氣缸蓋冷卻水流道的可視化試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h1>

2021-04-19 12:39:28吳華杰

小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)訂閱 2021年1期 收藏

關(guān)鍵詞：數(shù)字模型氣缸蓋缸體

吳華杰 谷 芳 趙 詠

（1-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072 2-天津市天大銀泰科技有限公司）

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱過程研究是發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重要領(lǐng)域。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率高的同時(shí)，其零件承受的溫度高，冷卻帶走的熱量少，熱損失少，但同時(shí)零件的熱負(fù)荷就高；當(dāng)零件的熱負(fù)荷超過零件所能承受的限度時(shí)，零件的熱疲勞強(qiáng)度將會(huì)下降，并產(chǎn)生裂紋、燒熔等現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能可靠地工作，使用壽命被減損[1-2]。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)性能越是強(qiáng)化，熱負(fù)荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性影響越是增大。為兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)高效能和工作可靠性兩方面的要求，必須保持適宜的冷卻溫度。優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中，氣缸蓋承受著極高的熱負(fù)荷，對(duì)氣缸蓋傳熱進(jìn)行的課題研究一直在繼續(xù)[3-5]。其中，最關(guān)鍵的就是合理設(shè)計(jì)氣缸蓋冷卻水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以使氣缸蓋冷卻水的流量分布、流動(dòng)速度及壓力損失分布等因素最小化影響發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗與正常運(yùn)行。

在設(shè)計(jì)階段，為考察概念模型的可靠性，最直接的方法就是進(jìn)行可視化的流場(chǎng)試驗(yàn)[6]。本文即針對(duì)某復(fù)雜缸蓋冷卻水流道，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，建立了用于LDA 可視化試驗(yàn)的數(shù)字模型；并在該數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)機(jī)加工方式制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；使得可視化的流?chǎng)試驗(yàn)操作便利，密封性良好，為類似復(fù)雜流道的可視化試驗(yàn)裝置的搭建提供了研究思路和技術(shù)路線。

1 氣缸蓋冷卻水流道組成及三維數(shù)字模型的簡化設(shè)計(jì)

氣缸蓋冷卻水流道由氣缸蓋、氣缸體和缸套包圍而成。

1.1 簡化某氣缸蓋模型及提取其冷卻水流道結(jié)構(gòu)

本次研究以某氣缸蓋為例。根據(jù)廠家提供的圖紙，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件建立氣缸蓋的3D 模型?？紤]試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)加工的需要，在滿足冷卻水流道不失真的情況下，對(duì)該3D 模型進(jìn)行必要的簡化。比如去除真實(shí)的氣缸蓋加工工藝所需的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 某氣缸蓋簡化后的三維數(shù)字模型

簡化結(jié)構(gòu)的模型（圖1）可以清晰地反映出氣缸蓋和火力面部分冷卻水流道的結(jié)構(gòu)。通過整理結(jié)構(gòu)，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的布爾運(yùn)算功能，就可以分離出冷卻水流道的氣缸蓋部分（圖2 中1 部分，包括出水口結(jié)構(gòu)）和火力面部分（圖2 中2 部分）。

圖2 某簡化氣缸蓋冷卻水流道的三維數(shù)字模型

1.2 完善某簡化氣缸蓋冷卻水流道的三維數(shù)字模型

氣缸蓋的冷卻水流道是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分。在重點(diǎn)考慮氣缸蓋冷卻水流道時(shí)，也需要納入氣缸蓋之外的相關(guān)結(jié)構(gòu)，包括圍繞缸體和缸套的冷卻結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的進(jìn)排水通道。缸體上涉及冷卻水流道的部分只有進(jìn)水口、與缸套相對(duì)應(yīng)的部分和與火力面連接的上水管通道，這部分的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單。所以，可以設(shè)計(jì)成基本功能等同實(shí)現(xiàn)的簡單結(jié)構(gòu)，替代缸體部分（包括缸套）的水流道結(jié)構(gòu)，作為氣缸蓋冷卻水流道的一部分（圖2 中3 部分），以避免失真。

