基于有限元對柴油機拉缸原因分析

摘 要：對空調發電車柴油機組檢修時發現了不正常的拉缸現象，為找到其原因利用Solidworks軟件對柴油機活塞與缸套進行三維建模，并將三維模型導入ANSYS Workbench有限元分析軟件中進行熱載荷分析，得到對應的應力分布云圖、變形云圖與溫度場云圖。為柴油機以后的日常維護與故障原因判斷提供一個可靠的理論依據。

關鍵詞：柴油機；缸套；有限元

引言

空調發電車在旅客列車運送旅客的過程中起著至關重要的作用，維持旅客舒適的乘車溫度，保證冰箱可以正常工作以確保食材的新鮮和保證熱水供應。

在對一輛空調發電車進行E3級修，柴油機落地分解檢修，記錄柴油機的使用時間僅為1240小時，分解至活塞與缸套后，檢查缸套狀態，發現了較為嚴重的拉缸現象。

1三維模型的建立

為了得到最接近真實的仿真結果，三維模型的建立時一個重要的環節，理論上講，模型與實物一致性越強，仿真結果越可靠，但同時帶來的問題就是越真實的建模，會給后續的仿真工作帶來巨大的工作量，極大的降低工作效率。所以在保證模型真實的基礎上，要對模型進行一定的簡化，以提高工作效率。

2有限元分析

2.1網格的劃分與材料屬性的配置

活塞的材料為鋁合金，其密度為2660kg/m3 泊松比為0.33，楊氏模量為73000MPa。缸套為合金鋼。

圖1 活塞網格模型 圖2 缸套網格模型

2.2載荷的施加

柴油機的工作原理：首先由噴油嘴將霧化柴油噴入燃燒室，在燃燒室內柴油與空氣混合后點燃，燃料點燃后迅速膨脹，推動活塞下行，活塞推動活塞連桿，連桿推動曲軸從而完成動力的輸出。可以看出活塞在缸套內主要承受的應力來源有燃料燃燒膨脹與連桿的反作用力。

柴油在缸內爆燃時，最大可產生17MPa的應力，我們設活塞所受連桿的力與氣缸軸線之間的夾角為β，α為曲軸轉角。ω為柴油機曲軸旋轉的角速度，r為曲柄的半徑，λ為連桿的長度和曲軸的回轉半徑的比值。活塞行程為135mm。那么活塞頂所受的柴油爆燃后的應力為公式2.1：

（2.1）

式中 為缸體內部活塞頂部的應力， 為缸體內氣體的絕對壓強， 為曲軸箱內的氣體絕對壓強， 表示活塞投影面積，D為氣缸直徑（2.2）

（2.2）

計算得 ，作用在活塞的頂部

活塞的慣性力 的計算利用公式（2.3）

（2.3）

式中 為活塞組件的質量，包括活塞、活塞銷、活塞環以及活塞銷卡環幾個部件。計算得

活塞側推力的計算

活塞在缸套內進行往復運動的過程中會擺動，所以會受到側壓力，用 表示，計算公式2.4如下：

（2.4）

計算得

活塞銷座支反力的計算

活塞銷座受到活塞銷的力簡單的理解為活塞頂部的氣體壓力和活塞各部分組件的慣性力紙盒，但方向向上，作用于銷座空兩個內圓之上，計算公式2.5如下

（2.5）

計算得Q=-7700N，方向相反

3結果分析

將上述載荷施加于有限元模型中，得到了活塞與缸套的應力分布云圖（圖3）和活塞與缸套的變形云圖（圖4）

圖3 活塞與缸套的應力分布云圖 圖4 活塞與缸套的變形云圖

但在柴油機的實際工作中，活塞與缸套是處在一個高溫的環境下進行工作的，故又對活塞與缸套進行了溫度場與力場下的耦合分析，得到了如下的受力與變形云圖（圖5）

圖5 受力與變形云圖

4總結

根據有限元的分析結果可以發現，在施加了溫度場后，活塞與缸套的受力與變形明顯加大，嚴重影響了柴油機的正常使用。此臺柴油機出現比較嚴重的拉缸現象的原因可以確定為冷卻系統作用不良。

參考文獻

[1] 6300船用柴油機缸套機械應力的有限元分析_曹海濱

[2] 柴油機缸套_活塞環摩擦振動量化分析方法研究_黃朝明

[3] 柴油機活塞的有限元分析_馬春燕

[4] 柴油機拉缸故障的仿真研究_黃映云

[5] 高速柴油機活塞溫度試驗與熱力耦合仿真_寧海強

[6] 新型中速柴油機氣缸套溫度場有限元分析與試驗研究_余永華

作者簡介

武則濤 中國鐵路呼和浩特局集團有限公司 包頭車輛段 檢修車間技術員。

（作者單位：中國鐵路呼和浩特局集團有限公司包頭車輛段）