【正文】 活塞的熱負(fù)荷 活塞熱應(yīng)力有限元分析[18,19,20]通過(guò)上一章對(duì)活塞穩(wěn)定溫度場(chǎng)的分析我們知道，活塞的溫差非常大，而且分布很不均勻，所以想必活塞內(nèi)部的熱應(yīng)力是很大的，所以在本節(jié)中，為了進(jìn)一步分析活塞的熱負(fù)荷，通過(guò)采用間接耦合法，對(duì)活塞沒(méi)有加載任何機(jī)械應(yīng)力，通過(guò)上一章活塞溫度場(chǎng)分析結(jié)果文件（.rh），將其讀為邊界條件，進(jìn)行熱應(yīng)力分析。第一環(huán)槽的溫度：，超出了潤(rùn)滑油的結(jié)膠溫度，長(zhǎng)期在此負(fù)荷下工作的話(huà)，會(huì)在此處引起潤(rùn)滑油結(jié)膠，結(jié)碳等問(wèn)題。 圖44 活塞溫度分布圖 圖45 活塞頂面溫度分布圖 圖46 活塞側(cè)面溫度梯度分布云圖 圖47 活塞溫度梯度分布云圖 圖48 活塞熱流密度矢量分布云圖 圖49 活塞頂熱流密度矢量分布云圖 本章小結(jié)本章根據(jù)活塞的參數(shù)建立了整個(gè)活塞的三維幾何模型，進(jìn)而將其導(dǎo)入ANSYS分析了活塞與高溫燃?xì)獾臒徇吔鐥l件，并利用VB編程計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中瞬時(shí)溫度，確定活塞頂面內(nèi)腔的換熱系數(shù)，并通過(guò)相關(guān)機(jī)型和已經(jīng)研究出來(lái)的成果，確定活塞各部位邊界條件。由圖46和47活塞溫度梯度分布云圖我們可以看到，溫度梯度最大的位置在活塞第一環(huán)槽，其值為：3475K/m，火力岸和裙部的溫度梯度都較小，大部分溫度梯度值都在：1158K/m。我們看到它的溫度較高為：。從第一道活塞環(huán)槽到活塞裙部溫度逐漸降低，第二道活塞環(huán)平均溫度為：，第三道環(huán)的溫度：519K左右，油環(huán)溫度由于受到噴油冷卻的影響其溫度在：，活塞裙部的溫度較低為：。但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，第一道環(huán)的溫度很接近一般潤(rùn)滑油的結(jié)膠溫度：493K，如果長(zhǎng)期在這種負(fù)荷下運(yùn)行，而活塞第一環(huán)還有有害的泵油作用，這會(huì)加劇潤(rùn)滑油的消耗，更可能使環(huán)被卡死在環(huán)槽中，失去氣密性，劃傷氣缸壁，甚至是環(huán)折斷?；鹆Π镀骄鶞囟仍冢?，燃燒室偏置一側(cè)的火力岸溫度較高為：，另一側(cè)較低：。 由圖45中科看出燃燒室喉口處出現(xiàn)了整個(gè)活塞的最高溫度：，此處常常由于熱疲勞而產(chǎn)生裂紋。 圖41活塞整體和半剖模型 圖42導(dǎo)入ANSYS后劃分網(wǎng)格 活塞溫度場(chǎng)邊界條件 活塞的溫度邊界條件根據(jù)已有的研究成果和相似機(jī)型2120柴油機(jī)的邊界條件[14~16]，估算得出2100T活塞在缸內(nèi)溫度最高時(shí)的邊界條件如表41:表41 活塞邊界條件邊界對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)()環(huán)境溫度（K）燃燒室喉口435940側(cè)面420底部420頂部420936火力岸260480第一環(huán)上沿600470內(nèi)沿500下沿1500第一環(huán)和第二環(huán)之間環(huán)岸500465第二環(huán)上沿650460內(nèi)沿500下沿650第二環(huán)和第三環(huán)之間的環(huán)岸500440第三環(huán)上沿750435內(nèi)沿500下沿750第三環(huán)和第四環(huán)之間的環(huán)岸500430第四環(huán)上沿750420內(nèi)沿600下沿750活塞內(nèi)腔頂部800360裙部300363 活塞溫度場(chǎng)有限元分析 在前面的有限元模型基礎(chǔ)上，在ANSYS中輸入活塞材料特性，加載表41中的邊界條件，進(jìn)行活塞的溫度場(chǎng)計(jì)算，經(jīng)多次修正，在后處理器中得到了如下結(jié)果。