1.3 形成完整的氣缸蓋冷卻水流道系統(tǒng)模型

根據(jù)氣缸蓋的整體結(jié)構(gòu)尺寸，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的布爾運(yùn)算功能，可以將氣缸蓋部分的冷卻水流道結(jié)構(gòu)、火力面部分的冷卻水流道結(jié)構(gòu)、缸體（缸套）部分的冷卻水流道替代結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)出水管路組裝成一體，形成完整的氣缸蓋冷卻水流道模型（如圖2 所示）。

2 氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕M成

考慮到既要做到氣缸蓋冷卻水流道試驗(yàn)平臺(tái)模型的可視化，又要充分模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)該包括用透明材料（PMMA）制造的，以氣缸蓋冷卻水流道（如圖2 所示）為內(nèi)腔的模型。該模型需要外配水流和水壓調(diào)節(jié)裝置、溢流旁路及供給整個(gè)系統(tǒng)水流循環(huán)的器具等設(shè)備，共同組成帶有水循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。水循環(huán)系統(tǒng)和氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^進(jìn)水裝置和出水裝置相連接。在試驗(yàn)的過程中整個(gè)模型系統(tǒng)的水流狀況要通過水壓和流量控制裝置達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)要求的參數(shù)指標(biāo)。

由圖2 可以看出，以氣缸蓋冷卻水流道為內(nèi)腔的模型形狀非常復(fù)雜，快速原型工藝無法對(duì)內(nèi)部表面進(jìn)行達(dá)到精度要求的后處理，只能采取模型分塊進(jìn)行的機(jī)加工制造。

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原則，將整體劃分為氣缸蓋、火力面及缸體3 部分（如圖2 所示），設(shè)計(jì)的過程充分考慮各部分的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、安裝方式、接口結(jié)構(gòu)、銜接部分的密封性以及多普勒測(cè)量結(jié)構(gòu)（測(cè)量窗口）等，做到統(tǒng)一規(guī)劃。其中，氣缸蓋部分還需要進(jìn)一步模塊化分塊處理，以達(dá)到可機(jī)加工目的。

2.1 氣缸蓋部分冷卻水流試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)字化設(shè)計(jì)

首先根據(jù)可視化的流場(chǎng)試驗(yàn)臺(tái)總體尺寸的需要，設(shè)計(jì)一個(gè)長方的實(shí)體，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的布爾運(yùn)算功能，將氣缸蓋冷卻水流道模型作為其內(nèi)腔，其上包含了整套模型的出水口結(jié)構(gòu)和與火力面相銜接的通道。然后，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的模具設(shè)計(jì)向?qū)Ш头治龉δ苤邪文ＴO(shè)計(jì)的功能，對(duì)該中空模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將其分割成可加工的3 部分結(jié)構(gòu)。圖3 為氣缸蓋冷卻水流通為內(nèi)腔的模型?？紤]到加工、安裝、可視化、整體質(zhì)量及測(cè)量窗口結(jié)構(gòu)等因素，外觀結(jié)構(gòu)還要做平面化的調(diào)整。

圖3 氣缸蓋冷卻水流道為內(nèi)腔的模型

由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中冷卻水是在密封的環(huán)境中以高壓方式循環(huán)流動(dòng)，所以，為加工的可行性而分成的3 部分還需要以密封的形式組合成一個(gè)整體。除了要設(shè)計(jì)必要的緊固結(jié)構(gòu)（圖3 中的4），測(cè)量結(jié)構(gòu)（圖3 中的2），在它們相互之間的結(jié)合面上還要布置定位結(jié)構(gòu)（圖3 中的3）和密封槽（圖3 中的1）。所有密封槽的設(shè)計(jì)要嚴(yán)格按照試驗(yàn)過程中水壓的大小和壓力生成的方式進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，以抵消結(jié)合面加工粗糙度引起的密封圈工作失效情況。該部分還應(yīng)包括出水口（圖3 中的5）和安裝出水口裝置的結(jié)構(gòu)。

2.2 火力面部分冷卻水流道的數(shù)字模型設(shè)計(jì)

火力面的網(wǎng)狀孔系結(jié)構(gòu)造成機(jī)加工困難?？梢钥紤]做垂直于主要孔系軸線的平面（周圍的立面），從各平面加工通孔，然后用帶密封結(jié)構(gòu)（加工口帶密封槽，螺栓結(jié)合面布設(shè)密封膠等措施）的螺栓封堵孔口的結(jié)構(gòu)，如圖4 所示平面和側(cè)立面上的孔系。

