某型船用低速機活塞溫度場的仿真與測試分析

史成蔭 胡 磊 梅春陽 周 振

(武漢理工大學船海與能源動力工程學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學船舶動力工程技術交通行業重點實驗室2) 武漢 430063) (中船動力研究院有限公司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燃燒室部件之一，承受著較高的熱負荷和機械負荷，是柴油機較高故障率部件之一.過高的熱負荷會導致活塞出現燒蝕、熱變形、高溫蠕變，以及熱疲勞等現象，甚至失效.評估低速機熱負荷最直接的方式就是獲得活塞的溫度場[1].目前國內對于活塞的溫度場測試主要是針對中高速小型機，而我國自主品牌低速機的設計已經停止了近40年[2]，因此根據活塞溫度仿真計算結果，設計低速機活塞溫度場測試試驗件、開發低速機活塞溫度場測試系統，進行低速機活塞溫度場試驗測試，對自主品牌低速機的開發有非常重要的意義.

由于活塞屬于運動件，溫度實測相對較難.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，可連續測量多工況溫度數據等優勢[4]，因此傳統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據準確無誤的傳輸至上位機非常重要.

但對于低速機活塞而言，由于其運動幅度相對較大，頻率較高，所處的環境溫度高，還位于缸套內部，致使信號傳輸比較困難，傳輸系統要求高.國內外許多專家和學者進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，進行溫度場的測試，并對仿真結果驗證.

1 低速機活塞溫度場仿真計算

溫度場按照是否隨時間變化，可分為瞬態溫度場和穩態溫度場.在穩定工況下運行的低速機，活塞表面的溫度波動僅發生在表層2 mm左右，因此可以將穩定工況下的活塞溫度場近似看成穩態溫度場[7].其基本參數和材料屬性見表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置

低速機實際工作過程中，其缸內的溫度、換熱系數隨時間不斷變化，由于這種變化只發生在活塞近表面，因此可將活塞近似看成穩態溫度.

由于低速機活塞實際熱邊界條件參數難以獲取，故采用實物測試與仿真相結合的方法對邊界條件進行設置并反復修正迭代[8-9]，本文主要設置活塞頂部、火力岸與活塞環區、活塞內冷卻油腔這三個區域來計算活塞熱負荷.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，通過經驗公式計算的方法對活塞頂面邊界條件進行確定，本文研究的柴油機屬于二沖程低速機，故采用廣泛應用于低速機換熱計算的Eichelberg公式計算活塞頂面換熱系數[10-11].為方便后續邊界條件設置，本文采用求解活塞頂面平均溫度與平均換熱系數的方法作為活塞頂部的邊界條件[12].火力岸與活塞環區、活塞內冷卻油腔可參考文獻[13]獲取.

1.2 活塞溫度場仿真結果

在ANSYS Workbench平臺中將熱邊界條件加載至活塞計算模型上，計算得到最大連續運行工況100%負荷、105%和110%超負荷工況三種負荷下活塞的溫度場,見圖2.

圖2 活塞溫度分布云圖

由圖2可知：

1) 由于高溫燃氣直接作用于活塞頂，其溫度較高，最高溫度出現在噴油器噴射燃油的點火位置，而活塞中心位置的溫度相對燃油點火區域較低，主要原因是該區域距離冷卻油近，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域，主要由于該位置距離冷卻油較遠，散熱圖效果不佳導致.

2) 活塞自上而下的溫度是不斷下降的，在活塞外側，自活塞頂部邊緣至活塞環區，溫度比較低且溫度下降比較快，在100%負荷下活塞第一道環區的溫度為150 ℃，在110%負荷下活塞第一道環區的溫度為180 ℃，溫度均低于潤滑油的結焦溫度220 ℃，滿足實際發動機的使用要求.但隨著負荷的增加，活塞第一道環槽的溫度也顯著升高.

3) 100%負荷狀態下活塞內冷卻油腔最高溫度在180 ℃，由于活塞內冷卻油腔冷卻油流動速度比較快，因此也不會出現冷卻油結焦現象.此問題可以通過增大冷卻油的進出口壓差和流速，以增強換熱.

4) 活塞最低溫度出現在活塞最底層環區和活塞內冷卻油腔下部，100%負荷下活塞最高溫度與最低溫度相差了353 ℃，110%負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力.此問題可以選擇給活塞頂面增加涂層，適當降低活塞頂面溫度，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 ℃，可見在超負荷狀態下，活塞頭的熱負荷大幅上升，110%負荷下，活塞第一道環槽的溫度也顯著升高，這容易引起潤滑油的結焦炭化而失效.如果低速機超負荷長時間運行，將會引起活塞的燒蝕、熱變形等不良現象，甚至導致活塞失效.因此，應盡量避免低速機長時間超負荷運行，可以選擇熱膨脹率比較低的活塞材料.