如圖42所示，活塞的油孔，導(dǎo)油槽和微斜角在有限元軟件中劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的節(jié)點(diǎn)和單元，而這些部位對(duì)活塞的應(yīng)力分析影響不大，但是對(duì)這些非關(guān)鍵部位的孔和圓角進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，其余部分均按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。活塞直徑D=，沖程S=120mm，曲柄半R=S/2=60mm，連桿長(zhǎng)度L=200mm，λ=R/L=，活塞質(zhì)量MIP=?；钊淖畹蜏囟纫灿邢拗?，不能低于其下限值，因?yàn)楹蛉剂嫌扇紵a(chǎn)生的冷凝物在過(guò)低的溫度下會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生酸性腐蝕。內(nèi)燃機(jī)的活塞，只從機(jī)械強(qiáng)度方面來(lái)衡量往往是不夠的，還必須考慮適當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力狀態(tài)。評(píng)定活塞的熱負(fù)荷首先要看活塞的最高溫度。活塞銷(xiāo)如圖36所示：圖36活塞銷(xiāo)4 活塞熱分析首先我們知道活塞是處在非常惡劣的條件下工作的，其燃燒室中燃?xì)獾淖罡咚矔r(shí)溫度一般都高達(dá)1600～1800℃左右，燃?xì)馄骄鶞囟纫哺哌_(dá)600～800℃左右。普通單體油環(huán)的徑向壓力最低，刮油能力和耐久性都較差，帶波形板襯簧的油環(huán)有較大的徑向壓力，于是采用此種組合式油環(huán)如圖35所示：圖35 活塞油環(huán)（左為波形板襯簧，右油環(huán)截面） 活塞銷(xiāo)的設(shè)計(jì)活塞銷(xiāo)的功用是連接活塞和連桿小頭，將活塞承受的氣體作用力傳給連桿。圖32 梯形環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖為了進(jìn)一步減少和消除有害的泵油作用，第二環(huán)采用正扭曲矩形環(huán)，第三環(huán)采用反扭曲矩形環(huán)。于是我考慮梯形環(huán)，如圖24所示在活塞側(cè)壓力Fn作用下橫動(dòng)時(shí)，環(huán)的的側(cè)隙δ發(fā)生變化，能把膠狀油焦從環(huán)槽中擠出。當(dāng)活塞上行時(shí)，環(huán)又壓靠在環(huán)槽的下斷面上，第一道環(huán)背隙里的機(jī)油經(jīng)過(guò)上邊隙就進(jìn)入氣缸中。所設(shè)計(jì)的活塞采用最常用的三道氣環(huán)，一道油環(huán)。油環(huán)的主要作用是：使氣缸壁面的潤(rùn)滑油分布均勻，并避免多余的潤(rùn)滑油竄入燃燒室，造成積炭和增大潤(rùn)滑油的消耗量。活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)兩類(lèi)。汽油機(jī)：柴油機(jī)：根據(jù)相似機(jī)型得：H2=80mm 活塞與氣缸配合間隙參照常溫時(shí)活塞各部分配合間隙，如表31確定活塞與氣缸配合間隙。即：H1=活塞裙部H2是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽一下的部分。一方面為了保證油環(huán)工作狀況良好，則環(huán)在槽中的軸向間隙很小，另一方面間隙小會(huì)由于銷(xiāo)座的變形而使油環(huán)卡住而失效。 (1) 由(1)式中：z環(huán)槽深度，mm；PZ最高爆發(fā)壓力，N/mm2；[σ]環(huán)槽材料許用應(yīng)力。