孟繼祖，毛虎平，張志香，馮耀南

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

目前各國(guó)對(duì)柴油機(jī)的強(qiáng)化向HPD方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)車(chē)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到18 MPa［1］。對(duì)于鋁合金活塞，無(wú)論采用什么強(qiáng)化措施，還是不能令人滿意，特別是熱疲勞方面。為解決此問(wèn)題，工程師們正在大力研發(fā)柴油機(jī)新型整體式全鋼活塞，與普通的鑄造鋁合金活塞相比，其高溫力學(xué)性能好、線膨脹系數(shù)小、配缸間隙?。▋H為傳統(tǒng)鋁活塞的一半）、耐磨性能好、剛度高、使用壽命長(zhǎng)。但是整體式鋼活塞的重量相對(duì)于鋁活塞偏大，活塞表面溫度也相對(duì)偏高。第一環(huán)槽溫度、活塞最高溫度和熱應(yīng)力是評(píng)定活塞熱狀態(tài)的依據(jù)，特別是第一環(huán)槽溫度，它不僅影響材料強(qiáng)度、耐磨性和密封性，而且對(duì)潤(rùn)滑油性能等有著極大的影響［2］。因此，設(shè)計(jì)整體全鋼活塞的關(guān)鍵是減小活塞重量和減少活塞問(wèn)題。

1 整體全鋼活塞的設(shè)計(jì)

從燃燒和整機(jī)性能的角度考慮，將燃燒室設(shè)計(jì)成ω形；根據(jù)頂部應(yīng)力、剛度和散熱要求來(lái)決定活塞頂厚度，將活塞設(shè)計(jì)成二氣環(huán)一油環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)；根據(jù)活塞的質(zhì)量要求，采用薄壁大冷卻油腔結(jié)構(gòu)，活塞銷孔設(shè)計(jì)考慮了銷的彎曲橢圓變形；為減輕活塞組的重量，銷座寬度設(shè)計(jì)的較小，而且采用上窄下寬的結(jié)構(gòu)。鋼活塞幾何模型見(jiàn)圖1，其中，鋼活塞重1．79kg，活塞銷重0．78kg。同類型的整體鍛造彈簧鋼片式活塞重1．99 kg，活塞銷重0．69kg。本鋼活塞比整體鍛造彈簧鋼片式活塞減輕了4．28%。

2 整體全鋼活塞參數(shù)化熱負(fù)荷計(jì)算

2．1 活塞幾何模型參數(shù)化

取活塞的1／4模型作為計(jì)算模型。由于活塞幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在ANSYS中直接建模難度非常大，甚至是不可能的，因此在Pro／E中建立活塞不需要參數(shù)化的部分，并保存為IGES格式文件，然后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行幾何修復(fù)，利用所有面建立活塞幾何體。將幾何模型的尺寸縮放到需要的尺寸來(lái)保持單位的一致性，再將需要參數(shù)化的幾何部分表達(dá)為參數(shù)的函數(shù)，采用人工控制編號(hào)的方法建立面及體幾何對(duì)象，并配合布爾運(yùn)算、復(fù)制、移動(dòng)以及鏡像等進(jìn)行操作處理，建立完全參數(shù)化的幾何模型，如圖2所示。通過(guò)改變11個(gè)參數(shù)，即改變xi（i＝1，2，…，5）和rj（j＝1，2，…，6）值，可得到不同的活塞幾何體。

圖1 鋼活塞幾何模型

2．2 活塞有限元網(wǎng)格

考慮到活塞幾何體的復(fù)雜性，采用自由網(wǎng)格劃分，應(yīng)用線上單元密度控制、面上單元密度控制以及總體單元尺寸控制密度。網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，在形狀復(fù)雜和溫度變化劇烈的地方網(wǎng)格小一些，而在其余地方網(wǎng)格適當(dāng)大一些，這樣既能節(jié)約資源，又能保證計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)為56 032，單元個(gè)數(shù)為31 089。活塞材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，密度為7 850kg／m3，導(dǎo)熱系數(shù)為41．87 W·（mK）－1，比熱容為C＝461J·（kg·K）－1。將1／4模型對(duì)稱擴(kuò)展，得到的活塞三維有限元網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 活塞三維幾何參數(shù)化模型

圖3 活塞三維有限元網(wǎng)格

2．3 活塞傳熱邊界條件確定

2．3．1 活塞頂部傳熱邊界條件

應(yīng)用AVL－BOOST計(jì)算得到柴油機(jī)標(biāo)定工況穩(wěn)定工作時(shí)燃?xì)馀c活塞頂部瞬時(shí)換熱系數(shù)和瞬時(shí)燃?xì)鉁囟?，?jiàn)圖4。