2 活塞溫度場測試

低速機活塞溫度場測試系統采用的無線感應技術，實現感應動子與感應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

根據測點布置方案，在低速機活塞試驗件上總共設計加工11個孔，總共可布置20個熱電偶傳感器.選用K型絕緣熱電偶進行低速機活塞溫度場測試，該型熱電偶具有線性度、穩定性和均勻性好、靈敏度高、測量結果可靠等多種優點.考慮到錐塞具有很好的自鎖固定功能，所以設計加工錐塞將熱電偶傳感器安裝固定至不同的位置，錐塞尺寸設計是根據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，同時活塞頂面的錐塞內部加工兩個直徑略大于K型熱電偶直徑的孔，用來安裝熱電偶傳感器，兩個孔深呈梯度設計，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 錐塞實物圖

圖5 錐塞安裝熱電偶示意圖

2.2 低速機活塞溫度場測試系統開發

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

熱電偶傳感器直接連接至感應動子，二者均隨著活塞同步進行往復運動.當活塞下行至下止點，感應動子與感應定子之間的感應距離小于10 mm時，感應動子與感應定子通過無線感應技術完成這一循環的信號傳輸與能量傳遞.感應定子與機箱通過專用補償導線連接，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 低速機活塞溫度場測試系統驗證

該測試系統是基于無線溫度場測試原理搭建的，以實時測量低速機活塞的溫度，開發完成后，需先對該溫度場測試系統進行相關驗證.由于低速機活塞是做往復運動的，所以測試系統還應具有較好的動態特性.

2.4 測試系統試驗標定

系統準確性的驗證，采用恒溫爐提供標準熱源，連接溫度場測試系統，將溫度傳感器(K型熱電偶)插入標準恒溫熱源中，將恒溫爐溫度依次調整為50，100，150，200，250，300，350 ℃共七個標準熱源點，并依次將活塞溫度場測試系統采集到的溫度值與恒溫爐顯示的標準溫度進行對比，誤差在±3 ℃度以內即可滿足設計要求.低速機溫度場測試系統標定示意圖見圖8.

圖8 系統準確性標定示意圖

當恒溫爐溫度的穩定后，使用低速機活塞溫度場測試系統連續采集10 s的數據，并在每個標準熱源點采集三次，每次相隔10 min，最后對所有數據進行平均，將平均后的溫度值與標準熱源進行對比，結果見圖9.低速機活塞溫度場測試系統在低溫時，誤差相對較大，接近于3 ℃，這主要是感應動子冷端溫度的變化所導致.隨著溫度的提高，誤差逐漸減小，說明該低速機活塞溫度場測試系統準確性能夠滿足要求.

圖9 標定結果對比

2.5 測試系統動態性驗證

驗證測試系統的動態特性，驗證示意圖及驗證現場圖見圖10.

圖10 測試系統動態特性驗證示意圖

測試系統動態特性驗證方法：

1) 應用實驗室現有的活塞環摩擦磨損試驗臺，該實驗臺可以模擬活塞進行往復運動，且轉速可調.

2) 將低速機活塞測溫系統感應動子固定于活塞上，令其可隨活塞同步進行往復運動.

3) 將低速機活塞測溫系統感應定子固定在某一位置，令其可在活塞往復運動一個循環內與感應動子感應，實現數據的傳輸和能量的傳遞.

4) 將K型熱電偶安裝至感應動子，并將探頭插入恒溫爐.

5) 連通整個活塞測溫系統，同時將試驗臺轉速調整至169 r/min,將恒溫爐溫度依次調整為50，100，150，200，250，300，350 ℃.

6) 使用活塞測溫系統在每個標準熱源點連續采集三次，每次間隔10 min，每次采集時間為10 s.

7) 將采集的溫度平均處理，并于恒溫爐標準熱源溫度進行對比.與準確性驗證不同的是：準確性驗證不需要啟動電機，而動態特性驗證時需要啟動電機.

測試系統動態性驗證結果見圖11.該測溫系統在運動狀態下，測溫誤差有所增大，尤其是在低溫區域，誤差超過了3 ℃，但是隨著溫度的升高，誤差減小.由于對低速機活塞的測溫區域主要集中于活塞頂面和第一道活塞環，這些區域溫度都比較高，因此該測溫系統可以滿足低速機活塞場溫度測試要求.

圖11 運動狀態標定結果對比

2.6 活塞溫度場測試數據分析

在100%負荷下低速機活塞溫度測試實驗數據，測點布置見圖12，其中測點7、8、16由于熱電偶傳感器在試驗中出現故障，且在試驗中無法更換，所以這3個點未能采集到試驗數據，其他17個正常測點試驗數據見表3.

圖12 測點序號圖

表3 100%負荷活塞溫度場試驗數據

由表3可知：

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

2) 在100%負荷時低速機活塞最高溫度出現在測點5，其值為437.8 ℃，位于噴油器噴射燃油的著火點位置附近，該區域溫度均比較高.

3 活塞溫度場仿真與試驗測試對比分析

通常情況下試驗測試得到的溫度值與真實值更為接近，將仿真計算得到的活塞溫度場與試驗測試得到的特征點溫度值進行對比，可以驗證仿真計算結果的可信度.對比100%負荷下仿真計算值與試驗測試值見圖13，直觀對比各測點之間差別見圖14.

圖13 仿真計算值與試驗測試對比結果

圖14 各測點相對誤差

由圖13～14可知：仿真計算值與試驗測試值的誤差都在5%以內，證明該型低速機活塞溫度場仿真計算準確度較高，可以為低速機活塞的設計、開發與測試提供參考依據.

4 結 論

1) 設計與研制低速機活塞試驗件可較好滿足船用低速機活塞測量要求，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據，為低速機研發和熱負荷測量提供測試手段.

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

3) 在額定負荷工況下活塞432 ℃左右，且溫度隨著負荷的增加而增加，在超負荷狀態下，活塞頭的熱負荷大幅上升，容易引起潤滑油的結焦碳化而失效，應盡量避免低速機長時間超負荷運行，同時可選擇熱膨脹率比較低的活塞材料.

通過對低速機活塞溫度場的計算與測試分析，驗證了溫度場計算方法的準確性和測試系統的可行性，可為自主低速機活塞的設計、開發與測試提供技術支撐.