因受到高壓燃?xì)庾饔煤铜h(huán)對(duì)環(huán)槽肩的沖擊，環(huán)槽肩應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以防止環(huán)槽。由于漏氣量隨氣體壓力和氣缸直徑的增大而增大，隨內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而減小，因此高速內(nèi)燃機(jī)的環(huán)數(shù)比低速內(nèi)燃機(jī)的少，汽油機(jī)的環(huán)數(shù)比柴油機(jī)的少。環(huán)帶的高度h2取決于氣環(huán)和油環(huán)的數(shù)目以及各環(huán)槽和環(huán)岸的高度。2） 將第一環(huán)槽安排在活塞頂厚度以下。通常情況下，柴油機(jī)鋁活塞h1值約為（～）D。提高舒適度，活塞采用偏置式半球型燃燒室，半徑為18mm。 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞頭部設(shè)計(jì)圖31活塞結(jié)構(gòu)尺寸H總高度 H1壓縮高度 h3上裙高度 h4孔銷(xiāo)高度 H2裙長(zhǎng)h1火力岸高度 h2環(huán)帶高度 c1環(huán)岸高度 b1氣環(huán)環(huán)槽高度 b2油環(huán)環(huán)槽高度如圖31可看出活塞頭部包括頂部和環(huán)帶部?jī)刹糠?。鋁合金為現(xiàn)在比較流行的活塞材料。即便如此，共晶硅鋁合金仍是現(xiàn)代活塞的標(biāo)準(zhǔn)鑄造鋁合金材料。在硅鋁系合金中，雖然亞共晶硅鋁合金的常溫和高溫強(qiáng)度均為最佳，但其熱膨脹系數(shù)較大（241061/℃）。但是它的材料密度大，在相同結(jié)構(gòu)尺寸下，質(zhì)量大，不適用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。（3） 密封性好，摩擦損失小。2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程計(jì)算 本課題2100T二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)原始參數(shù)表21 2100T二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)參數(shù)表缸徑 D=100mm活塞行程 S=120mm連桿長(zhǎng)度 L=200mm發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n=2000r/min壓縮比 16供油提前角 18缸數(shù)i=2額定功率=大氣壓力=大氣溫度=288Kgcghgo示功圖豐滿(mǎn)系數(shù)Hμ低熱值27600kJ/kg 二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程計(jì)算 （一） 排氣過(guò)程 排氣壓力： 排氣溫度：（二） 進(jìn)氣過(guò)程 (1) 進(jìn)氣終了壓力： (2) 進(jìn)氣終點(diǎn)溫度： （三） 壓縮過(guò)程：(1)壓縮終點(diǎn)壓力： (2)壓縮終點(diǎn)溫度： （四）燃燒過(guò)程：(1)理論所需空氣量：(2)實(shí)際分子變更系數(shù)：(3)燃燒最高溫度： (4)最高燃燒壓力：（五）膨脹過(guò)程(1)膨脹終點(diǎn)壓力：(2) 膨脹終點(diǎn)溫度：（六）發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)(1)平均指示壓力：(2)指示熱效率：(3)有效熱效率： (4)有效燃油消耗率： (5)平均有效壓力： (6)有效功率： (7) 通過(guò)上述算出條件，繪制出Pφ?qǐng)D圖21 2100T二甲醚柴油機(jī)Pφ?qǐng)D (8)通過(guò)上述算出條件，繪制出Tφ?qǐng)D 圖22 2100T二甲醚柴油機(jī)Tφ?qǐng)D3 活塞組設(shè)計(jì)根據(jù)活塞工作條件