活塞結構參數(shù)對二階運動動態(tài)敲擊力的影響規(guī)律研究

王文禮，張保成

WANG Wen-li, ZHANG Bao-cheng

（中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051）

0 引言

在實際的內(nèi)燃機工作運行過程中，活塞在氣體壓力、慣性力的作用下，不僅做上下往復的直線運動（一階運動）外，而且由于活塞和氣缸壁之間存在間隙，活塞還存在徑向運動和繞活塞銷的擺動，即活塞的二階運動[1]。盡管活塞的二階運動是一種微小運動，但其對內(nèi)燃機振動與噪聲的控制有著重要的影響，尤其表現(xiàn)在活塞對氣缸套的敲擊。

傳統(tǒng)的活塞側(cè)擊力計算時忽略了活塞與缸套之間的配缸間隙、潤滑等因素的影響，將準靜態(tài)力作為內(nèi)燃機有限元計算的邊界條件，容易造成計算誤差[2]。

1 活塞三維模型及有限元模型

本文針對某型號柴油機的活塞進行分析，燃燒室形式為ω型，通常簡化活塞為對稱模型，然而由于活塞各邊界傳熱條件的不同，二分之一或者四分之一模型的處理方法會帶來較大計算誤差[3]，因此有限元分析時采用完整活塞模型進行計算。

在前處理軟件HyperMesh中，對活塞進行適當?shù)暮喕サ舯茏尶?、集油孔等特征，對活塞進行網(wǎng)格劃分，溫度場分析采用DC3D10單元，熱變形分析采用C3D10單元，建立有限元模型，如圖1所示。

2 活塞溫度場及熱變形邊界條件

活塞材料參數(shù)如表1所示。

3000r/min下，該柴油機的缸內(nèi)壓力曲線如圖2所示。

圖1 活塞有限元模型

表1 活塞材料參數(shù)

圖2 發(fā)動機缸內(nèi)壓力曲線

對活塞進行穩(wěn)態(tài)溫度場分布求解，通常采用第三類邊界條件[4]，即已知活塞周圍的高溫燃氣和冷卻介質(zhì)的傳熱系數(shù)和平均溫度。

3 活塞溫度場及熱變形分析

將熱邊界條件導入ABAQUS中，計算得到活塞溫度場分析結果如圖3所示。

圖3 活塞溫度場分析結果

由圖3可以看出，活塞的最高溫度出現(xiàn)在燃燒室頂部邊緣處，為268℃；最低溫度出現(xiàn)活塞裙部底部，為111℃。由于高溫燃氣與活塞頂部相接觸，在熱量傳遞過程中，從活塞頂部到底部逐漸衰減，因此溫度軸向逐漸降低；可以看出該溫度場分布與實際情況基本相符。

以溫度場結果作為載荷，進行活塞熱變形分析，結果如圖3所示。

圖4 活塞熱變形分析結果

由圖4可以看出，活塞頭部的變形量大于裙部，膨脹量自上而下逐漸減小?；钊淖畲笞冃螀^(qū)域集中在活塞頂部周圍，最大值為0.457mm；活塞裙部底部變形量為0.038mm。這是由于活塞溫度自上而下降低，活塞的壁厚自上而下減薄。

4 活塞二階運動分析

4.1 二階運動計算模型

在AVL-EXCITE Piston-Rings中建立活塞二階運動動力學模型，如圖5所示。

圖5 二階運動分析模型

4.2 計算結果分析

實際工作過程中，活塞對缸套的側(cè)擊力包括準靜態(tài)側(cè)擊力和動態(tài)敲擊力，因此可以通過在EXCITE中計算得到的實際活塞側(cè)推力，然后根據(jù)已知條件計算出準靜態(tài)側(cè)推力，二者相減即可得到活塞對缸套的動態(tài)敲擊力。

準靜態(tài)側(cè)推力的計算公式為[5]：

其中：D為活塞直徑，單位mm；

p0為曲軸箱內(nèi)氣體壓力，近似為0.1MPa；

p為氣缸內(nèi)氣體壓力，單位MPa；

mj為活塞與連桿小頭代替質(zhì)量之和，單位kg；

R為曲柄半徑，單位m；

ω為曲柄旋轉(zhuǎn)角度，單位rad/s；

L為連桿長度，單位mm；

α為曲柄轉(zhuǎn)角，單位rad/s。

在EXCITE中計算得到的實際活塞側(cè)推力如圖6所示。

圖6 實際活塞側(cè)推力

根據(jù)公式(1)求出準靜態(tài)側(cè)推力如圖7所示。

圖7 準靜態(tài)活塞側(cè)推力

最終求得的活塞動態(tài)敲擊力如圖8所示。

圖8 動態(tài)敲擊力

5 結構參數(shù)對活塞動態(tài)敲擊力峰值的影響

影響活塞二階運動特性的因素有很多，本文重點考慮活塞設計參數(shù)（活塞銷偏置、重心位置、配缸間隙）對活塞二階運動下活塞動態(tài)敲擊力峰值的影響。

5.1 活塞銷偏置的影響

定義活塞銷偏置向反承壓面的偏置為正，向承壓面的偏置為負。分別選取活塞銷偏置為0mm，±1mm、±2mm共5種情況進行計算，敲擊力峰值大小及出現(xiàn)時刻如圖9所示。

圖9 不同活塞銷偏置敲擊力峰值曲線

從圖9的曲線可以看出：活塞銷偏置對活塞的敲擊力影響較大。動態(tài)敲擊力峰值隨著活塞銷向承壓面偏置逐漸減小，峰值出現(xiàn)對應的曲軸轉(zhuǎn)角相應提前。這是由于活塞銷向承壓面的偏置會使活塞提前換向，從而有利于降低活塞對缸套的敲擊。

