鄧立君，熊培友，張學(xué)祿，李猛猛

（1.濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600；2.濱州渤?；钊邢薰?，山東濱州 256602；3.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

活塞熱負(fù)荷直接影響著內(nèi)燃機(jī)活塞的耐久性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，是內(nèi)燃機(jī)進(jìn)一步強(qiáng)化受到限制的主要因素之一[1-2]。為了提高活塞的可靠性和使用壽命，降低熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，國(guó)內(nèi)外研究工作者在加強(qiáng)高溫表面的冷卻[3-5]、改進(jìn)材料[6]、改進(jìn)結(jié)構(gòu)[7]、提高剛度[8]等方面進(jìn)行了大量的研究工作。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的熱負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷也會(huì)越來(lái)越高，而活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟部件直接與高溫燃?xì)饧皦毫佑|，由于活塞的散熱條件差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)使得其受到的熱負(fù)荷較高，且不均勻程度增加，進(jìn)而使活塞內(nèi)部熱應(yīng)力增加，容易發(fā)生失效及[9-11]。為了有效控制活塞溫度，降低熱負(fù)荷，同時(shí)為了給活塞熱應(yīng)力、疲勞、拉缸、敲擊、磨損等進(jìn)一步研究提供更加準(zhǔn)確的熱邊界條件，研究活塞溫度場(chǎng)分布并提高其精度尤為重要[12-13]。

活塞有多種冷卻方式[14]，目前，常用的冷卻方式有兩種：一種是通過(guò)向活塞的內(nèi)腔表面噴油來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，一種是通過(guò)油腔內(nèi)機(jī)油的振蕩帶走熱量。本文通過(guò)硬度塞法測(cè)試了兩種冷卻方式活塞關(guān)鍵部位的溫度，然后對(duì)活塞溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元計(jì)算，并根據(jù)溫度測(cè)試值對(duì)有限元仿真模型進(jìn)行了標(biāo)定，使仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值誤差滿足工程需求，最后對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)活塞溫度場(chǎng)分布和二階運(yùn)動(dòng)及摩擦磨損進(jìn)行了計(jì)算。

1 溫度場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 測(cè)溫原理

硬度塞法測(cè)量活塞溫度的主要原理是利用某些金屬材料淬火后回火，殘余硬度會(huì)有所降低，硬度的損失量取決于它所承受的最高溫度和在此溫度下的延續(xù)時(shí)間，如果延續(xù)時(shí)間一定，則可建立溫度與硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，然后測(cè)量材料硬度的變化，最終根據(jù)對(duì)應(yīng)曲線算出硬度塞所受到的外部溫度。

1.2 HV-T標(biāo)定曲線的建立

硬度塞材料要有良好的淬透性，材料的硬度隨回火溫度的變化關(guān)系最好成線性或者近似線性關(guān)系。本試驗(yàn)中選用GCr15作為硬度塞材料。硬度塞加工成螺紋塞，且應(yīng)進(jìn)行高溫（＞800℃）淬火處理。

硬度塞的HV-T 的曲線標(biāo)定時(shí)回火溫度一般是在100 ～400℃范圍內(nèi)，然后使用電子顯微硬度計(jì)FM-700（如圖1所示）測(cè)試回火后硬度塞的維氏硬度值，最后根據(jù)不同的回火溫度對(duì)應(yīng)的硬度值利用最小二乘法擬合得到HV-T 標(biāo)定曲線，如圖2所示。

圖1 電子顯微硬度計(jì)

圖2 硬度塞HV-T 標(biāo)定曲線

1.3 硬度塞測(cè)點(diǎn)布置及安裝

本文主要以某六缸柴油機(jī)活塞為研究對(duì)象，其發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

