基于有限元對柴油機(jī)拉缸原因分析

摘 要：對空調(diào)發(fā)電車柴油機(jī)組檢修時發(fā)現(xiàn)了不正常的拉缸現(xiàn)象，為找到其原因利用Solidworks軟件對柴油機(jī)活塞與缸套進(jìn)行三維建模，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件中進(jìn)行熱載荷分析，得到對應(yīng)的應(yīng)力分布云圖、變形云圖與溫度場云圖。為柴油機(jī)以后的日常維護(hù)與故障原因判斷提供一個可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；缸套；有限元

引言

空調(diào)發(fā)電車在旅客列車運(yùn)送旅客的過程中起著至關(guān)重要的作用，維持旅客舒適的乘車溫度，保證冰箱可以正常工作以確保食材的新鮮和保證熱水供應(yīng)。

在對一輛空調(diào)發(fā)電車進(jìn)行E3級修，柴油機(jī)落地分解檢修，記錄柴油機(jī)的使用時間僅為1240小時，分解至活塞與缸套后，檢查缸套狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)了較為嚴(yán)重的拉缸現(xiàn)象。

1三維模型的建立

為了得到最接近真實(shí)的仿真結(jié)果，三維模型的建立時一個重要的環(huán)節(jié)，理論上講，模型與實(shí)物一致性越強(qiáng)，仿真結(jié)果越可靠，但同時帶來的問題就是越真實(shí)的建模，會給后續(xù)的仿真工作帶來巨大的工作量，極大的降低工作效率。所以在保證模型真實(shí)的基礎(chǔ)上，要對模型進(jìn)行一定的簡化，以提高工作效率。

2有限元分析

2.1網(wǎng)格的劃分與材料屬性的配置

活塞的材料為鋁合金，其密度為2660kg/m3 泊松比為0.33，楊氏模量為73000MPa。缸套為合金鋼。

圖1 活塞網(wǎng)格模型 圖2 缸套網(wǎng)格模型

2.2載荷的施加

柴油機(jī)的工作原理：首先由噴油嘴將霧化柴油噴入燃燒室，在燃燒室內(nèi)柴油與空氣混合后點(diǎn)燃，燃料點(diǎn)燃后迅速膨脹，推動活塞下行，活塞推動活塞連桿，連桿推動曲軸從而完成動力的輸出?？梢钥闯龌钊诟滋變?nèi)主要承受的應(yīng)力來源有燃料燃燒膨脹與連桿的反作用力。

柴油在缸內(nèi)爆燃時，最大可產(chǎn)生17MPa的應(yīng)力，我們設(shè)活塞所受連桿的力與氣缸軸線之間的夾角為β，α為曲軸轉(zhuǎn)角。ω為柴油機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)的角速度，r為曲柄的半徑，λ為連桿的長度和曲軸的回轉(zhuǎn)半徑的比值?；钊谐虨?35mm。那么活塞頂所受的柴油爆燃后的應(yīng)力為公式2.1：

（2.1）

式中 為缸體內(nèi)部活塞頂部的應(yīng)力， 為缸體內(nèi)氣體的絕對壓強(qiáng)， 為曲軸箱內(nèi)的氣體絕對壓強(qiáng)， 表示活塞投影面積，D為氣缸直徑（2.2）

（2.2）

計(jì)算得 ，作用在活塞的頂部

活塞的慣性力 的計(jì)算利用公式（2.3）

（2.3）

式中 為活塞組件的質(zhì)量，包括活塞、活塞銷、活塞環(huán)以及活塞銷卡環(huán)幾個部件。計(jì)算得

活塞側(cè)推力的計(jì)算

活塞在缸套內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動的過程中會擺動，所以會受到側(cè)壓力，用 表示，計(jì)算公式2.4如下：

（2.4）

計(jì)算得

活塞銷座支反力的計(jì)算

活塞銷座受到活塞銷的力簡單的理解為活塞頂部的氣體壓力和活塞各部分組件的慣性力紙盒，但方向向上，作用于銷座空兩個內(nèi)圓之上，計(jì)算公式2.5如下

（2.5）

計(jì)算得Q=-7700N，方向相反

3結(jié)果分析

將上述載荷施加于有限元模型中，得到了活塞與缸套的應(yīng)力分布云圖（圖3）和活塞與缸套的變形云圖（圖4）

圖3 活塞與缸套的應(yīng)力分布云圖 圖4 活塞與缸套的變形云圖

但在柴油機(jī)的實(shí)際工作中，活塞與缸套是處在一個高溫的環(huán)境下進(jìn)行工作的，故又對活塞與缸套進(jìn)行了溫度場與力場下的耦合分析，得到了如下的受力與變形云圖（圖5）

圖5 受力與變形云圖

4總結(jié)

根據(jù)有限元的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在施加了溫度場后，活塞與缸套的受力與變形明顯加大，嚴(yán)重影響了柴油機(jī)的正常使用。此臺柴油機(jī)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的拉缸現(xiàn)象的原因可以確定為冷卻系統(tǒng)作用不良。

參考文獻(xiàn)

[1] 6300船用柴油機(jī)缸套機(jī)械應(yīng)力的有限元分析_曹海濱

[2] 柴油機(jī)缸套_活塞環(huán)摩擦振動量化分析方法研究_黃朝明

[3] 柴油機(jī)活塞的有限元分析_馬春燕

[4] 柴油機(jī)拉缸故障的仿真研究_黃映云

[5] 高速柴油機(jī)活塞溫度試驗(yàn)與熱力耦合仿真_寧海強(qiáng)

[6] 新型中速柴油機(jī)氣缸套溫度場有限元分析與試驗(yàn)研究_余永華

作者簡介

武則濤 中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司 包頭車輛段 檢修車間技術(shù)員。

（作者單位：中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司包頭車輛段）