基于熱分析的活塞頭部設計規律及優化

張 昭，杜冬梅，劉世英

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206;2.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

基于熱分析的活塞頭部設計規律及優化

張 昭1，杜冬梅1，劉世英2

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206;2.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

為了得到某柴油機活塞工作過程中溫度場分布，并對活塞結構提出改進。建立了活塞的模型，通過修改模型的火力岸高度，對這些模型進行了溫度場模擬及熱應力分析;提出了在活塞頂部開積炭槽的結構，并進一步討論了不同結構積炭槽對溫度場的影響。得到了工作狀態下各種結構活塞溫度場沿其軸向和徑向的分布規律，并得出該活塞處于超負荷工作狀態及改進后的結構可以改善活塞溫度分布的結論。

熱應力分析;溫度場分布;活塞;火力岸;積炭槽

0 引言

隨著發動機的不斷強化，缸內零部件的熱負荷不斷增加，尤其是活塞，工作環境最惡劣，它承受著巨大的高頻熱負荷，發動機工作過程中，燃燒室最高溫度可達2 000℃，且活塞與燃氣直接接觸。在這方面研究者們進行了廣泛的研究，陳剛［1］等通過對發動機活塞的有限元分析，得到了活塞加載溫度和約束后的各個方向的熱應力分布情況;孫團［2］通過對建模后的活塞進行熱應力分析，分析其結構設計的合理性，為優化設計提供了建議;高希彥［3］等運用活塞組與內燃機缸套耦合的方法對柴油機活塞組進行了溫度場及熱力耦合的有限元分析，認為應力問題不會成為柴油機進一步強化的障礙。對柴油機強化的主要障礙在于熱負荷的加大使得活塞的熱膨脹變形很大，對活塞的正常運轉不利，另外，活塞環槽的溫度也是個不容忽視的大問題。王志明［4］等通過有限元分析軟件對活塞進行了溫度場的計算。因此發動機零部件的熱分析顯得尤為重要，該文將對某活塞在某一工況下的溫度場進行模擬，并進行熱應力分析，提出活塞頂部開積炭槽的方案并闡述了一些在優化設計中的規律。

1 活塞溫度場模擬

活塞結構及測點布置如圖1所示，該文中使用硬度塞法進行溫度測量。

圖1 活塞溫度測量布置圖

首先建好活塞模型，將對溫度場影響不大的部分去掉做適當的簡化，由于燃燒室在活塞頂部的中心，該文使用活塞的四分之一模型，對發動機燃燒室內受熱零部件的溫度場和熱負荷進行模擬時，一般使用第三類邊界條件。模擬時將測點溫度作為目標溫度，以經驗值作為初始溫度，通過試湊法不斷的修改活塞受熱壁面的熱邊界條件，使模擬值逐次逼近實測值，當模擬值達到誤差范圍以內時，即為模擬成功，其中測點實際溫度和模擬值如表1所示，文中模擬在ANSYS中采用實體20節點六面體傳熱單元solid90，自適應網格劃分，活塞材料為硅鋁合金，材料彈性模量設置70 GPa，泊松比0.3，熱膨脹系數2.1×10－5m/K，熱傳導率137 W/K。最終熱邊界條件如表2所示。

表1 模擬時用測點及實測溫度

表2 活塞溫度場模擬時最終熱邊界條件

活塞溫度場的模擬結果如圖2所示。

圖2 活塞溫度等高線分布

活塞模型上測點的實測值與模擬值在同一坐標系中的對比如圖3所示。實測值與模擬值基本吻合，該溫度場模擬溫度值除測點15以外誤差均在5%以內，因此，可以作為該活塞在該工況下的模擬狀態，測點15誤差來源有多個方面，有系統誤差和隨機誤差，還有因為硬度塞與活塞材料熱膨脹系數不同而使其中間產生氣隙干擾了熱傳導。

