最終的尺寸參數(shù)，其主要尺寸見表2。

2 ?活塞仿真模型的建立與分析

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)上述尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果，運(yùn)用UG軟件對(duì)活塞組進(jìn)行三維建模?；钊S模型如圖1所示。

在活塞三維模型中存在的一些微小的特征，會(huì)在建立有限元模型時(shí)產(chǎn)生大量的節(jié)點(diǎn)和單元，本質(zhì)上不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，但是會(huì)消耗大量的計(jì)算時(shí)間，同時(shí)伴隨而來的畸形網(wǎng)格，會(huì)影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。為減少活塞有限元運(yùn)算的時(shí)間，并提高計(jì)算精度，本次選擇的分析模型在不影響活塞特性的基礎(chǔ)上，對(duì)其原有設(shè)計(jì)中的圓角、孔等特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用ABAQUS軟件中的自帶模塊對(duì)活塞進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于活塞本身存在大量曲面，故采用程序默認(rèn)的四面體單元網(wǎng)格（C3D10MT），對(duì)重點(diǎn)分析的燃燒室與活塞環(huán)槽部分節(jié)點(diǎn)增加密度，所建立的活塞有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，共有77869個(gè)節(jié)點(diǎn)，47326個(gè)單元。

2.2 活塞材料

本次設(shè)計(jì)中活塞材料選擇共晶硅鋁合金，密度2700kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)155 W/（m·K），彈性模量80000MPa，泊松比0.33，線膨脹系數(shù)21.0×10-6，比熱871 J/（kg·℃）。

2.3 確定邊界條件

分析活塞時(shí)選擇第三類邊界條件，即給定流體溫度和對(duì)流換熱系數(shù)求溫度。在確定邊界條件時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素，并通過經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算換熱系數(shù)，活塞內(nèi)腔各區(qū)域、活塞環(huán)區(qū)域及活塞裙部外側(cè)等的當(dāng)量熱交換系數(shù)。一般需要通過實(shí)驗(yàn)修正邊界條件，活塞溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量影響活塞熱負(fù)荷問題的分析，從而為活塞溫度分布及熱分析奠定基礎(chǔ)[5，6]。鑒于實(shí)驗(yàn)條件的局限性，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)資料[7-10]，活塞換熱邊界條件如表3所示。

2.4 活塞溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

在ABAQUS軟件中，根據(jù)活塞有限元網(wǎng)格模型和換熱邊界條件進(jìn)行求解計(jì)算，得到活塞的溫度云圖。由圖3可知，活塞最高溫度為368℃，出現(xiàn)在燃燒室的喉口位置，活塞頂部和火力岸部分為高溫集中區(qū)域，活塞環(huán)槽溫度最高為215℃，第一道環(huán)上部溫度最高為250℃，活塞溫度從上至下逐漸降低。在設(shè)計(jì)時(shí)，活塞頂部最高溫度不允許高于400℃，環(huán)槽溫度不允許高于230℃，本次設(shè)計(jì)滿足要求。

2.5 活塞熱應(yīng)力仿真結(jié)果與分析

結(jié)合活塞換熱邊界條件，使用ABAQUS軟件對(duì)活塞熱應(yīng)力進(jìn)行求解，其Mises應(yīng)力分析結(jié)果見圖4。根據(jù)圖4可知，活塞最大熱應(yīng)力為222MPa，位于活塞內(nèi)腔上部，對(duì)應(yīng)活塞頂最薄位置。同時(shí)第3～4道環(huán)槽底部存在較大的熱應(yīng)力，其值約為92.9MPa?；钊麅?nèi)腔采用噴油冷卻形式，溫度較低，而燃燒室底部與第3、4道環(huán)槽本身溫度較高，又和內(nèi)腔之間距離較近，故局部溫度梯度過大，這是本次設(shè)計(jì)活塞熱應(yīng)力集中的主要原因。局部溫差在50～100℃之間，該值在材料設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

3 ?活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

綜合仿真分析結(jié)果可見，活塞燃燒室喉口溫度稍高，在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮加大燃燒室側(cè)面與活塞頂部夾角，從而減少在燃燒室喉口部位的熱積累。同時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步優(yōu)化活塞的熱流通路，增加從活塞頂部到裙部的傳熱截面，從而將頭部熱流迅速傳出，實(shí)現(xiàn)活塞頭部溫度的降低。

為降低第一道環(huán)槽的溫度，保證氣環(huán)工作可靠，可以適當(dāng)加大頂岸的高度，使第一道環(huán)遠(yuǎn)離高溫區(qū)域。還可以在活塞內(nèi)部合理布置冷卻油腔，達(dá)到有效隔斷熱流的目的，從而提高第一道環(huán)的冷卻效果。

考慮到活塞內(nèi)腔頂部的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，在保證活塞質(zhì)量不會(huì)過重的前提下，可以適當(dāng)增加活塞頂厚度，增加燃燒室低部與內(nèi)腔之間的距離，使溫度變化更為緩和。同時(shí)，考慮到第3～4道環(huán)槽底部也存在熱應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)鑲環(huán)座提出額外要求，鑲環(huán)座要求使用熱膨脹系數(shù)與鋁合金相近的材料，以避免環(huán)座在運(yùn)行時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致熱應(yīng)力過高，繼而發(fā)生龜裂、剝落情況。

4 ?結(jié)論

根據(jù)6160船用柴油機(jī)基本參數(shù)設(shè)計(jì)活塞組的基本尺寸，并利用ABAQUS軟件研究其活塞的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力，得到如下結(jié)論：

①活塞溫度場(chǎng)的整體分布清晰可見，從活塞頭部到裙部，溫度呈下降趨勢(shì)，活塞中溫度最高（368℃）的區(qū)域在燃燒室喉口位置附近。

②活塞頭部的最大應(yīng)力大小為222MPa，活塞第3～4道環(huán)槽底部也出現(xiàn)了較大應(yīng)力值，其大小為92.9MPa，但未超過所選材料的強(qiáng)度極限。

③活塞熱應(yīng)力由溫差所致，設(shè)計(jì)時(shí)可結(jié)合溫度場(chǎng)提出優(yōu)化方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]祖炳鋒，方強(qiáng)，劉捷，等.基于熱機(jī)耦合的國(guó)-Ⅴ柴油機(jī)活塞強(qiáng)度及變形數(shù)值分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2014，35（1）：99-104.

[2]郭超.柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)有限元分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件， 2020（2）：53-54.

[3]鄭永強(qiáng).R12V280ZJ型大功率中速柴油機(jī)活塞開發(fā)[D].上海：上海交通大學(xué)，2015.

[4]柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)委員會(huì). 柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)·上冊(cè)[M].北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984.

[5]孫平，張玲，王為成.柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷的試驗(yàn)研究及其有限元分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2008，37（3）：59-62.

[6]劉猛，宋希庚，王洪峰，等.某柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（3）：31-33.

[7]王勇，王敬，王鵬.基于ABAQUS軟件的CB250汽油機(jī)活塞熱分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2012（3）：39-41.

[8]萇轉(zhuǎn)，趙云磊.496ZQ柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷研究及評(píng)價(jià)[J].內(nèi)燃機(jī)，2018（3）：42-45.

[9]鄧晰文，雷基林，文均，等.活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柴油機(jī)活塞傳熱與溫度場(chǎng)的影響分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（10）：102-108.

[10]林海君.增壓柴油機(jī)活塞熱力性能有限元仿真分析[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2016.