圖4 火力面網(wǎng)狀孔系結(jié)構(gòu)

應(yīng)該注意：在該部分?jǐn)?shù)字模型的上下平面上還要設(shè)計(jì)出與氣缸蓋及缸體部分銜接處的密封槽。另外，由于實(shí)際的氣缸蓋冷卻水流道中火力面過分接近氣缸蓋部分，在本氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗(yàn)數(shù)字模型建立的過程中，應(yīng)該在不引起工作失真的情況下，適當(dāng)加長火力面與氣缸蓋之間的通道（即增加圖4 所示結(jié)構(gòu)的厚度），以保證火力面冷卻結(jié)構(gòu)部分有足夠的厚度來保證整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

2.3 缸體部分冷卻水流道的數(shù)字模型設(shè)計(jì)

由于火力面冷卻水流道的各個(gè)孔系是測(cè)速的關(guān)鍵部位，所以在設(shè)計(jì)缸體部分冷卻水流道模型時(shí)，要在保證尊重原始模型和確保密封結(jié)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的前提下，預(yù)留對(duì)進(jìn)入火力面的冷卻水路進(jìn)行測(cè)量的結(jié)構(gòu)（測(cè)量敞口），并考慮讓測(cè)量的光束從缸體的中心部分射入火力面進(jìn)水水路。還要考慮預(yù)留整體模型與安裝平臺(tái)的安裝位置；再有，為實(shí)現(xiàn)機(jī)加工，將該部分模型設(shè)計(jì)成中空的，可以環(huán)行密封組合的兩個(gè)零件。圖5 為缸體部分冷卻水流通數(shù)字模型。該部分應(yīng)該包括了進(jìn)水口和安裝進(jìn)水口裝置的結(jié)構(gòu)。由于有水密封結(jié)構(gòu)的存在，3 部分的安裝設(shè)計(jì)要統(tǒng)籌安排。緊固安裝和壓緊密封應(yīng)同時(shí)考慮。

圖5 缸體部分冷卻水流道數(shù)字模型

2.4 進(jìn)出水裝置的設(shè)計(jì)

該部分的結(jié)構(gòu)要能模擬真實(shí)的工作過程。不但要保證與模型和外部水流循環(huán)系統(tǒng)密封安全，還要確保真實(shí)的流量和流場(chǎng)。進(jìn)水和出水口的截面積要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)模型計(jì)算得出。本次研究的冷卻水流道數(shù)字模型的進(jìn)水裝置以結(jié)合面密封安裝于缸體冷卻水流道數(shù)字模型的側(cè)壁；本數(shù)字模型的出水裝置以結(jié)合面密封安裝于氣缸蓋冷卻水流道數(shù)字模型的頂端；進(jìn)出水口與外部水流循環(huán)系統(tǒng)以錐管螺紋連接。

圖6 所示為包括了進(jìn)出水結(jié)構(gòu)在內(nèi)的完整氣缸蓋冷卻水流道可視化平臺(tái)的基本數(shù)字模型結(jié)構(gòu)。

圖6 氣缸蓋冷卻水流道可視化平臺(tái)數(shù)字模型

通過機(jī)加工得到的各部分結(jié)構(gòu)件，外加密封件、緊固件等，形成激光多普勒試驗(yàn)臺(tái)上的氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖7 所示。

圖7 氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3 結(jié)論

流動(dòng)顯示技術(shù)伴隨流體力學(xué)的發(fā)展而發(fā)展，又不斷地促進(jìn)流體力學(xué)的進(jìn)步與突破。但復(fù)雜流道內(nèi)的可視化試驗(yàn)，一直是此類試驗(yàn)研究的瓶頸。如何建立既能反映真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)，又能采用較為簡便的加工方式搭建、并適用于光學(xué)試驗(yàn)的流體力學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)成為復(fù)雜流道流體力學(xué)試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)。本文提出的缸蓋冷卻水復(fù)雜流道可視化數(shù)字模型建立方法，為此類流體力學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建提供了一定的研究思路和技術(shù)路線，使得深入研究發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)和傳熱機(jī)理成為可能，對(duì)如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能和使用壽命意義重大。

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