活塞內(nèi)冷油腔位置對(duì)燃燒室強(qiáng)度影響的研究

石小明

（濱州渤?；钊邢薰荆綎|省發(fā)動(dòng)機(jī)活塞摩擦副重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濱州256602）

0 引言

隨著國(guó)家排放法規(guī)的嚴(yán)格要求和發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)朝著小型化、輕量化、高功率密度、高可靠性及耐久性的方向發(fā)展。對(duì)柴油機(jī)來說，發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力和升功率的持續(xù)提高，導(dǎo)致活塞承受的溫度和應(yīng)力越來越高，造成活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。為有效降低活塞表面尤其是活塞頭部的溫度，現(xiàn)有的活塞普遍采用內(nèi)冷油腔結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)通過機(jī)油冷卻噴嘴將機(jī)油強(qiáng)制噴入活塞內(nèi)冷油腔中進(jìn)行循環(huán)冷卻，從而降低活塞表面的溫度?；钊砻鏈囟鹊慕档吞岣吡嘶钊倔w材料所承受的性能極限，從而提高活塞本體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；同時(shí)，活塞表面溫度的降低還有效減小了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油結(jié)焦、變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)，減小活塞積碳的產(chǎn)生。另一方面，許多發(fā)動(dòng)機(jī)廠商為提高自身發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，紛紛提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的保修里程，并延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)換油周期。活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，要求B10壽命達(dá)到150萬(wàn)km以上。這些都迫切要求設(shè)計(jì)活塞時(shí)，必須保證其高的可靠性和較低的溫度分布。

研究表明，活塞內(nèi)冷油腔的形狀和位置對(duì)于活塞表面的溫度分布和應(yīng)力分布都有顯著的影響。吳義民等人對(duì)重型車用柴油機(jī)活塞冷卻油腔進(jìn)行了研究，并對(duì)活塞冷卻油腔對(duì)冷卻油噴射量及冷卻噴嘴的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和相關(guān)試驗(yàn)［1?2］。山東大學(xué)的仲杰利用CFD模擬分析技術(shù)，對(duì)不同位置下冷卻油腔內(nèi)的冷卻油體積分?jǐn)?shù)分布和流動(dòng)情況進(jìn)行了研究，并利用FEA軟件對(duì)未帶內(nèi)冷油腔的活塞溫度分布與帶有內(nèi)冷油腔的活塞溫度分布進(jìn)行對(duì)比，得出增加活塞冷油腔對(duì)活塞溫度場(chǎng)分布的影響和意義［3?4］。以上這些研究都得出增加活塞內(nèi)冷油腔對(duì)活塞溫度分布具有較大影響；但是，在活塞內(nèi)冷油腔位置與活塞溫度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的關(guān)系方面未有更詳細(xì)的研究。本文通過調(diào)整活塞內(nèi)冷油腔與燃燒室的距離，對(duì)內(nèi)冷油腔的冷卻效果和燃燒室強(qiáng)度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，研究?jī)?nèi)冷油腔位置對(duì)活塞溫度、應(yīng)力及疲勞強(qiáng)度的影響，為活塞內(nèi)冷油腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象和方案設(shè)計(jì)

選取某柴油機(jī)活塞作為研究對(duì)象。該柴油機(jī)為直列6缸，缸徑127 mm，行程152 mm，額定功率310 kW，額定轉(zhuǎn)速1 900 r／min，最大爆發(fā)壓力18 MPa，壓縮比17∶1；其活塞材料選用行業(yè)內(nèi)普遍使用的ZL109材料，內(nèi)冷油腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。研究方案為：調(diào)整內(nèi)冷油腔與燃燒室的最小距離A（見圖1）為6 mm、8 mm和10 mm，采用模擬分析法研究距離變化對(duì)活塞表面溫度分布、應(yīng)力分布及疲勞強(qiáng)度的影響。

2 模擬仿真

利用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行活塞溫度和應(yīng)力應(yīng)變分析。強(qiáng)度校核時(shí)，選取發(fā)動(dòng)機(jī)的額定工況作為分析工況。分析時(shí)，考慮活塞受到的最大爆發(fā)壓力、裙部側(cè)向力、慣性力、活塞銷與銷孔之間的接觸壓力及溫度載荷。其中最大爆發(fā)壓力、慣性力從客戶提供的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)中獲得。

2.1 有限元模型

依據(jù)活塞、活塞銷和連桿小頭的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行1∶1三維建模，將三維模型導(dǎo)入到ANSYS有限元軟件中。為提高計(jì)算速度，在不破壞活塞整體的受力分析前提下，對(duì)模型部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如槽底倒角、小圓弧等。網(wǎng)格劃分后得到的有限元分析模型如圖2所示。網(wǎng)格劃分時(shí)活塞及連桿采用四面體10節(jié)點(diǎn)單元，共367 384節(jié)點(diǎn)；活塞銷采用六面體20節(jié)點(diǎn)單元，共20 850節(jié)點(diǎn)。經(jīng)分析，該活塞為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。為提高計(jì)算速度，取活塞、活塞銷、連桿小頭的一半模型作為有限元分析模型。

2.2 邊界條件

由于選取1／2模型作為分析模型，在對(duì)稱面施加對(duì)稱約束?；钊跉飧字凶錾舷峦鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞銷孔與活塞銷、活塞銷與連桿小頭之間及活塞裙部與缸套之間組成3對(duì)摩擦副，他們之間發(fā)生小位移滑動(dòng)接觸，分別建立接觸對(duì)。在連桿小頭下端施加固定約束。

