2D25柴油机活塞温度场测试及有限元分析

作者:程丁丁;雷基林;毕玉华;李阳 刊名:拖拉机与农用运输车 上传者:胡鄂生

【摘要】采用硬度塞测温法实测了2D25柴油机活塞标定功率工况下表面40个特征点的温度,并结合有限元法对其温度场、热应力场及热变形进行分析。研究结果表明,在标定功率工况下,活塞表面工作温度最高为306℃;在热负荷作用下,最大Von Mise应力为125.9 MPa,最大热变形量为336μm。

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活塞是发动机的关键部件之一,它的工作情况直接关系到发动机整机的工作可靠性和使用耐久性。在工作过程中,活塞顶部直接与高温燃气周期性地接触,承受着很高的热负荷。热负荷过大可能导致咬缸、拉缸、活塞开裂等故障,极大地危害发动机的使用寿命。评价活塞的热负荷,直观而有效的方法是求得活塞的温度场。从温度场就可总观活塞温度的全貌及其热流分布是否合理,从而为改善其热负荷提供依据[1]。为此,针对2D25卧式柴油机活塞的热负荷问题进行了试验研究,实测了活塞顶面、燃烧室和环槽特征点的工作温度,并对其进行了温度场、热应力和热变形的三维有限元分析。1活塞温度场试验1.1发动机主要技术参数本次试验用发动机为2D25卧式双缸柴油机。该机采用卧式、直列、水冷、四冲程型式,主要设计性能指标及技术参数见表1所示。表1发动机主要设计性能指标及技术参数Tab.1MainDesignParametersofEngine项目指标发动机排量/L2.5标定功率/转速/kW/(rmin-1)37/2400最大转矩/转速/(Nm)/(rmin-1)167/1600~1800外特性最低燃油消耗/[g(kWh)-1]225进气方式自然吸气冷却方式强制水冷燃油泵型式BQ泵每缸气门数2压缩比17.51最高排气温度/6501.2测量方法本次试验采用硬度塞测量方法。硬度塞法的原理:金属在受热后会产生永久性的硬度变化,而这种硬度变化的最终结果取决于其所经受的最高温度和在此温度下延续的时间。当延续时间一定时,根据相应的温度-硬度曲线查出相应的温度值[2]。试验中硬度塞材料选用GCr15轴承钢,度塞的硬度与回火温度的关系曲线如图1所示[3]。图1硬度塞硬度与回火温度关系曲线Fig.1RelationbetweenHardnessofPlugandDrawbackTemperature1.3测点的布置试验中,根据2D25柴油机活塞的结构特点,以及后续活塞温度场三维有限元分析对热交换边界条件数据的要求,结合他人活塞温度场测试的经验,在活塞相关部位布置了40个测点,具体测点分布见图2。1.4试验结果及分析将硬度塞过盈安装在活塞测点的安装孔内,进行装机试验。试验工况为标定工况(2400r/min,146Nm)。热机后稳定运行2h,取出硬度塞,然后用维氏显微硬度仪测量其HV硬度值,进而在维氏硬度-时间曲线上找出对应的温度,即活塞各个试验测点的温度值。图3、图4是经MATLAB软件拟合得到的活塞顶部温度场分布图和等温线图。图2活塞表面温度测点布置Fig.2DiagramofTemperatureTestingPointsinPistonSurface图3活塞顶部温度场分布Fig.3TemperatureFieldofPistonHead图4活塞顶部温度场等温线Fig.4IsothermalofPistonHead从图中可以看出:1)标定功率工况下,活塞顶部温度分布很不均匀:最高温度为310.8,出现在活塞顶部靠近排气一侧的燃烧室侯口处;最低温度为275.6;2)同一区域不同半径上的温度差异也很大,即在型燃烧室喉口周围温度最高;随着半径的增大,温度先降后升。3)型燃烧室底部温度差异不大,平均温度为264.3,最高温度为269.2,最低温度为261;该燃烧室的中心凸起点的温度稍高,为292.4。2活塞温度场三维有限元分析2.1活塞有限元模型的建立2D25柴油机活塞结构复杂,其顶部型燃烧室、活塞销偏置和内腔形状复杂等因素,使得整个活塞不具有轴对称性。为了真实地反映出活塞的实际工作状况,在对其进行有限元分析时,取活塞整体作为三维有限元

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