某型船用低速機(jī)活塞溫度場的仿真與測試分析

史成蔭 胡 磊 梅春陽 周 振

(武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063) (中船動(dòng)力研究院有限公司3) 上海 201206) (中國船級社江蘇分社連云港辦事處4) 連云港 222000)

0 引 言

活塞作為低速柴油機(jī)燃燒室部件之一，承受著較高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，是柴油機(jī)較高故障率部件之一.過高的熱負(fù)荷會導(dǎo)致活塞出現(xiàn)燒蝕、熱變形、高溫蠕變，以及熱疲勞等現(xiàn)象，甚至失效.評估低速機(jī)熱負(fù)荷最直接的方式就是獲得活塞的溫度場[1].目前國內(nèi)對于活塞的溫度場測試主要是針對中高速小型機(jī)，而我國自主品牌低速機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)停止了近40年[2]，因此根據(jù)活塞溫度仿真計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)低速機(jī)活塞溫度場測試試驗(yàn)件、開發(fā)低速機(jī)活塞溫度場測試系統(tǒng)，進(jìn)行低速機(jī)活塞溫度場試驗(yàn)測試，對自主品牌低速機(jī)的開發(fā)有非常重要的意義.

由于活塞屬于運(yùn)動(dòng)件，溫度實(shí)測相對較難.活塞溫度場常見的測試方法主要有[3]：易熔合金法、硬度塞法和熱電偶法.由于熱電偶測溫法有精度高，可連續(xù)測量多工況溫度數(shù)據(jù)等優(yōu)勢[4]，因此傳統(tǒng)的零部件溫度測試常選用熱電偶測溫的方法，在測試過程中，如何將熱電偶測得的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的傳輸至上位機(jī)非常重要.

但對于低速機(jī)活塞而言，由于其運(yùn)動(dòng)幅度相對較大，頻率較高，所處的環(huán)境溫度高，還位于缸套內(nèi)部，致使信號傳輸比較困難，傳輸系統(tǒng)要求高.國內(nèi)外許多專家和學(xué)者進(jìn)行了活塞溫度場的有效測試方法研究[5-6]，提出了普通引線式、紅外遙感測試法、電磁感應(yīng)式和存儲式等信號傳輸方式，這些方式一定程度上解決了信號傳輸問題，但均有些局限性.文中采用無線傳輸方式，進(jìn)行溫度場的測試，并對仿真結(jié)果驗(yàn)證.

1 低速機(jī)活塞溫度場仿真計(jì)算

溫度場按照是否隨時(shí)間變化，可分為瞬態(tài)溫度場和穩(wěn)態(tài)溫度場.在穩(wěn)定工況下運(yùn)行的低速機(jī)，活塞表面的溫度波動(dòng)僅發(fā)生在表層2 mm左右，因此可以將穩(wěn)定工況下的活塞溫度場近似看成穩(wěn)態(tài)溫度場[7].其基本參數(shù)和材料屬性見表1～2，活塞幾何模型見圖1.

表2 活塞材料屬性表

圖1 活塞幾何模型

1.1 活塞溫度場仿真模型邊界條件的設(shè)置

低速機(jī)實(shí)際工作過程中，其缸內(nèi)的溫度、換熱系數(shù)隨時(shí)間不斷變化，由于這種變化只發(fā)生在活塞近表面，因此可將活塞近似看成穩(wěn)態(tài)溫度.

由于低速機(jī)活塞實(shí)際熱邊界條件參數(shù)難以獲取，故采用實(shí)物測試與仿真相結(jié)合的方法對邊界條件進(jìn)行設(shè)置并反復(fù)修正迭代[8-9]，本文主要設(shè)置活塞頂部、火力岸與活塞環(huán)區(qū)、活塞內(nèi)冷卻油腔這三個(gè)區(qū)域來計(jì)算活塞熱負(fù)荷.因活塞頂面溫度難以確定，綜合多方面因素，最終考慮采用第三類邊界條件，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的方法對活塞頂面邊界條件進(jìn)行確定，本文研究的柴油機(jī)屬于二沖程低速機(jī)，故采用廣泛應(yīng)用于低速機(jī)換熱計(jì)算的Eichelberg公式計(jì)算活塞頂面換熱系數(shù)[10-11].為方便后續(xù)邊界條件設(shè)置，本文采用求解活塞頂面平均溫度與平均換熱系數(shù)的方法作為活塞頂部的邊界條件[12].火力岸與活塞環(huán)區(qū)、活塞內(nèi)冷卻油腔可參考文獻(xiàn)[13]獲取.