圖3 活塞上測點的實測平均值與模擬值對比

2 溫度場結果分析

圖2反應了活塞在該工況下溫度的等高線分布，從圖3中很容易看出不管是實際測量還是對溫度場的模擬中，活塞底部3和4點溫度總是低于活塞燃燒室中心點1和活塞頂部點7，這是因為燃燒室為深ω型燃燒室，底部采用大圓角過渡，避免了熱應力集中，所以降低了溫度，由圖2顯而易見，活塞頂面的溫度從活塞燃燒室中心向四周逐漸降低，而從過渡區再向外擴展，經燃燒室側壁到喉口部位溫度又逐漸升高，從喉口沿活塞頂徑向向外，溫度又有所降低，因為燃燒室喉口部位過渡角較小，熱應力集中，故燃燒室喉口是整個活塞溫度最高的地方，工作條件最惡劣。從表1、圖2和圖3中也很容易看出，火力岸工作溫度也位居前列，所以火力岸可以做一些工作以改善其工作環境。從燃燒室頂面到第一環槽溫度急劇下降，此處由于第一道活塞環的存在將燃氣傳來的熱量導入了缸套和冷卻水中，而第一環槽處溫度變化巨大，活塞側面在此又有形狀突變，形成很大的熱應力，故第一環槽的工作條件也很糟糕，一般第一環槽溫度比燃燒室底面圓角處溫度要高［5］。

從圖2中也可以看到，燃燒室底面溫度小于其兩側的溫度，這里不僅因為有第一、二道活塞環的傳熱作用，還有機油的飛濺冷卻作用，說明機油冷卻作用效果很明顯，且不亞于活塞環的冷卻，燃燒室中心由于連桿小頭擋住了從下面噴上來的機油，故此處溫度急劇升高，使燃燒室中心突起圓角部位與活塞喉口部位成為活塞上最容易出現最高溫度的地方?；钊共枯^薄并且與缸套直接接觸，其熱量經缸套傳給冷卻水帶走，同時，機油冷卻也起到很大的作用，所以活塞裙部溫度較低。

經分析可知該活塞工作溫度偏高，最高溫度為394℃，長期工作在這種工況下活塞金相組織容易發生變化，出現內部缺陷、破壞活塞工作表面，當活塞溫度超過500℃時，活塞表面可能熔化，后果將非常嚴重。活塞正常工作溫度在280～350℃，而鋁合金的正常工作的極限溫度為375℃［6］。應盡量使用十六烷值高的燃料、避免使發動機長期工作在低速大負荷工況，降低活塞工作溫度等。

3 改變活塞頭部結構的討論

該文通過改變活塞火力岸高度和在原活塞火力岸上開積炭槽等，來探討這些改變對活塞溫度場分布的影響，從而得到關于改善結構的一些規律。文中原活塞溫度測量使用的活塞火力岸高14 mm，改變其高度后分別為5 mm，8 mm，11 mm，17 mm，19 mm?；鹆Π渡祥_槽厚度1.2 mm，高度分別為3 mm，5 mm，其結構在圖4中示出。用與原活塞相同的熱邊界條件模擬其溫度場得到各模型相應測點的模擬溫度如表3所示。

圖4 積炭槽結構

表3 不同結構模擬結果相應測點溫度表 ℃

從表3中可以看到，火力岸高度由14 mm降到5 mm，火力岸溫度呈下降趨勢，但第二環岸溫度逐漸升高。原因是火力岸高度降低，燃氣溫度更容易通過火力岸和第一環槽傳至第二環岸，使活塞下部分負擔了一部分熱負荷，從而降低了火力岸的受熱強度。由此可知，適當的降低火力岸高度可以緩解火力岸的熱負荷。

活塞頭部的活塞環槽工作條件也十分惡劣，僅次于活塞頂面，尤其是活塞的第一環槽，從各結構活塞溫度分布圖中提取的第一環槽溫度分布來看，環槽從上面經底面到下面溫度逐漸降低，原因是在活塞作上下往復運動時，環槽上表面與活塞環接觸，熱量經活塞環帶至缸套經冷卻水帶走，同時熱量向四周擴散時一部分熱量由飛濺上來的機油帶走，故從上到下溫度逐漸降低。橫向比較活塞第一環槽的最高溫度可以看出，活塞火力岸高度從5～19 mm變化是，環槽最高溫度趨勢是從5 mm到8 mm最高溫度升高，而從8 mm到19 mm，環槽最高溫度又呈下降趨勢，原因是當火力岸高度由很小逐漸變大時，散熱能力變差，所以溫度會慢慢升高，而當其高度達到一定值時，通過一定截面的熱流量不變，但是熱流流向更加廣泛，如增加了火力岸與缸壁的接觸面積增加了散熱量，同時傳向活塞軸線方向的熱也會不定向傳導，也增加了傳熱當量面積。綜上所述，火力岸最高溫度會出現如上規律。

從圖5中也可以明確的判斷該活塞在該工況下，處于超負荷工作狀態，其工作狀態有待改善。若活塞第一環槽溫度超過220～230℃［7］，進入第一環槽的潤滑油就會變質、碳化，使活塞粘結，失去活動性，使環槽迅速磨損、變形，直接影響活塞組的壽命。

