yc-6k型柴油机活塞故障分析及结构优化

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1、、‘。人▲，It武汉理工大学硕士学位论文献做出了研究：有文献对柴油机活塞的热疲劳裂纹的生成及扩展情况作出了研究【铺】；有文献对研究了如何通过计算方式对活塞的热疲劳寿命进行预测等15】。对于活塞的热损伤，一般认为受到下列的因素影响：活塞的温度、活塞的结构、活塞的材料。而活塞的温度原因是引起活塞热损伤的主要原因例。因此，研究活塞温度并降低活塞温度的方式是减小活塞热损伤的途径之一，对于整个方面研究的文献也很多：文献研究了增大活塞表面热阻减小活塞温度的方法02]；文献通过有限元分析软件研究了活塞传热的途径，并活塞进

2、行了改进，降低了活塞温度【13】；文献研究了通过改进冷却油道德轴向位置，降低活塞温度的方法114-15]。活塞换热边界问题也是研究活塞温度的难点问题，有文献提出了活塞的瞬态传热过程的处理方法，为研究活塞的热疲劳问题做出了重要的贡献Il¨7J；有文献研究了活塞表面积碳对活塞传热的影响情况【l列；有文献通过流体固体耦合计算的方式，研究了活塞的传热情况【1％¨。活塞出现热损伤的另外一个原因是活塞结构的影响情况，在无法降低活塞温度的情况下，通过改进活塞结构减小活塞应力的方法也能减小活塞的热损伤，这个也是改进活塞的途

3、径之一：有人提出了一种通过有限元计算的方式改进活塞，减小活塞热应力的方法瞄1；有人提出将活塞的传热问题与结构问题耦合计算，研究了冷却油道位置对于活塞强度的影响情况【231；有人提出了对温度波动产生的应力的计算方法【24J。活塞的材料制约活塞的热损伤，有文献认为活塞的材料应该满足下列的要求【9】：高温下有足够大的机械强度；比重小；热膨胀系数小、吸热性差、导热性好；具有良好的减少摩擦的性能及耐磨、耐腐蚀性能；热稳定性好，即反复加热时永久变形量和机械变形量小；价格便宜、易成型加工、便于机械加工。一般认为，共晶铝合

4、金的材料属性与上述的要求相符，这个也就是铝合金活塞被广泛应用的原因[91。另外，有人研制出了一种新的铝合金，使得活塞能够承受更高的热负荷【251；还有人论证了钢制活塞在柴油机上使用的可行性[26J。1．3论文概述本课题的来源及研究目的：本课题来源于广西玉柴机器股份有限公司的一个攻关项目。YC．6K型活塞的模型如图1．1所示。由于YC．6K型柴油机具有很高的升功率(排量：12．155L，功率353kW士3％)，活塞部分的热负荷很大，也造成了一系列的问题，如B区域的温度很高，最高测点温度达到了370℃，接近了共

5、晶铝硅合金的熔点；B区域2‘、‘7￡，q武汉理工大学硕士学位论文的等温线呈斜阶梯状分布，由于同一活塞高度的热膨胀不同，产生的热应力很大。正因为这一系列的原因，造成某些设计型号的YC．6K型柴油机活塞在110％转矩点工作时沿着A．A方向发生断裂。所以需要对活塞结构进行改进。在单纯以活塞为研究对象的情况下，活塞的开裂故障一般是由于活塞薄弱位置的应力值大于了材料的应力极限，需要对活塞的应力结构进行分析。然而，活塞受到的应力包括两个部分，热应力与机械应力。机械应力的计算及其简单，施加活塞周围约束及活塞顶部的燃气压力

6、，通过ANSYS有限元计算软件既可以轻松的获得活塞的整体应力情况；热应力的计算就比较麻烦，首先需要知道活塞的温度场，然后通过活塞的温度场经过广义胡克定律将其转换成为活塞的热应力值。活塞的温度场的计算需要完全的考虑活塞周围的边界条件，并活塞的应力值不是简单的热应力值与机械应力值的叠加，需要对热应力及机械应力进行耦合计算。所以，活塞的热问题为研究活塞开裂故障的重点。因此，本课题以YC．6K型柴油机活塞作为研究对象，研究其冷却油道的位置、大小对于活塞温度场及应力场的影响；研究活塞顶部燃烧室对于活塞温度及热应力的影

7、响；通过有限元计算软件研究整个活塞的温度场及应力场，对活塞的重新设计提供参考，并拿出一个满足计算要求的设计方案。AjI凸I图1．1课题所采用的模型二维示意图图1-2课题所采用的模型3D图3参7少．．武汉理工大学硕士学位论文．本论文中的主要研究工作：．1>通过ANSYS结合RBF神经网络、硬度塞测温法设计一套活塞换热边界的获取方法，为后文温度及应力研究做出铺垫；2)以YC．6K型柴油机为研究对象，研究活塞的温度温度场，研究冷却油道的换热：研究活塞的瞬态温度场，研究活塞温度的波动大小及确定温度波动大的位置；3)

8、以YC．6K型柴油机为研究对象，研究活塞的机械应力和热应力、热机械综合应力的大小情况，．判断那个是主要应力，作为优化的基础，并找出活塞故障原因；4)结合上述情况进行优化。本论文中的创新之处：1)确定了一套结合硬度塞测温法计算活塞热边界的计算方法；2)应用FLUENT有限体积法软件对YC．6K型柴油机活塞冷却油道的换热情况进行了计算。1．4YC．6K型柴油机相关参数通过厂家给予的资料，YC．6K型柴油机的主要参数整