1.2 活塞溫度場仿真結(jié)果

在ANSYS Workbench平臺中將熱邊界條件加載至活塞計(jì)算模型上，計(jì)算得到最大連續(xù)運(yùn)行工況100%負(fù)荷、105%和110%超負(fù)荷工況三種負(fù)荷下活塞的溫度場,見圖2.

圖2 活塞溫度分布云圖

由圖2可知：

1) 由于高溫燃?xì)庵苯幼饔糜诨钊?，其溫度較高，最高溫度出現(xiàn)在噴油器噴射燃油的點(diǎn)火位置，而活塞中心位置的溫度相對燃油點(diǎn)火區(qū)域較低，主要原因是該區(qū)域距離冷卻油近，冷卻效果比較好，活塞頂邊緣位置溫度高于冷卻油孔上部區(qū)域，主要由于該位置距離冷卻油較遠(yuǎn)，散熱圖效果不佳導(dǎo)致.

2) 活塞自上而下的溫度是不斷下降的，在活塞外側(cè)，自活塞頂部邊緣至活塞環(huán)區(qū)，溫度比較低且溫度下降比較快，在100%負(fù)荷下活塞第一道環(huán)區(qū)的溫度為150 ℃，在110%負(fù)荷下活塞第一道環(huán)區(qū)的溫度為180 ℃，溫度均低于潤滑油的結(jié)焦溫度220 ℃，滿足實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求.但隨著負(fù)荷的增加，活塞第一道環(huán)槽的溫度也顯著升高.

3) 100%負(fù)荷狀態(tài)下活塞內(nèi)冷卻油腔最高溫度在180 ℃，由于活塞內(nèi)冷卻油腔冷卻油流動(dòng)速度比較快，因此也不會出現(xiàn)冷卻油結(jié)焦現(xiàn)象.此問題可以通過增大冷卻油的進(jìn)出口壓差和流速，以增強(qiáng)換熱.

4) 活塞最低溫度出現(xiàn)在活塞最底層環(huán)區(qū)和活塞內(nèi)冷卻油腔下部，100%負(fù)荷下活塞最高溫度與最低溫度相差了353 ℃，110%負(fù)荷下活塞最高溫度與最低溫度相差了370 ℃，溫度分布不均勻這有可能會造成比較大的熱應(yīng)力.此問題可以選擇給活塞頂面增加涂層，適當(dāng)降低活塞頂面溫度，減小活塞的整體溫差.

5) 活塞頭的溫度隨著負(fù)荷的增加而增加，其中最高溫度從432.5 ℃增加到了455.3 ℃，可見在超負(fù)荷狀態(tài)下，活塞頭的熱負(fù)荷大幅上升，110%負(fù)荷下，活塞第一道環(huán)槽的溫度也顯著升高，這容易引起潤滑油的結(jié)焦炭化而失效.如果低速機(jī)超負(fù)荷長時(shí)間運(yùn)行，將會引起活塞的燒蝕、熱變形等不良現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致活塞失效.因此，應(yīng)盡量避免低速機(jī)長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，可以選擇熱膨脹率比較低的活塞材料.

2 活塞溫度場測試

低速機(jī)活塞溫度場測試系統(tǒng)采用的無線感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)動(dòng)子與感應(yīng)定子之間的信號傳輸，見圖3.

圖3 活塞溫度場無線測量原理示意圖

2.1 測試傳感器選擇及安裝

根據(jù)測點(diǎn)布置方案，在低速機(jī)活塞試驗(yàn)件上總共設(shè)計(jì)加工11個(gè)孔，總共可布置20個(gè)熱電偶傳感器.選用K型絕緣熱電偶進(jìn)行低速機(jī)活塞溫度場測試，該型熱電偶具有線性度、穩(wěn)定性和均勻性好、靈敏度高、測量結(jié)果可靠等多種優(yōu)點(diǎn).考慮到錐塞具有很好的自鎖固定功能，所以設(shè)計(jì)加工錐塞將熱電偶傳感器安裝固定至不同的位置，錐塞尺寸設(shè)計(jì)是根據(jù)活塞上通孔尺寸來確定的，錐塞材料選用與活塞相同的材料，且有一定的錐度，同時(shí)活塞頂面的錐塞內(nèi)部加工兩個(gè)直徑略大于K型熱電偶直徑的孔，用來安裝熱電偶傳感器，兩個(gè)孔深呈梯度設(shè)計(jì)，這樣可以測量活塞頂面在同一位置不同深度的溫度，錐塞見圖4～5.

