【導(dǎo)讀】題目:2100T二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞。學(xué)院(直屬系):交通與汽車工程學(xué)院。年級(jí)、專業(yè):2021級(jí)熱能與動(dòng)力工程。完成時(shí)間:2021年6月2日。西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

　　

【正文】 ? (510) 由正弦定理和三角函數(shù)關(guān)系式可求的 ? ? ， cos ? ? ，代入相關(guān)數(shù)據(jù)得： NF = 148naPP? (511) 活塞銷座的支反力的確定： bYF =F Fgi? (512) 活塞銷座支反合力為： cosgib FFF ??? (513) 代入相 關(guān)數(shù)據(jù)求得： Fby=； Fb= 32 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 機(jī)械應(yīng)力邊界條件： 由上節(jié)計(jì)算得到活塞機(jī)械負(fù)荷邊界條件，如表 51： 表 51 活塞機(jī)械負(fù)荷邊界條件 活塞和機(jī)械負(fù)荷綜合有限元分析 由圖 58和圖 59，在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷兩種載荷的綜合作用下，最大的應(yīng)力為： ，活塞銷座上部外側(cè)即受到較大的熱應(yīng)力又受到較大的銷座支反力，活塞銷的變形中 間往上，兩端往下變形，造成了對(duì)活塞銷座底部外側(cè)壓縮，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。 還可以發(fā)現(xiàn)在活塞銷座上部?jī)?nèi)側(cè)與活塞內(nèi)腔頂部區(qū)域的應(yīng)力也很大，為：， 這里是活塞銷座上部設(shè)計(jì)出大塊加強(qiáng)筋的原因。 活塞燃燒室內(nèi)綜合應(yīng)力都比較小，在 ，只是活塞銷正上方的燃燒室底部綜合應(yīng)力較大，為： 。 第一，二環(huán)槽下沿的綜合應(yīng)力較小，為： ，活塞環(huán)槽區(qū)主要是熱負(fù)荷作用，油環(huán)槽由于同時(shí)還受到活塞銷的支反力，所以綜合應(yīng)力較大?；钊麅?nèi)腔頂部中心綜合應(yīng)力相對(duì)較小，因?yàn)橹皇艿綗釕?yīng)力的作用，受到機(jī)械 載荷的影響較小。 活塞裙部的綜合應(yīng)力較小，大都在 10MPa以下。圖 510 和 圖 511 為活塞熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷耦合位移云圖，在機(jī)械應(yīng)力和熱負(fù)荷的綜合作用下，活塞的最大變形在燃燒室偏置一側(cè)的活塞頂和火力岸還有活塞裙部底端，為： ，活塞最小變形在內(nèi)腔頂部中央。 力的性質(zhì)（ N） 作用的面積 (m2) 作用在活塞上的壓強(qiáng) (Pa) F ? 10nP ?? ? 10bP ?? . ? 7850e6 6. 10jgP ?? 33 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 對(duì)活塞銷座進(jìn)行了嚴(yán)格的約束，約束位移為： 0mm。但是在活塞實(shí)際工作過(guò)程中，活塞銷受到活塞通過(guò)銷座接觸副傳過(guò)來(lái)的力和熱量，都會(huì)引變形。所以在圖 510中，活塞銷座附近的變形為： 0mm。這是此次分析中的不足之處。 圖 512顯示出活塞的變形方向 ，由于活塞裙部主推力一側(cè)比次推力一側(cè)變形量大，活塞變形方向主要是徑向向里和活塞軸線向下，而活塞銷座和裙部的變形量都很小。 圖 58 活塞熱力 耦合 云圖 圖 59 活塞內(nèi)腔熱力耦合云圖 圖 510 活塞 熱力耦合位移云圖 圖 511 活塞 熱力耦合內(nèi)腔 耦合位移云圖 34 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 圖 512 活塞熱力耦合外形變化 本章小結(jié) 本章分析了活塞的熱應(yīng)力和熱變形，分析了對(duì)活塞應(yīng)力和變形有主要影響的機(jī)械負(fù)荷，確定了機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷綜合分析的邊 界條件，進(jìn)行了有限元分析，得到以下結(jié)論： 活塞僅受熱負(fù)荷時(shí)，熱應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在油環(huán)槽的下部外側(cè)，和活塞內(nèi)腔頂面，其值為： 。內(nèi)腔頂部，油環(huán)槽下沿和活塞銷座上方外側(cè)的熱應(yīng)力都比較高，活塞其他地方位置的熱應(yīng)力較小?；钊鹆Π逗突钊斆娴倪吘墳榛钊淖畲鬅嶙冃挝恢?，其值為： ?；钊共康呐蛎涀冃畏较蚺c活塞銷軸線垂直，使得活塞裙部趨于長(zhǎng)軸在活塞銷座上的橢圓。 耦合機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷兩種載荷后，活塞最大的應(yīng)力為： ，在活塞銷座上端。