本文中主要研究?jī)?nèi)腔無(wú)冷卻盲孔和有冷卻盲孔兩種結(jié)構(gòu)活塞熱負(fù)荷變化情況。有冷卻盲孔活塞是在無(wú)冷卻盲孔活塞基礎(chǔ)上于內(nèi)腔頂部增加4個(gè)直徑5 mm 的盲孔，如圖3所示，盲孔的個(gè)數(shù)及直徑選擇依據(jù)活塞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 兩種活塞結(jié)構(gòu)對(duì)比

硬度塞測(cè)點(diǎn)除了在所關(guān)注的活塞部位處布點(diǎn)外，也要兼顧其它因素，如不能破壞活塞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、布點(diǎn)要有足夠的空間（如過(guò)窄的環(huán)槽底部則不宜布點(diǎn)）、盡量不要有斜度等?；钊麥囟葴y(cè)點(diǎn)布置圖如圖4所示。

圖4 活塞測(cè)點(diǎn)布置圖

確定布點(diǎn)位置之后，在待測(cè)活塞相應(yīng)位置上加工M3螺紋孔，孔深通常為4 mm 左右。硬度塞的安裝也是溫度場(chǎng)測(cè)試關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)硬度塞脫離，同時(shí)，要保證能夠真實(shí)的反映熱量傳遞，在螺紋孔內(nèi)安裝硬度塞時(shí)，要使硬度塞緊貼螺紋孔的底面，使之與安裝孔緊密配合。

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及結(jié)果分析

將硬度塞安裝完成后的活塞裝入發(fā)動(dòng)機(jī)中，磨合30 min 后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況運(yùn)行2 h，活塞表面溫度分布試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)速為2200 r/min的活塞表面溫度分布試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至怠速停機(jī)后取出硬度塞，根據(jù)布置點(diǎn)標(biāo)號(hào)對(duì)硬度塞進(jìn)行標(biāo)記，并用電子顯微硬度計(jì)測(cè)試硬度塞的硬度值，為了提高精度，測(cè)量每個(gè)硬度塞表面6個(gè)點(diǎn)的硬度值取平均值，最后在HV-T 標(biāo)準(zhǔn)曲線上獲取其對(duì)應(yīng)的溫度，即為被測(cè)點(diǎn)在所測(cè)試工況下的溫度值，如圖5和圖6所示。其中，第1、3、5缸為無(wú)冷卻盲孔活塞，第2、4、6缸為有冷卻盲孔活塞。

圖6 有冷卻盲孔活塞溫度測(cè)試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同缸的同一測(cè)點(diǎn)溫度略有差異，但總體一致性較好。取同一種結(jié)構(gòu)活塞同一測(cè)點(diǎn)位置的平均溫度值對(duì)有限元計(jì)算熱邊界條件進(jìn)行修正，通過(guò)擬合計(jì)算直到各測(cè)溫點(diǎn)的溫度與實(shí)測(cè)溫度相吻合，這樣就可以得到準(zhǔn)確的活塞溫度場(chǎng)。

2 活塞溫度場(chǎng)有限元模型建立

2.1 活塞材料屬性

活塞材料為鋁合金，其主要屬性如表3所示。

表3 活塞材料屬性

2.2 活塞有限元模型

采用二階四面體單元對(duì)活塞進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，設(shè)置不同尺寸，建立活塞的有限元模型，然后分別計(jì)算模擬不同網(wǎng)格精度下的溫度場(chǎng)，如圖7所示。結(jié)果顯示，不同網(wǎng)格下，活塞的溫度變化趨勢(shì)一致，溫度無(wú)明顯變化。因此，網(wǎng)格尺寸對(duì)溫度的影響可以忽略。

圖7 不同網(wǎng)格尺寸時(shí)活塞溫度場(chǎng)

由于活塞具有較好的對(duì)稱性，為了節(jié)省工作量、計(jì)算時(shí)間和資源，采用了二分之一活塞組模型作為有限元模型，同時(shí)，為了提高計(jì)算精度，在溫度梯度較大的部位對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理，劃分有限元網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 活塞網(wǎng)格模型