5.2 活塞重心的影響

定義活塞原重心為原點，沿活塞軸線為X方向，指向活塞頂部為正；垂直X為Y方向，指向反承壓面為正。設置活塞銷偏置為0，X、Y方向均選取0mm，±1mm，±2mm進行計算。

由圖4可以看出，隨著溫度的升高，磁化效果明顯得到加強，在溫度由50℃提高到60℃時，赤鐵礦的回收率顯著提升，但當溫度高于60℃后，溫度繼續(xù)升高對赤鐵礦的回收率影響變?nèi)酢Ｓ纱丝芍?0℃為此赤鐵礦表面磁化的最佳溫度。

5.2.1 Y方向影響

取做功沖程上止點附近的活塞動態(tài)敲擊力進行研究，如圖10所示。

圖10 不同活塞重心Y向偏置動態(tài)敲擊力

圖11 不同活塞重心Y向偏置敲擊力峰值曲線

從圖10、圖11中可以看出，與活塞重心Y向偏置為0相比，重心的偏置會造成活塞動態(tài)敲擊力的增加。且可以看出，偏置為±2mm的動態(tài)敲擊力峰值小于±1mm時的峰值。這是由于活塞重心Y方向的偏置導致活塞重心向承壓面偏置，從而使用活塞提前換向。

5.2.2 X方向影響

活塞重心X方向的改變對動態(tài)敲擊力的影響如圖12所示。

圖12 不同活塞重心X向偏置動態(tài)敲擊力

對做功行程上止點附近位置局部放大，如圖13所示。

圖13 局部放大圖

由圖13可知，所有X方向重心偏置下的動態(tài)敲擊力曲線都呈現(xiàn)雙峰值。在13°CA時，X方向重心偏置為+2mm時動態(tài)敲擊力的峰值達到最大值35000N。但是從整體變化趨勢來看，動態(tài)敲擊力的變化很小，距離活塞銷越近，活塞的動態(tài)敲擊力呈現(xiàn)下降趨勢，-2mm時只有2500N左右。

綜合活塞X、Y方向的影響結果分析，活塞重心Y方向的偏置對于活塞動態(tài)敲擊力的影響遠大于X方向。

5.3 配缸間隙的影響

配缸間隙對動態(tài)敲擊力的影響如圖14、圖15所示。

圖14 不同配缸間隙動態(tài)敲擊力

圖15 不同配缸間隙敲擊力峰值曲線

從圖14、圖15可以看出，隨著配缸間隙的增加活塞對缸套的動態(tài)敲擊力劇烈增加。在配缸間隙為0.1mm時，活塞的動態(tài)敲擊力出現(xiàn)兩個較小峰值。隨著配缸間隙逐漸增大，活塞動態(tài)敲擊力由兩個小峰值逐漸變?yōu)橐粋€大峰值并且敲擊峰值增加。

綜上所述，配缸間隙對活塞動態(tài)敲擊力有較大影響，采用小的配缸間隙能夠有效降低動態(tài)敲擊力，但是配缸間隙過小會增大活塞與缸套之間的摩擦，所以應綜合考慮各種因素影響的情況下盡量減小配缸間隙。

5.5 正交試驗

為了尋找各參數(shù)活塞動態(tài)敲擊力的影響大小，可以通過設計正交試驗進行分析。通過設計三因素五水平的二次回歸正交組合試驗并對結果進行方差分析，研究活塞銷偏置、活塞Y方向重心改變和配缸間隙三種因素對活塞動態(tài)敲擊力峰值的影響大小。

表2 實驗設計與實施方案

表3 三因素二次回歸正交組合設計結構矩陣及計算表

表3 （續(xù)）

表4 回歸關系的方差分析表

方差分析表明：F檢驗的F值大小代表了因素對結果影響程度的大小，即可判斷因素作用是否顯著。F值越大，該因素對結果影響越大大。由上表看出，F(xiàn)值最大為2.8806，最小為0.0036。分別代表了配缸間隙和活塞重心Y向偏置對動態(tài)敲擊力峰值的影響程度。由此，我們可以看出，對活塞動態(tài)敲擊力峰值影響最大的是配缸間隙，其次是活塞銷偏置，影響最小的為活塞重心Y向偏置。

6 結論

經(jīng)過本文的分析，可得出以下結論：

1）活塞銷向承壓面的偏置導致活塞提前換向，使動態(tài)敲擊力峰值逐漸減小。

2）活塞重心的Y向偏置導致動態(tài)敲擊力峰值沿正負方向近似對稱分布，偏置為±1mm時的動態(tài)敲擊力峰值最大；活塞重心的X向偏置對動態(tài)敲擊力的影響較小。

3）配缸間隙對活塞動態(tài)敲擊力有較大影響，所以應綜合考慮各種因素影響的情況下盡量減小配缸間隙。

4）通過三因素五水平的二次回歸正交組合試驗方差分析得出，對動態(tài)敲擊力峰值影響最大的為配缸間隙，其次為活塞銷偏置，影響最小的為活塞重心Y向偏置。

[1] 李正守,郭立新,樸慧日,黃濟賢.活塞氣缸拍擊特性及其磨損間隙變化關系[J].振動.測試與診斷,2014,(5)：838-843+974.

[2] 劉宇航.活塞二階運動特性及其影響因素分析研究[D].中北大學,2014.

[3] 謝琰,席明智,劉曉麗.基于ANSYS的活塞溫度場數(shù)值模擬研究[J].柴油機設計與制造,2009,(4)：32-36+50.

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[5] 張保成,蘇鐵熊,張林仙.內(nèi)燃機動力學[M].北京：國防工業(yè)出版社,2009.