3 結(jié)果分析

按照上述邊界條件，采用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件，計(jì)算得到活塞表面的溫度分布和應(yīng)力分布。

3.1 內(nèi)冷油腔位置對(duì)活塞溫度分布的影響

內(nèi)冷油腔位置改變對(duì)活塞燃燒室喉口、燃燒室底部、內(nèi)冷油腔及第1環(huán)槽的溫度分布有顯著影響；3種方案上述部位 （見圖3）的溫度分布如圖4所示。方案3的燃燒室喉口溫度、燃燒室底部溫度和第1環(huán)槽溫度均高于方案1和方案2。燃燒室喉口和燃燒室底部溫度越高，活塞自身材料的強(qiáng)度越低，所以活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低。而內(nèi)冷油腔及第1環(huán)槽由于與潤(rùn)滑油可直接接觸，所以這2個(gè)部位的溫度過高會(huì)造成機(jī)油結(jié)焦變質(zhì)而產(chǎn)生積碳。

3種方案中燃燒室喉口部位的溫度最高，其次為燃燒室底部的溫度，內(nèi)冷油腔和第1環(huán)槽的溫度最低，見圖4。這是因?yàn)槿加蛧娚渎潼c(diǎn)位于燃燒室喉口部位，導(dǎo)致該部位溫度最高，隨著熱量的傳遞，溫度逐漸降低。通過對(duì)比可知，隨著內(nèi)冷油腔與燃燒室距離的不斷增大，內(nèi)冷卻油腔對(duì)于燃燒室及環(huán)槽部位的冷卻效果也逐漸降低，但內(nèi)冷油腔的溫度也逐漸降低。這就要求在進(jìn)行內(nèi)冷油腔設(shè)計(jì)時(shí)，在保證內(nèi)冷油腔部位溫度低于機(jī)油結(jié)焦溫度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度臨界溫度的同時(shí)，盡量縮小燃燒室與內(nèi)冷油腔部位的距離，提高冷卻效果。

3.2 內(nèi)冷油腔位置對(duì)活塞應(yīng)力分布的影響

當(dāng)活塞頭部燃燒室部位受到爆發(fā)壓力作用時(shí)，燃燒室會(huì)產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生應(yīng)力；當(dāng)局部應(yīng)力過大、超出材料的屈服極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生開裂。本文主要研究?jī)?nèi)冷油腔位置改變對(duì)燃燒室應(yīng)力分布的影響，因此重點(diǎn)提取燃燒室部位的應(yīng)力分布。3種方案的燃燒室應(yīng)力分布如圖5所示。

由分析結(jié)果可知，在整個(gè)燃燒室，燃燒室底部的應(yīng)力最大。這是因?yàn)樵摬课痪嚯x內(nèi)冷油腔最近，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最低所致。3種方案中，方案1的燃燒室底部應(yīng)力最大，方案2次之，方案3最小。這說明隨著內(nèi)冷油腔與燃燒室的距離不斷增大，燃燒室的剛度也相應(yīng)增大，導(dǎo)致燃燒室彎曲變形減小，應(yīng)力減小。

3.3 疲勞系數(shù)

Fe?Safe是英國(guó)政府資助開發(fā)的一款計(jì)算機(jī)輔助疲勞設(shè)計(jì)軟件。該軟件被公認(rèn)為世界上技術(shù)領(lǐng)先的疲勞分析軟件，可利用應(yīng)力?壽命曲線、應(yīng)變?壽命曲線和局部應(yīng)力?應(yīng)變法進(jìn)行單軸和多軸疲勞分析。該軟件還可以和ANSYS軟件相互配合，通過讀取ANSYS有限元分析的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)結(jié)果作為輸入載荷，計(jì)算出活塞的疲勞數(shù)據(jù)［5?7］。本文采用Fe?Safe軟件，進(jìn)行多軸疲勞分析。分析時(shí)，將已經(jīng)獲得的材料特性數(shù)據(jù)輸入到軟件中，然后將ANSYS計(jì)算得到的活塞熱應(yīng)力和熱機(jī)耦合應(yīng)力結(jié)果輸入到疲勞分析軟件中，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力振幅，最終計(jì)算得到活塞關(guān)鍵部位的疲勞安全系數(shù)。疲勞系數(shù)等于極限載荷與許用載荷的比值，數(shù)值越大，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越好，也就越安全。

3種方案燃燒室最小疲勞系數(shù)對(duì)比如圖6所示。由圖6可見，燃燒室的最小疲勞系數(shù)都出現(xiàn)在活塞銷孔上方的燃燒室底部，與前面計(jì)算得到的燃燒室應(yīng)力分布基本一致。3種方案中，方案1內(nèi)冷油腔距離燃燒室最近，該部位的應(yīng)力最大，疲勞系數(shù)最小。隨著距離增大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越來越高，應(yīng)力逐漸減小，疲勞系數(shù)增大。

4 結(jié)論

1）活塞內(nèi)冷油腔與燃燒室的距離影響活塞表面的溫度分布。內(nèi)冷油腔與燃燒室距離越近，對(duì)燃燒室的冷卻效果越好，活塞溫度越低，但相應(yīng)的傳入內(nèi)冷油腔的熱量越多，內(nèi)冷油腔的溫度越高。

2）活塞內(nèi)冷油腔與燃燒室的距離影響燃燒室部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。內(nèi)冷油腔與燃燒室距離越近，燃燒室的應(yīng)力越大，疲勞系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低，反之，應(yīng)力越小，疲勞系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越好。