柴油機(jī)活塞內(nèi)冷油道CAE優(yōu)化設(shè)計

張崗

摘? 要：本文針對國內(nèi)某款柴油機(jī)活塞在售后市場上較大范圍出現(xiàn)活塞開裂穿孔等失效問題，對柴油機(jī)活塞內(nèi)冷油道位置及結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用ANSYS軟件對優(yōu)化方案進(jìn)行CAE模擬分析，通過對活塞溫度及溫度-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力結(jié)果對比分析研究，對柴油機(jī)活塞內(nèi)冷油道進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，通過臺架試驗和市場應(yīng)用驗證，有效降低了柴油機(jī)活塞開裂穿孔等失效風(fēng)險和售后市場賠償率。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)活塞;內(nèi)冷油道;熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

中圖分類號：U446? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）03-0082-05

Abstract： This paper aims at the failure of piston cracking in a domestic diesel engine piston in market. The position and structure size of the internal cooling oil channel of the diesel engine piston are optimized. The ANSYS software is used to simulate the optimization scheme by CAE， Temperature of piston、the coupling stress results of the piston are obtained. The design optimization of internal cooling oil channel of diesel engine piston is carried out by comparison analysis. Through Engine bench test and market application verification， the failure risk of diesel engine piston is cut down， market compensation rate are effectively reduced.

Key Words： Diesel engine piston; Internal cooling oil channel; Thermal structure coupling analysis

1? ? 前言

活塞是柴油機(jī)燃燒室中的關(guān)鍵零部件，與整機(jī)的性能、排放性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。隨著發(fā)動機(jī)向高速、強(qiáng)化方向的發(fā)展，其增壓比和升功率不斷提高，熱負(fù)荷大幅增加，活塞的工作條件更加惡劣，故其可靠性已成為提高發(fā)動機(jī)可靠性的關(guān)鍵因素之一。

內(nèi)燃機(jī)活塞工作環(huán)境惡劣，不僅承受燃燒氣體爆發(fā)壓力、活塞組件的慣性力、缸壁的反作用力，而且還承受氣體燃燒所釋放出的熱量，因此，活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜。以前的設(shè)計基本靠產(chǎn)品設(shè)計者的經(jīng)驗和昂貴的發(fā)動機(jī)試驗進(jìn)行驗證，不僅浪費(fèi)巨大的人力物力，而且開發(fā)周期很長;目前國內(nèi)外已普遍采用CAE模擬分析進(jìn)行活塞可靠性設(shè)計，提高活塞產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)效率，因此對于活塞可靠性進(jìn)行模擬仿真分析已成為活塞產(chǎn)品設(shè)計的必要步驟。

本文主要針對國內(nèi)某款柴油發(fā)動機(jī)活塞在售后市場上出現(xiàn)較多活塞開裂穿孔等失效問題，通過對活塞內(nèi)冷油道進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，采用ANSYS軟件Mechanical模塊進(jìn)行CAE計算分析，通過分析優(yōu)化活塞油道位置和形狀尺寸設(shè)計，以期降低活塞開裂穿孔失效風(fēng)險。

柴油機(jī)活塞CAE分析目標(biāo)：通過CAE模擬分析活塞內(nèi)冷油道位置、高度、偏移等對燃燒室喉口及內(nèi)冷油道部位的應(yīng)力影響，找出內(nèi)冷油道適宜位置及形狀尺寸，通過活塞產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化，以改善柴油機(jī)活塞開裂穿孔的失效問題。

分析方案：針對油道位置和形狀尺寸進(jìn)行設(shè)計對比分析，找出活塞內(nèi)冷油道最佳位置和形狀尺寸，提高活塞工作強(qiáng)度可靠性，解決活塞穿孔開裂問題。

2? ? 活塞材料參數(shù)和CAE模型

柴油機(jī)活塞采用共晶鋁硅合金材料S04，其常溫下的彈性模量E=72000 MPa，泊松比μ=0.3l，導(dǎo)熱系數(shù)λ=140 W/（mm×K），比熱容C=920E-3 J/（ T×K ），密度ρ=2 .73E-9T/mm3，150～350℃時的材料線形膨脹系數(shù)β=21.4×10-6/℃;