活塞油環(huán)槽內(nèi)側(cè)與活塞內(nèi)腔頂部鏈 接處的綜合應(yīng)力也比較大?；钊淖畲笞冃翁幵诨钊斉c火力岸的邊緣，其值為 ，活塞的最小變形在內(nèi)腔中央。 35 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 總結(jié) 本文主要是對(duì) 2100T二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要研究和結(jié)論如下： （ 1） 活塞的最高溫度（ ）出現(xiàn)在燃燒室喉口邊緣處，最低溫度出現(xiàn)在活塞裙部底部 ()；第一環(huán)槽的溫度 ()是溫度梯度和熱流密最大處其值為： (106W/m2)。 （ 2） 表 61列舉了活塞材料 ZL109隨溫度變化的強(qiáng)度，參考表 61我們分析在溫度載荷作用下，活塞膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力和 熱變形，熱應(yīng)力的最大值 ()，出現(xiàn)在有環(huán)槽的下部，遠(yuǎn)小于活塞材料的屈服強(qiáng)度；由于溫度梯度較大，活塞內(nèi)腔頂部中央，油環(huán)槽下沿?zé)釕?yīng)力都比較高。活塞銷孔下端周圍受熱膨脹由于受到活塞銷的牽制也產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力?；鹆Π逗突钊斆娴倪吘墳榛钊淖畲笞冃挝恢?。 表 61 ZL109的強(qiáng)度 溫度 150℃ 250℃ 350℃ 抗拉強(qiáng)度（ MPa） 230 180 100 抗壓強(qiáng)度（ MPa） 225 170 95 （ 4） 參照表 61， 在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷耦合的作用下，活塞最大的應(yīng)力()，位于活塞銷座 上端內(nèi)側(cè) ，小于活塞在該溫度下的屈服強(qiáng)度。 貯油孔壁下端和活塞銷座上端綜合應(yīng)力也比較大?；钊淖畲笞冃螢?： ，出現(xiàn)于活塞項(xiàng)與火力岸的邊緣，在燃燒室偏置的一側(cè)， 小于活塞與氣缸配合間隙。 活塞的最小變形在內(nèi)腔頂部。從活塞頂部到裙部變形量逐漸減小?；钊^部的變形比活塞僅受熱負(fù)荷時(shí)小 。 經(jīng)過(guò)分析參照設(shè)計(jì)資料提出改進(jìn)措施： 1） 通過(guò)機(jī)油冷卻活塞。從連桿小頭上設(shè)計(jì)噴油孔，或者將噴油嘴安裝在機(jī)體上，向內(nèi)腔頂部噴射機(jī)油；在內(nèi)腔設(shè)計(jì)環(huán)形油 腔 通過(guò)機(jī)油振蕩冷卻活塞 。 2） 活塞表面處理。用硬模陽(yáng)極氧化的方法處理活塞頂部表面， 或在活塞頂 36 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 表面涂上、鍍上絕熱層，形成耐熱層，增大熱阻，使高溫燃?xì)庀蚧钊攤鬟f的熱量減少 。 3)活塞環(huán)處理。 在第一環(huán)槽上方設(shè)計(jì)隔熱槽；在燃燒室喉口處第一環(huán)槽鑄入耐熱護(hù)圈 增加其耐磨性能 。 如圖 61所示 : 耐熱，耐磨護(hù)圈冷卻腔噴油冷卻隔熱環(huán)槽 圖 61 活塞改進(jìn) 4）在熱力耦合分析下， 在活塞內(nèi)腔與活塞銷座鏈接處的應(yīng)力較大，在此處應(yīng)設(shè)計(jì)出加強(qiáng)筋。 37 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 總結(jié)和體會(huì) 在 用 Ansys 軟件對(duì)活塞熱力耦合過(guò)程 中，我遇到了不少問(wèn)題，有些是超出自己的能力范圍的，每當(dāng)無(wú)法實(shí)現(xiàn) 自己的想法或是運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，情緒就會(huì)浮躁，在同學(xué)和老師的幫助下，經(jīng)過(guò)努力，終于完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。越是不懂的東西越要去學(xué)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，你會(huì)收獲很多。指點(diǎn)是學(xué)習(xí)最有效的方法，有些問(wèn)題你苦思不得其解時(shí)，旁人指點(diǎn)一下，你就會(huì)恍然大悟。既節(jié)省時(shí)間又提高效率。通過(guò)學(xué)習(xí)，你會(huì)發(fā)覺自己的知識(shí)儲(chǔ)備量在遞增，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)感覺頭腦很充實(shí)，在完成任務(wù)方面也輕松多了。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我花費(fèi)了不少時(shí)間，完成了不少工作量，終于有了結(jié)果。