2.3 邊界條件

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工作時(shí)，活塞的熱量交換已經(jīng)達(dá)到平衡，在用有限元法計(jì)算其溫度場(chǎng)時(shí)通常采用第三類邊界條件，即給定了換熱系數(shù)和周圍介質(zhì)溫度來(lái)模擬活塞溫度分布。

本文研究時(shí)先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定初始換熱系數(shù)和介質(zhì)環(huán)境溫度，然后根據(jù)硬度塞法測(cè)試得到的各測(cè)點(diǎn)溫度值對(duì)初始熱邊界條件進(jìn)行反復(fù)修正，直到計(jì)算結(jié)算與試驗(yàn)值相吻合，從而可以得到與實(shí)際相近的活塞溫度場(chǎng)分布。

3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

利用溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)熱邊界條件進(jìn)行反復(fù)修正后，通過(guò)迭代計(jì)算得到的活塞溫度場(chǎng)如圖9和圖10所示。

圖9 無(wú)冷卻盲孔活塞溫度場(chǎng)

圖10 有冷卻盲孔活塞溫度場(chǎng)

表4所示為兩種不同結(jié)構(gòu)的活塞溫度場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果。結(jié)果顯示，溫度場(chǎng)測(cè)試值與有限元計(jì)算值最大相對(duì)誤差為3.19%，滿足相對(duì)誤差小于5%的工程要求，計(jì)算結(jié)果吻合較好，有效驗(yàn)證了此次有限元計(jì)算結(jié)果的可信度；同時(shí)，這也充分說(shuō)明了利用硬度塞法測(cè)試活塞溫度進(jìn)而修正有限元計(jì)算的熱邊界條件的方法的可行性。

表4 活塞部分位置表面溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖11和圖12所示分別為無(wú)冷卻盲孔與有冷卻盲孔活塞TS側(cè)、ATS側(cè)關(guān)鍵位置溫度對(duì)比。顯然，有冷卻盲孔活塞相對(duì)于無(wú)冷卻盲孔活塞各關(guān)鍵部位溫度都有所降低，且TS側(cè)降低幅度明顯大于ATS側(cè)。

圖12 兩種結(jié)構(gòu)活塞ATS側(cè)溫度對(duì)比

二環(huán)槽、裙部溫度降低幅度較大，尤其是二環(huán)槽TS側(cè)降低了13.2℃，裙部主、次推力側(cè)也均降低了約11℃，除了活塞銷孔降低了約2.9℃外，其他部位TS側(cè)溫度都降低了7℃以上，活塞關(guān)鍵位置溫度對(duì)比如表5所示。

表5 活塞關(guān)鍵位置溫度對(duì)比

由此可見(jiàn)，在活塞內(nèi)腔頂部增加冷卻盲孔后，盲孔內(nèi)的流體可以帶走一部分活塞熱量。另外，活塞結(jié)構(gòu)的變化也同時(shí)改變了活塞的溫度梯度，可以有效地降低活塞的溫度，從而減低活塞工作狀態(tài)下的熱負(fù)荷。

在活塞內(nèi)腔增加冷卻盲孔后，活塞內(nèi)腔的溫度也會(huì)發(fā)生明顯的變化。圖13所示分別為無(wú)冷卻盲孔與有冷卻盲孔活塞內(nèi)腔溫度對(duì)比。由計(jì)算結(jié)果可知，增加冷卻盲孔后，活塞內(nèi)腔溫度降低了約15～25℃，尤其是在內(nèi)腔頂部，溫度由241℃降低到216℃，最大降低了約10%，這對(duì)于降低活塞內(nèi)腔熱負(fù)荷作用十分明顯。

圖13 兩種結(jié)構(gòu)活塞內(nèi)腔溫度對(duì)比

4 活塞動(dòng)力學(xué)計(jì)算

根據(jù)活塞溫度場(chǎng)有限元計(jì)算結(jié)果，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、活塞、缸套、連桿、活塞銷等幾何及數(shù)模參數(shù)，采用PISDYN 活塞組件動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)兩種活塞的二階運(yùn)動(dòng)及接觸狀況進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算中充分考慮了活塞熱變形和彈性變形、缸套熱變形和安裝預(yù)緊變形及接觸表面粗糙度參數(shù)。

