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1、第7期(总第437期)内燃机车2010年7月不同壁厚对气缸套壁面温度影响的有限元分析1222王建国,尤国栋,李坤,苏铁熊(1.海军驻大同地区军事代表室,山西大同037036;2.中北大学机电工程学院,山西太原030051)摘要:以某重型柴油机的薄壁顶置湿式气缸套为研究对象,结合特定热边界条件,对气缸套的稳态温度场进行了有限元分析,气缸套三维温度场的计算结果显示气缸套最高温度为239℃,出现在气缸套活塞上止点附近。通过对比不同气缸套壁厚对壁面温度场的影响,明确了气缸套的变形分析中不同壁厚对气缸套壁面温度的影响,为气缸套结构设计改进提供理论指导和依据。关键词:气缸套;壁面温度;有限元分析中图分类号
2、:TK423.2文献标识码:A文章编号:100321820(2010)0720036203柴油机工作过程中,除螺栓预紧力外气缸套还实,改变以往将气缸套底部支撑简化为弹性支撑的承受周期性变化的高温高压气体的作用力及活塞做法,建立了橡胶密封圈的有限元模型(见图2)。[1]的侧压力,由此产生的气缸套径向变形及应力分模型剖分网格后单元总数337576个,节点总数[2]布极大地影响柴油机的工作性能和失效形式。103026个。随着柴油机向高速、高功率密度方向发展,要求气缸盖螺栓预紧力不断加大;同时为减轻质量,机体和气缸盖均使用铸铝合金。而铝合金机体刚度较差,造成钢制薄壁气缸套在样机的装配与使用过程中常出现
3、变形超差现象,为解决这一问题必须对气[3]缸套的变形机理进行研究。目前国内外已经对气缸套在机械负荷及热机耦合下的变形规律做了大量的研究,但对壁厚对气缸套壁面温度影响及变形规律研究甚少。本文运用I-DEAS软件,采用特定的热边界图1机体气缸套等组合后的整体模型条件对某150型柴油机气缸套进行有限元分析,得出气缸套温度场的分布情况,进而研究了不同壁厚对气缸套壁面温度的影响。1气缸套有限元模型的建立为使计算结果准确,建立了左侧3缸的有限元模型(见图1)。模型包括气缸盖、气缸套、机体、气缸垫、橡胶密封圈及固定螺栓。为使分析更接近真图2橡胶密封圈有限元模型收修回稿日期:2009212230作者简介:王建
4、国(1968—),男,陕西武功人,工程师;2气缸套温度场计算尤国栋(1968—),男,山西偏关人,在读博士。第7期(总第437期)王建国等:不同壁厚对气缸套壁面温度影响的有限元分析372.1气缸套换热系数的确定由于气缸套不同部位与介质或连接件的换热方式不同,根据特定的热边界条件将气缸套沿轴线[4-6]作如图3所示的分段处理。图4气缸套壁面轴向高度温度变化曲线图3气缸套模型边界条件(1)AB段(活塞上止点至下止点部分)边界条件。柴油机气缸套内表面稳态传热边界条件在轴[4]向高度上有如下分布规律:-3βαm(h)=αm(0)·(1+k1β)·e-βTres(h)=Tres(0)·(1+k2)·e0
5、.24式中:k1=01573(S/D);k2=1145k1;β=h/S图5气缸套温度场云图(0<β≤1);h为点距活塞上止点的距离;S为活塞的行程;D为气缸套的直径;αm(h)和Tres(h)分别陡,然后温度变化趋于平缓;壁面的最高温度值出对应柴油机工作循环中燃气平均换热系数αm和平现在最上部区域为239℃。均温度Tm。这是因为活塞在上止点时,活塞顶面以上的气(2)BC段(下止点活塞顶之下的气缸套部缸套区域直接暴露在燃烧气体中,燃烧气体通过活分)。该段不与燃气接触,换热量很小,采用第3类塞和气缸壁传给冷却水的热量大部分由此区域传边界条件,温度取固定值383K。出,且处于冷却水套区域之外。气缸套
6、对应于活塞(3)EF段(水套的密封部分)。与机体为间隙在下止点区域温度变化较平缓是由于该区域处于冷2配合,取换热系数为115W/(m·K)。却水套区域,冷却均匀,而且受燃烧气体影响较小。(4)FG段。与冷却水接触,其换热系数等于冷却水的放热系数,与循环水的流动情况以及气缸3不同壁厚对气缸套壁面温度的影响套表面的特性有关。为了简化,把流动的冷却水截由于气缸套对活塞起支撑和导向作用,气缸套面看成球状,从无量纲的努谢尔特数Nu得:Nu=α′D整体的长度、水套部分的长度、冷却水的温度以及d,最后换算得到换热系数为α′=3000W/气缸套壁厚对气缸套的温度都有很大的影响。在λf(m2·K),冷却水温度取
7、363K。前面热边界条件不变的前提下,研究气缸套壁厚变(5)GI、IH段及DC段。分别根据经验取换热化对气缸套壁面温度的影响,将气缸套的水套部分系数为116W/(m2·K)、4652W/(m2·K)及60的壁厚从原来的715mm分别变成615mm和8152mm。按第2节中相同的方法计算出燃气的平均温W/(m·K)。2.2温度场计算结果及分析度和气缸套的换热系数,然后计算出壁面温度。计以中间气缸套为