這是自己辛勤勞動(dòng)的結(jié)果。這段時(shí)間忙碌而充實(shí)，辛苦但收獲快樂(lè)。所有的工作都完成了就等著畢 業(yè)答辯了。 在整個(gè)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)的過(guò)程中我學(xué)到了不少東西，做任何事情都要有正確的態(tài)度和良好的心態(tài)。有些輕微的差錯(cuò)都有可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。當(dāng)問(wèn)題苦思未果時(shí)，要適當(dāng)?shù)恼?qǐng)求幫助，不要為了所謂的面子羞于向他人請(qǐng)教，充實(shí)自己才是最重要的。同學(xué)之間要互相幫助，幫助別人的同時(shí)自己也在加深記憶。在完成任務(wù)的過(guò)程中耐心和毅力是很重要的，同時(shí)也要善于聽取他人的意見，取長(zhǎng)補(bǔ)短，這樣做起事情來(lái)才會(huì)事半功倍。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成，得益于指導(dǎo)老師和同學(xué)的幫助，感謝他們給我提出了許多寶貴的意見和建議。此外，還得感謝大學(xué)期間傳授給我知識(shí)的 老師，是他們的悉心教導(dǎo)，使我有了好的專業(yè)知識(shí)，這也是論文得以完成的基礎(chǔ)。 38 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 致 謝 本文是在導(dǎo)師 閆妍 的悉心指導(dǎo)下完成的。感謝 閆 老師在學(xué)習(xí)和研究中的指導(dǎo)、教誨和對(duì)我的信任， 閆妍 老師科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)和對(duì)教學(xué)精益求精的態(tài)度一直深深影響著我，使我終生難忘。在論文的構(gòu)思以及設(shè)計(jì)內(nèi)容耐心的督促指導(dǎo)，提出新的問(wèn)題，使我做了許多有益的思考，深受啟發(fā)和教育，使得我的畢業(yè)課題能夠深入地進(jìn)行下去。 感謝同 組的同學(xué) 一直以來(lái)對(duì)我生活和學(xué)習(xí)上的幫助，感謝 譚波 和 陳宗偉 在ANSYS軟件 上對(duì)我的指導(dǎo) ． 感 謝廖壽強(qiáng) 和 張超 提供了寶貴的資料，感謝 09級(jí) 汽發(fā) 1班 的全體同學(xué)，從你們身上我學(xué)到了很多有益的東西。 感謝母校 西華 大學(xué)，是她提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和生活環(huán)境，讓我 四 年的生活豐富多姿，為我的人生留下精彩的一筆。 特別感謝我深愛著的父母和親人，感謝你們生活上無(wú)微不至的照顧和對(duì)我學(xué)業(yè)的支持、理解和鼓勵(lì)。 感謝所有關(guān)心、指導(dǎo)和幫助過(guò)我的老師和同學(xué)們 ！ 39 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 【參考文獻(xiàn)】 [1] 嬈海生 .非標(biāo)柴油二甲醚混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究 [D].碩士學(xué)位論文 .太原理工大學(xué)， 2021； [2] load of tuned piston[J].Archives of civil and mechancal engineering ,2021（ 12） :342347； [3] 馮丹華 . 非標(biāo)柴油 二甲醚混合燃料在增壓柴油機(jī)上的應(yīng)用研究 [D].碩士學(xué)位論文 .太原 理工大學(xué) ， 2021； [4] 劉國(guó)濤 . 柴油摻燒二甲醚在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究 [D].碩士學(xué)位論文 .武漢理工大學(xué)， 2021； [5] 郝瑞元 . 二甲醚代柴油有優(yōu)勢(shì) [J]. 山西煤化工， 2021（ 5） :7； [6] 劉國(guó)濤 .柴油摻燒二甲醚在柴油 機(jī)上的應(yīng)用研究 [J].船海工程 .2021（ 3） ： 12～14； [7] 趙明宇，高連新，等 .二甲醚作為汽車代用燃料的應(yīng)用前景 [J] .安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) .2021,35（ 26） :8319； [8] Florian Pontzen。Waldemar Liebner。 methanol and DME –efficient technologies for industrial scale production[J],Catalysis Today ,2021,（ 01） ：242250； [9] 袁兆成，方華，蘇巖等 ． 內(nèi)燃機(jī) 設(shè)計(jì) 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