活塞一環(huán)槽部位鑄鐵鑲?cè)Σ捎脢W氏體鑄鐵，其常溫下的彈性模量E=99000Mpa，泊松比μ=0.28，導(dǎo)熱系數(shù)λ=60W/（mm×K），比熱容C=448E-3J/（T×K），密度ρ=7.3E-9T/mm3，150～350℃時的材料線形膨脹系數(shù)β=19.5×10-6/℃;

活塞銷及連桿材料采用合金鋼20CrMnTiH，其常溫下的彈性模量E=207000MPa，泊松比μ=0.3，導(dǎo)熱系數(shù)λ=50 W/（ mm×K ），比熱容C=460E-3 J/（ T×K ），密度ρ=7.83E-9T/mm3，150～350℃時的材料線形膨脹系數(shù)β=12×10-6/℃。

活塞、活塞銷和連桿模型的建立，首先采用UG軟件建立產(chǎn)品的三維幾何模型，并且把所建立的三維模型通過UG和ANSYS軟件的接口導(dǎo)入到ANSYS中;所有部件均是按照真實尺寸建模，導(dǎo)入后沒有特征的丟失。在本次分析中熱單元采用10節(jié)點(diǎn)87號單元，結(jié)構(gòu)單元采用10節(jié)點(diǎn)187號單元;采用四面體網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，保證CAE網(wǎng)格的劃分質(zhì)量，在活塞危險區(qū)域和需要重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確;模型和網(wǎng)格劃分效果如下圖3：

3? ? 邊界條件

活塞熱-結(jié)構(gòu)耦合場的計算采用間接耦合法，先分析活塞溫度場，將溫度場的結(jié)果作為邊界條件進(jìn)行溫度-結(jié)構(gòu)耦合分析。

3.1? ?溫度場載荷的處理

活塞的熱邊界條件采用傳熱的第三類邊界條件，即給出外圍介質(zhì)溫度和邊界的對流換熱系數(shù)， 柴油機(jī)活塞在設(shè)計時考慮采用內(nèi)冷油道來降低活塞的熱負(fù)荷，通?；钊麅?nèi)冷油道與冷卻噴油的換熱系數(shù)在1000-1600 W/（m2×K）之間?；钊麅?nèi)腔與曲軸箱飛濺油的換熱系數(shù)在300-600 W/（m2×K）之間，且自上而下逐段減小;裙部區(qū)域的換熱系數(shù)在350-465 W/（m2×K）之間;環(huán)區(qū)的換熱系數(shù)在第一環(huán)槽可高達(dá)1500 W/（m2×K）。燃燒室頂面對燃?xì)獾膿Q熱系數(shù)在400-600W/（m2×K）活塞各個面上的對流換熱系數(shù)見下表1。

3.2? ?結(jié)構(gòu)分析載荷的處理

在活塞頂面加載發(fā)動機(jī)最大爆壓18MPa，在火力岸及一環(huán)槽區(qū)域加載0.8倍最大爆壓，二環(huán)槽區(qū)域加載0.2倍最大爆壓。

3.3? ?連接及約束處理

活塞與活塞銷、活塞銷和連桿間建立接觸對連接，連桿下端面固定約束。

4? ? CAE分析結(jié)果

4.1? ?現(xiàn)設(shè)計（1#方案）活塞CAE分析結(jié)果

溫度分析結(jié)果：活塞最高溫度為338.39℃，出現(xiàn)在活塞燃燒室喉口部位，活塞最低溫度為141.50℃，出現(xiàn)在活塞裙部的下端。

溫度-結(jié)構(gòu)耦合分析應(yīng)力分析結(jié)果：應(yīng)力最大部位在活塞一環(huán)槽下側(cè)面，最大應(yīng)力為141.5 MPa，銷孔部位最大應(yīng)力值為73.8MPa，內(nèi)冷油道部位最大應(yīng)力為109.2 MPa，燃燒室喉口部位最大應(yīng)力為51.9 MPa。

4.2? ?油道上下位置移動（2#、3#方案）CAE分析的應(yīng)力結(jié)果對比

對比結(jié)果：內(nèi)冷油道位置上下移動對活塞溫度及內(nèi)冷油道應(yīng)力均有影響，尤其對活塞內(nèi)冷油道部位應(yīng)力影響較大，油道上移可以降低活塞內(nèi)冷油道部位應(yīng)力，同時降低活塞整體溫度;內(nèi)冷油道下移則顯著增大活塞內(nèi)冷油道部位應(yīng)力，并導(dǎo)致活塞溫度升高。