圖4 燃?xì)馀c活塞頂部瞬時(shí)換熱系數(shù)和燃?xì)鉁囟?/p>

本文按活塞頂部邊界條件進(jìn)行分區(qū)計(jì)算，活塞頂部傳熱系數(shù)αr的計(jì)算公式為［3］：

其中：αm為燃?xì)馀c活塞頂部平均換熱系數(shù)；N為活塞中心到達(dá)燃?xì)馀c活塞頂部最大換熱系數(shù)處的距離，本文N＝33．5mm。αr是活塞任意一點(diǎn)半徑的函數(shù)，在ANSYS中，以函數(shù)的形式加載，使得活塞熱分析的邊界條件更加準(zhǔn)確。

2．3．2 活塞內(nèi)腔和冷卻油腔傳熱邊界條件［4］

活塞內(nèi)腔表面與曲軸箱油霧的換熱系數(shù)αi計(jì)算公式為：

其中：T1、T2、Ti分別為活塞頂溫度、活塞內(nèi)腔底部溫度和曲軸箱氣體溫度；k、σ分別為活塞的導(dǎo)熱系數(shù)和活塞頂厚度。

活塞冷卻油腔與冷卻液的換熱系數(shù)αc的計(jì)算公式為：

其中：De為冷卻油腔截面當(dāng)量直徑；l為潤(rùn)滑油的導(dǎo)熱系數(shù)；H為冷卻油腔截面平均高度；Pr為瞬時(shí)氣體爆發(fā)壓力；為油冷卻速度為曲軸轉(zhuǎn)速，γ為冷卻油的動(dòng)力黏性系數(shù)。

2．3．3 活塞側(cè)面?zhèn)鳠徇吔鐥l件

活塞側(cè)面區(qū)域與冷卻水的綜合換熱系數(shù)計(jì)算公式為：

其中：a為活塞與氣缸套之間的間隙；b為氣缸套壁厚；c為活塞環(huán)與環(huán)槽之間的間隙；λ1、λ2、λ3分別為活塞環(huán)、氣缸壁和間隙內(nèi)油或氣的導(dǎo)熱系數(shù)；λw為氣缸壁與水之間的換熱系數(shù)。

2．4 計(jì)算結(jié)果與分析

2．4．1 活塞溫度場(chǎng)分析

經(jīng)分析獲得的活塞溫度場(chǎng)見(jiàn)圖5。活塞溫度從頭部到裙部逐漸變低，最高溫度為428．42℃，位于燃燒室的邊緣；最低溫度為100．092℃，在活塞裙部，第一環(huán)槽最高溫度為203．34℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 活塞溫度場(chǎng)

2．4．2 活塞參數(shù)變化對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)溫度的影響

將活塞有限元熱分析參數(shù)化，并通過(guò)反復(fù)改變?cè)O(shè)計(jì)變量來(lái)觀察其對(duì)活塞溫度的影響。本文以火力岸高度和油腔寬度為設(shè)計(jì)變量，設(shè)火力岸高度從7．5mm變化為8．9mm，步長(zhǎng)為0．2mm；油腔寬度從15．4 mm變化為17．8mm，步長(zhǎng)為0．2mm。火力岸高度變化對(duì)活塞溫度的影響如圖6所示，油腔寬度變化對(duì)活塞溫度的影響如圖7所示。

從圖6、圖7可知，火力岸高度與活塞最高溫度同向變化，而與第一環(huán)槽處的最高溫度反向變化；油腔寬度與活塞最高溫度、第一環(huán)槽處的最高溫度均呈反向變化；火力岸高度從7．5mm變?yōu)?．9mm，第一環(huán)槽處的最高溫度下降了8．022℃，而活塞最高溫度增加了1．804℃；油腔寬度從15．4mm變?yōu)?7．8mm，第一環(huán)槽處的最高溫度下降了14．951℃，而活塞最高溫度下降了3．228℃。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種薄壁大冷卻油腔鋼結(jié)構(gòu)活塞，質(zhì)量比同類型的整體鍛造彈簧鋼片式活塞減小4．28%。運(yùn)用Pro／E軟件，結(jié)合ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL，建立了鋼活塞參數(shù)化幾何模型，完成了參數(shù)化加載和參數(shù)化溫度計(jì)算，為活塞溫度場(chǎng)的快速計(jì)算以及優(yōu)化提供基礎(chǔ)。應(yīng)用參數(shù)化熱分析，計(jì)算了活塞溫度場(chǎng)，并分析了新型柴油機(jī)鋼活塞火力岸高度、油腔寬度對(duì)活塞溫度場(chǎng)的影響，為活塞及其組件優(yōu)化設(shè)計(jì)提 供支持。

圖6 火力岸高度對(duì)活塞溫度的影響

圖7 油腔寬度對(duì)活塞溫度的影響

［1］ 夏飛．新型全鋼活塞熱負(fù)荷分析［J］．現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力，2009，135（3）：36－39．

［2］ 何振鵬．柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷耦合研究［D］．天津：天津大學(xué)，2010：8－12．

［3］ 肖永寧，潘克煜，韓國(guó)埏．內(nèi)燃機(jī)熱負(fù)荷和熱強(qiáng)度［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988．

［4］ 何屹．活塞在溫度和機(jī)械載荷作用下的有限元分析［D］．大連：大連海事大學(xué)，2007：25－32．