重型高速柴油机活塞销座强度分析与优化.pdf

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1、刘宏李红珍郭磊：重型高速柴油机活塞销座强度分析与优化重型高速柴油机活塞销座强度分析与优化MechanicalStrengthInvestigationandOptimizationonPistonBossofHeavyDutyDieselEngine刘宏李红珍郭磊(中国重型汽车集团技术发展中心动力设计院)[摘要]活塞体在实际工作条件下承受着复杂的热机耦合载荷，其耐久性对整机可靠性有着决定性的影响。在重卡柴油机中活塞销座和裙部作为主要承受机械负荷的区域，需要详细分析其温度场、变形、应力和润滑状态。文中利用试验结合有限元方法获得

2、活塞、缸套的冷、热态型面，建立某重卡柴油机的活塞一销一缸套一连杆组的弹性耦合动力学分析模型，通过弹流润滑模型得出活塞销座轴承的润滑状态，进一步分析销孔表面的动态变形、应力场，并对活塞体在机械负荷下的高周疲劳强度进行校核。仿真计算结果与故障件模式一致性较好。为了优化活塞销座处的强度安全系数，采用该分析方法对不同的销孔型面方案进行了对比和评价。在发动机详细分析与故障诊断阶段，利用该分析流程可对活塞体的机械强度性能进行较好的把握与评价。[关键词]活塞销座型面机械强度弹流润滑Keywords：PistonbossMouldingSU

3、l'faceMechanicalstrengthElastohydrodynamiclubrication1概述重型车用柴油机在实际工作条件下．活塞体顶面与头部主要受热负荷的作用。特别是在热冲击模式下的燃烧室凹坑、喉口边缘和顶岸位置的高周与低周疲劳强度通常是导致故障的重点区域。同时。在活塞体裙部和销座处主要受到机械负荷作用．裙部与缸套间的接触压力、销座与销的接触压力是活塞机械载荷的主要来源。活塞体的各种实际运行故障无外乎与热负荷、机械负荷及弹流润滑相关[11。本文针对柴油机强化开发阶段的活塞销座强度和销孔型面展开分析与优化。

4、在发动机台架超负荷极限试验中出现某缸活塞穿孔现象，通过活塞断面进行金相和裂纹源分析，活塞销座沿销孔方向开裂。在燃烧室根部形成裂纹，高温燃气沿着裂纹下窜，冲刷裂纹壁面出现穿孑L，如图1所示。活塞的断面金相扫描未现铸造缺陷，根据放射状裂纹的方向和收敛区域，判断销座孔表面上侧是裂纹源位置，销孔表面的金属疲劳开裂是主要原因。一隆：搴!嗣围1活星销座断面图与金相扫描活塞销座在爆发上止点和换气上止点在销孔上侧和下侧承受销面压的作用．其疲劳开裂现象受销孔表面交变应力的影响，交变应力越大、疲劳寿命越短。从设计角度而言，对于销孔表面压力过大的

5、问题，需从如下方面进行考察：a)发动机峰值燃气压力对销孔面压的影响；b1活塞销与销孔的配合以及销刚度对销孔局部面压的影响：c1销孔异形型面的设计合理性，对销座和销的变形非协调的影响。2活塞销刚度与销孔面压分析活塞销座孔的平均面压在设计中根据缸内峰值压力、活塞销、座孔及连杆小头的具体尺寸．可按2内燃机与配件2013年第8期照解析方法咏得，如图2所示活塞销座的载荷示意图。3活塞弹性动力学分析圈2活塞销座的载荷分布活塞销孔表面比压：P陬=百Frlllx(1)式中，P。为活塞销孔比压；F一为最大燃气力；A。销孔投影面积。活塞销弯曲变

6、形量：唧。矗式中，^y=1一}为小头均布载荷修正系数；E为Za活塞销材料杨氏模量：J为活塞销截面的弯曲模量。活塞销截面椭圆变形量：R—r3·F。0。面式中，，：尘2为活塞销的平均半径；W：旦粤斗Z为活塞销的壁厚；J产学为销截面失圆弯曲模量。lZ根据上述公式，对该活塞与销进行计算，分别取不同的缸内峰值压力。结果见表1所示。比较不同爆发压力下的销孔比压和活塞销变形量数值。按照活塞供应商在大量活塞设计与材料分析中积累的经验限值，当峰值爆压超过170bar时，销孔比压超过了双曲线型面允许的69MPa，同时，销的变形量也随之增大，但在

7、175bar气缸压力范围内，销弯曲和椭圆变形未超过限值．说明活塞销的设计刚度较好。表1销孔比压、销变形与缸压的关系峰值爆压销孔比压销弯曲变形销椭圆变形barMPhmm16066．40．014l0．027616568．50．01460．028517070．70．01500．029417572．80．01550．0302参考限值69．O．0．03430．0352由于解析法对销座处比压计算是基于投影面的平均结果，不考虑销座孔实际型面与配合尺寸影响，因此。解析法常作为前期设计阶段筛选方案时使用．在详细分析中特别是故障诊断阶段，需要对

8、活塞组件的弹性动力学特性进行分析，以便找出影响销座强度的主要设计因素，并进行适当优化。3．1活塞组件网格模型与子结构文中利用有限元六面体网格离散活塞、销、连杆、缸体模型，从而形成柔性体，如图3所示。其中，活塞体约16万单元，18万节点；由于动力学考虑销座轴承和活塞裙部润滑区的弹流特性，需在