圖5 不同火力岸高度活塞溫度對比圖

該文通過在活塞火力岸頂部開環形積炭槽的結構進行分析發現在火力岸開高度為3 mm的槽，所起作用與使活塞火力岸高度為17 mm時效果相當，如圖6中測點15到16的曲線所示，而此時活塞火力岸的機械強度降低也很少。而且開積炭槽可以在此處形成適量積炭吸附潤滑油以改善活塞工作過程中的潤滑條件。比較開槽3 mm和開槽5 mm時，可以發現其溫度影響差距不大，后者整體溫度略低，因此，綜合考慮機械應力和熱應力有一個合適的開槽高度。若開槽厚度過大，會增加活塞的漏氣量，同時活塞頂面積縮小，缸內進氣受熱面減小，影響混合氣的蒸發、混合和燃燒，從而影響發動機性能，開槽厚度過小起不到降低活塞頂熱負荷的作用，故積炭槽有一個合適的厚度。

圖6 火力岸開槽與較高火力岸設計溫度對比圖

圖7 活塞熱應力等高線分布

活塞在工作過程中除了受巨大的機械力沖擊，還受到很大的熱應力，其中熱應力占很大一部分。圖7為活塞頭部所受熱應力的等高線分布，文中所出現不同結構最大熱應力都出現在燃燒室底部過渡圓角處和潤滑油道內，但是其應力大小遠小于硅鋁合金的許用應力，所以認為這些結構滿足設計要求。

4 結論

活塞作為發動機關鍵的受熱部件，其可靠性關系到發動機整體的可靠性，其工作狀態直接影響到發動機的動力經濟性能和排放性能。該文模擬了某活塞工作時的溫度分布，并分析了出現該種分布的原因，得出了工作活塞的溫度分布規律，該文還進一步提出積炭槽的結構，并對其進行驗證，得到該結構可以改善活塞溫度分布的結論。但該文得到的規律是單從熱分析角度出發得到的結論，因此有待于從更全面的角度出發做出分析與計算。

［1］陳剛，趙玉奎，徐春雨．基于ANSYS的某活塞熱應力分析 ［J］．計算機技術與發展，2010，20(11):214-216

［2］孫團．發動機活塞的數字建模與熱分析 ［D］．武漢:華中科技大學，2008．

［3］陳霄．船用柴油機活塞瞬態溫度場與應力場三維有限元分析［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2013．

［4］劉曉，梁紅玉．Al－Si30活塞溫度場和應力場有限元分析 ［J］．機械科學與技術，2011，30(1)，116－119．

［5］張志勇．天然氣發動機活塞溫度測量及熱負荷分析［D］．武漢:華中科技大學，2005．

［6］馬呈新．鋁合金活塞頭部設計及可靠性分析 ［D］．濟南:山東大學，2006．

［7］馮耀南，張翼．振蕩油腔位置對柴油機活塞溫度場的影響 ［J］．裝備制造技術，2009，6:11-13

［8］于文英．基于熱負荷及機械負荷柴油機活塞的結構分析與仿真［D］．天津:河北工業大學，2012．

［9］姜明，封漢潁．基于ANSYS的內燃機活塞－缸套耦合系統的傳熱模擬 ［J］．科學技術與工程，2008，8(6):1437-1440．

［10］余遠菊．組合式活塞有限元分析 ［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2011．

［11］謝琰，明智，劉曉麗．柴油機活塞溫度場試驗研究及有限元熱分析 ［J］．柴油機設計與制造，2012，18(3):5-11．

Design Rules and Optimization of Piston Head Based on Thermal Analysis

Zhang Zhao1，Du Dongmei1，Liu Shiying2
(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China;2.School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China)

In order to achieve the temperature distribution of the piston on a diesel engine in the working process and improve the structure of this piston．It established the piston models with different heights of their top land，simulated their temperature fields and the distributions of their thermal stress;it also proposed to open a coke groove on the top land，made further study of the effects of different coke groove structures on the temperature field．And finally achieved the law of the temperature distribution along the axial and radial directions of the piston，reached a conclusion that this piston was in the overload condition and the structure of coke groove do good to the temperature distribution of a piston．

thermal stress analysis;temperature distribution;piston;top land;coke groove

TK422

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.014

2014－01－04。

張昭 (1990-)，男，碩士研究生，研究方向為數字化設計與制造，E-mail:18811376250@163．com。