圖4 錐塞實(shí)物圖

圖5 錐塞安裝熱電偶示意圖

2.2 低速機(jī)活塞溫度場測試系統(tǒng)開發(fā)

低速機(jī)活塞溫度場測試系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件包括溫度傳感器、信號傳出裝置(感應(yīng)動(dòng)子)、信號接收裝置(感應(yīng)定子)、機(jī)箱，軟件主要用來接收顯示并儲存采集到的溫度數(shù)據(jù).硬件包括32路測量通道的感應(yīng)動(dòng)子、固定在缸套底部的感應(yīng)定子和40路輸出通道的機(jī)箱.

熱電偶傳感器直接連接至感應(yīng)動(dòng)子，二者均隨著活塞同步進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng).當(dāng)活塞下行至下止點(diǎn)，感應(yīng)動(dòng)子與感應(yīng)定子之間的感應(yīng)距離小于10 mm時(shí)，感應(yīng)動(dòng)子與感應(yīng)定子通過無線感應(yīng)技術(shù)完成這一循環(huán)的信號傳輸與能量傳遞.感應(yīng)定子與機(jī)箱通過專用補(bǔ)償導(dǎo)線連接，可以避免采集到的溫度信號受到干擾，整體的連接示意圖見圖6.軟件的整體框架見圖7.

圖6 硬件連接示意圖

圖7 軟件框架圖

2.3 低速機(jī)活塞溫度場測試系統(tǒng)驗(yàn)證

該測試系統(tǒng)是基于無線溫度場測試原理搭建的，以實(shí)時(shí)測量低速機(jī)活塞的溫度，開發(fā)完成后，需先對該溫度場測試系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證.由于低速機(jī)活塞是做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，所以測試系統(tǒng)還應(yīng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性.

2.4 測試系統(tǒng)試驗(yàn)標(biāo)定

系統(tǒng)準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，采用恒溫爐提供標(biāo)準(zhǔn)熱源，連接溫度場測試系統(tǒng)，將溫度傳感器(K型熱電偶)插入標(biāo)準(zhǔn)恒溫?zé)嵩粗?，將恒溫爐溫度依次調(diào)整為50，100，150，200，250，300，350 ℃共七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱源點(diǎn)，并依次將活塞溫度場測試系統(tǒng)采集到的溫度值與恒溫爐顯示的標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行對比，誤差在±3 ℃度以內(nèi)即可滿足設(shè)計(jì)要求.低速機(jī)溫度場測試系統(tǒng)標(biāo)定示意圖見圖8.

圖8 系統(tǒng)準(zhǔn)確性標(biāo)定示意圖

當(dāng)恒溫爐溫度的穩(wěn)定后，使用低速機(jī)活塞溫度場測試系統(tǒng)連續(xù)采集10 s的數(shù)據(jù)，并在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱源點(diǎn)采集三次，每次相隔10 min，最后對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，將平均后的溫度值與標(biāo)準(zhǔn)熱源進(jìn)行對比，結(jié)果見圖9.低速機(jī)活塞溫度場測試系統(tǒng)在低溫時(shí)，誤差相對較大，接近于3 ℃，這主要是感應(yīng)動(dòng)子冷端溫度的變化所導(dǎo)致.隨著溫度的提高，誤差逐漸減小，說明該低速機(jī)活塞溫度場測試系統(tǒng)準(zhǔn)確性能夠滿足要求.

圖9 標(biāo)定結(jié)果對比

2.5 測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性驗(yàn)證

驗(yàn)證測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證示意圖及驗(yàn)證現(xiàn)場圖見圖10.

圖10 測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證示意圖

測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證方法：

1) 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)臺，該實(shí)驗(yàn)臺可以模擬活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速可調(diào).

2) 將低速機(jī)活塞測溫系統(tǒng)感應(yīng)動(dòng)子固定于活塞上，令其可隨活塞同步進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng).

3) 將低速機(jī)活塞測溫系統(tǒng)感應(yīng)定子固定在某一位置，令其可在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)循環(huán)內(nèi)與感應(yīng)動(dòng)子感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和能量的傳遞.

4) 將K型熱電偶安裝至感應(yīng)動(dòng)子，并將探頭插入恒溫爐.

5) 連通整個(gè)活塞測溫系統(tǒng)，同時(shí)將試驗(yàn)臺轉(zhuǎn)速調(diào)整至169 r/min,將恒溫爐溫度依次調(diào)整為50，100，150，200，250，300，350 ℃.