4.3? ?油道偏心移動（4#、5#方案）CAE分析的應(yīng)力結(jié)果對比

對比結(jié)果：油道沿銷孔或垂直銷孔方向移動1.5毫米對活塞溫度影響不明顯，但對內(nèi)冷油道和燃燒室喉口部位應(yīng)力有一定影響，油道和燃燒室喉口部位應(yīng)力升高，故要求在生產(chǎn)中對活塞內(nèi)冷油道偏移公差應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免內(nèi)冷油道偏移量過大，造成活塞危險部位應(yīng)力過大，造成活塞在內(nèi)冷油道和燃燒室部位出現(xiàn)開裂失效。

4.4? ?油道形狀尺寸（6#、7#、8#方案）CAE分析的應(yīng)力結(jié)果對比

活塞內(nèi)冷油道高度和寬度減小，造成活塞內(nèi)冷油道內(nèi)腔冷卻面積減小，內(nèi)冷油道尺寸減小雖然對活塞內(nèi)冷油道、燃燒室和銷孔部位的應(yīng)力有一定程度降低，但導(dǎo)致活塞溫度升高幅度較大，降低活塞使用可靠性。

4.5? ?結(jié)果匯總統(tǒng)計分析

活塞內(nèi)冷油道上移，活塞溫度下降較為明顯，活塞內(nèi)冷油道、燃燒室喉口部位應(yīng)力也有所降低，這對改善活塞出現(xiàn)的開裂穿孔失效有明顯效果;活塞內(nèi)冷油道形狀尺寸減小對改善活塞危險部位應(yīng)力有一定效果，但減小了活塞內(nèi)冷油道冷卻面積，造成活塞整體溫度升高，不利于活塞可靠性提高;活塞內(nèi)冷油道位置偏移公差過大，會導(dǎo)致活塞內(nèi)冷油道及燃燒室喉口部位應(yīng)力增大，尤其是內(nèi)冷油道部位應(yīng)力增大較為明顯，所以活塞油道偏移公差應(yīng)在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制，防止出現(xiàn)大于1mm以上的偏移。

5? ? 結(jié)論

（1）活塞內(nèi)冷油道的上下位置變動：油道上移，活塞整體溫度降低，并可使活塞內(nèi)冷油道和燃燒室喉口部位的應(yīng)力降低，對改善活塞整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有很好的效果;油道下移，活塞整體溫度升高，并將導(dǎo)致活塞內(nèi)冷油道部位的應(yīng)力出現(xiàn)較大幅度的增加，增加活塞開裂穿孔的風(fēng)險。

（2）活塞內(nèi)冷油道偏移對活塞強(qiáng)度影響較大，會導(dǎo)致活塞內(nèi)冷油道部位應(yīng)力顯著增大，活塞內(nèi)冷油道偏移度應(yīng)在生產(chǎn)工藝中嚴(yán)格控制。

（3）減小內(nèi)冷油道內(nèi)腔面積可以降低活塞內(nèi)冷油道部位的應(yīng)力，但減小內(nèi)冷油道內(nèi)腔面積會造成活塞整體溫度升高較大。

綜合以上CAE分析對比結(jié)果，柴油機(jī)內(nèi)冷油道活塞設(shè)計優(yōu)化方案采用內(nèi)冷油道上移1.0mm，內(nèi)冷油道形狀尺寸不變，可以有效降低活塞整體溫度，同時降低活塞內(nèi)冷油道和燃燒室喉口部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而有效降低活塞售后市場出現(xiàn)開裂穿孔的風(fēng)險。

依據(jù)CAE模擬分析結(jié)果對柴油機(jī)活塞內(nèi)冷油道優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計優(yōu)化后的活塞產(chǎn)品經(jīng)過發(fā)動機(jī)臺架試驗及市場應(yīng)用驗證，柴油機(jī)活塞售后市場出現(xiàn)活塞開裂穿孔失效比率明顯降低，有效解決了柴油機(jī)活塞開裂穿孔失效問題。

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