圖14所示為兩種方案活塞二階運(yùn)動(dòng)活塞繞活塞銷的擺動(dòng)角度曲線。圖14中0°為燃燒上止點(diǎn)，在5°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻，無(wú)冷卻盲孔活塞最大擺角為0.088°，增加冷卻盲孔后，活塞最大擺角有所增大，其值為0.102°，這主要是由于冷卻盲孔使活塞頭部及裙部溫度降低，從而熱態(tài)運(yùn)行間隙增大所致。

圖14 擺動(dòng)角度

活塞敲擊動(dòng)能是用來(lái)間接評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)敲擊、噪聲的重要參數(shù)。活塞對(duì)缸套的敲擊動(dòng)能的峰值及循環(huán)內(nèi)的總動(dòng)能越小越好。圖15所示為活塞敲擊動(dòng)能曲線。無(wú)冷卻盲孔活塞敲擊動(dòng)能峰值為0.050 8 Nm；增加冷卻盲孔后為0.069 8 Nm，顯然，溫度降低后熱態(tài)運(yùn)行間隙的增大，會(huì)導(dǎo)致活塞對(duì)缸套的敲擊也會(huì)有所增大，這對(duì)柴油機(jī)噪聲是不利的。

圖15 敲擊動(dòng)能

活塞裙部最大接觸壓力計(jì)算結(jié)果如圖16所示。無(wú)冷卻盲孔活塞最大接觸壓力為22.8 MPa，有冷卻盲孔活塞最大接觸壓力為16.3 MPa，現(xiàn)對(duì)于無(wú)冷卻盲孔活塞降低了約28.5%。

圖16 最大接觸壓力

活塞溫度的變化，會(huì)對(duì)活塞摩擦磨損產(chǎn)生直接影響。圖17所示為活塞裙部累積磨損載荷結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)腔增加冷卻盲孔后，活塞主推力（TS）側(cè)累積磨損載荷由7.25 MW/m2降低到5.53 MW/m2，降低了約23.7%，同時(shí)次推力側(cè)（ATS）也有所降低，可以有效降低活塞裙部發(fā)生磨損的風(fēng)險(xiǎn)。另外，有冷卻盲孔活塞裙部摩擦功損失相對(duì)于無(wú)冷卻盲孔活塞也明顯降低，如圖18所示，有助于提高柴油機(jī)機(jī)械效率。

圖18 裙部摩擦損失

5 結(jié)論

1）溫度場(chǎng)測(cè)試值與有限元計(jì)算值最大相對(duì)誤差為3.19%，滿足相對(duì)誤差小于5%的工程要求，充分說(shuō)明了利用硬度塞法測(cè)試活塞溫度進(jìn)而修正有限元計(jì)算的熱邊界條件的方法是十分有效的。

2）有冷卻盲孔活塞相對(duì)于無(wú)冷卻盲孔活塞各關(guān)鍵部位溫度都有所降低，尤其是二環(huán)槽TS側(cè)降低了13.2℃，內(nèi)腔溫度也降低了15～25℃不等，裙部主、次推力側(cè)也均降低了約11℃，對(duì)于降低活塞熱負(fù)荷作用十分明顯。

3）在活塞內(nèi)腔增加冷卻盲孔后，活塞裙部最大接觸壓力及磨損載荷分別降低了28.5%和23.7%，同時(shí)裙部摩擦損失也有所降低，但活塞二階運(yùn)動(dòng)擺角及敲擊動(dòng)能會(huì)有所增大，可以通過(guò)優(yōu)化活塞裙部型線來(lái)減小擺動(dòng)及敲擊動(dòng)能增大所帶來(lái)的負(fù)面影響。