6) 使用活塞測溫系統(tǒng)在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱源點(diǎn)連續(xù)采集三次，每次間隔10 min，每次采集時(shí)間為10 s.

7) 將采集的溫度平均處理，并于恒溫爐標(biāo)準(zhǔn)熱源溫度進(jìn)行對比.與準(zhǔn)確性驗(yàn)證不同的是：準(zhǔn)確性驗(yàn)證不需要啟動(dòng)電機(jī)，而動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證時(shí)需要啟動(dòng)電機(jī).

測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性驗(yàn)證結(jié)果見圖11.該測溫系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，測溫誤差有所增大，尤其是在低溫區(qū)域，誤差超過了3 ℃，但是隨著溫度的升高，誤差減小.由于對低速機(jī)活塞的測溫區(qū)域主要集中于活塞頂面和第一道活塞環(huán)，這些區(qū)域溫度都比較高，因此該測溫系統(tǒng)可以滿足低速機(jī)活塞場溫度測試要求.

圖11 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)標(biāo)定結(jié)果對比

2.6 活塞溫度場測試數(shù)據(jù)分析

在100%負(fù)荷下低速機(jī)活塞溫度測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測點(diǎn)布置見圖12，其中測點(diǎn)7、8、16由于熱電偶傳感器在試驗(yàn)中出現(xiàn)故障，且在試驗(yàn)中無法更換，所以這3個(gè)點(diǎn)未能采集到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其他17個(gè)正常測點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3.

圖12 測點(diǎn)序號圖

表3 100%負(fù)荷活塞溫度場試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可知：

1) 在測點(diǎn)1～18中，奇數(shù)測點(diǎn)為距離活塞頂面的較近得測點(diǎn)，偶數(shù)測點(diǎn)為同一位置距離活塞頂面較遠(yuǎn)的點(diǎn)，由測試結(jié)果可以得到，在同一位置距離活塞頂越近其溫度越高，第一道活塞環(huán)上沿溫度大于第一道活塞環(huán)下沿的溫度，說明了自上而下活塞整體呈現(xiàn)為溫度不斷下降.

2) 在100%負(fù)荷時(shí)低速機(jī)活塞最高溫度出現(xiàn)在測點(diǎn)5，其值為437.8 ℃，位于噴油器噴射燃油的著火點(diǎn)位置附近，該區(qū)域溫度均比較高.

3 活塞溫度場仿真與試驗(yàn)測試對比分析

通常情況下試驗(yàn)測試得到的溫度值與真實(shí)值更為接近，將仿真計(jì)算得到的活塞溫度場與試驗(yàn)測試得到的特征點(diǎn)溫度值進(jìn)行對比，可以驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的可信度.對比100%負(fù)荷下仿真計(jì)算值與試驗(yàn)測試值見圖13，直觀對比各測點(diǎn)之間差別見圖14.

圖13 仿真計(jì)算值與試驗(yàn)測試對比結(jié)果

圖14 各測點(diǎn)相對誤差

由圖13～14可知：仿真計(jì)算值與試驗(yàn)測試值的誤差都在5%以內(nèi)，證明該型低速機(jī)活塞溫度場仿真計(jì)算準(zhǔn)確度較高，可以為低速機(jī)活塞的設(shè)計(jì)、開發(fā)與測試提供參考依據(jù).

4 結(jié) 論

1) 設(shè)計(jì)與研制低速機(jī)活塞試驗(yàn)件可較好滿足船用低速機(jī)活塞測量要求，非接觸互感式溫度測量方案基本可靠，可在線獲取活塞溫度數(shù)據(jù)，為低速機(jī)研發(fā)和熱負(fù)荷測量提供測試手段.

2) 活塞溫度場仿真分析結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，其熱負(fù)荷分析方法和熱邊界條件計(jì)算方法合理，仿真模型具備預(yù)測能力.

3) 在額定負(fù)荷工況下活塞432 ℃左右，且溫度隨著負(fù)荷的增加而增加，在超負(fù)荷狀態(tài)下，活塞頭的熱負(fù)荷大幅上升，容易引起潤滑油的結(jié)焦碳化而失效，應(yīng)盡量避免低速機(jī)長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)可選擇熱膨脹率比較低的活塞材料.

通過對低速機(jī)活塞溫度場的計(jì)算與測試分析，驗(yàn)證了溫度場計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和測試系統(tǒng)的可行性，可為自主低速機(jī)活塞的設(shè)計(jì)、開發(fā)與測試提供技術(shù)支撐.