活塞設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　柴油機(jī)發(fā)展至今己有一百多年的歷史，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和提高，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)完善的程度。由于它的熱效率高、適應(yīng)性好和功率范圍廣，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、運(yùn)輸業(yè)和國(guó)防建設(shè)事業(yè)中，對(duì)推動(dòng)人類文明的發(fā)展起到了極其重要的作用。

2、自二十世紀(jì)四十年代起，船舶動(dòng)力裝置上就廣泛使用了柴油機(jī)。當(dāng)前，在船舶動(dòng)力中，柴油機(jī)仍占有主要地位。所有內(nèi)河及沿海中小型船舶都采用柴油機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力。在新建的遠(yuǎn)洋船舶中，有超過(guò)90％的船舶使用柴油機(jī)作為動(dòng)力。其中三萬(wàn)噸以下的船舶，絕大多數(shù)用柴油機(jī)作為主機(jī)，就是大型船舶，由于近年來(lái)大型低速二沖程多機(jī)組動(dòng)力裝置的使用以及四沖程中速大功率的柴油機(jī)的發(fā)展、兩級(jí)增壓在大型低速二沖程柴油機(jī)及大功率中速柴油機(jī)上的應(yīng)用成功，使柴油機(jī)在大型船舶、大型油輪、

3、高速集裝箱上及大型艦艇上開(kāi)始應(yīng)用，似有和汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及核動(dòng)力裝置競(jìng)爭(zhēng)的可能 [1]。</p><p>　　1.2 船用柴油機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.2.1 國(guó)外柴油機(jī)的發(fā)展概況</p><p>　　近年來(lái)，船用柴油機(jī)朝著提高功率、降低油耗、提高可靠性、降低磨損、延長(zhǎng)壽命、減少噪音及振動(dòng)、降低重量和尺寸、易于維修保養(yǎng)、實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控等方面發(fā)展。自

4、1973年世界石油價(jià)格飛漲以后，降低油耗已成為目前各柴油機(jī)廠相互競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。</p><p><b>　　在提高功率方面</b></p><p>　　由于增壓技術(shù)的進(jìn)步和工作過(guò)程的改善，單缸和單機(jī)功率不斷提高。最大功率已由二十多年前的1100KW提高至3680KW。目前，最大單機(jī)功率已達(dá)36899KW。功率的提高主要是不斷提高平均有效壓力Pe來(lái)實(shí)現(xiàn)的，四沖程柴油機(jī)的P

5、e已達(dá)2.6 MPa,二沖程柴油機(jī)的Pe可達(dá)1.575 MPa。</p><p><b>　　在提高經(jīng)濟(jì)性方面</b></p><p>　　自石油危機(jī)以后，燃油價(jià)格暴漲，燃料費(fèi)用大增。燃油費(fèi)用占總營(yíng)運(yùn)費(fèi)用的百分比已從20～40％上升到40～60％，因而，降低燃油消耗，燃用劣質(zhì)燃料，尋找代用燃料已成為國(guó)外各柴油機(jī)制造公司競(jìng)爭(zhēng)的主要手段。各公司為此進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作，

6、并獲得了很大進(jìn)展。稱霸世界低速柴油機(jī)市場(chǎng)的MANB＆W和SULZER公司，從1977年至1982年間，使低速二沖程柴油機(jī)的油耗率下降了27g/KW·h，最低油耗率達(dá)到160 g/KW·h的水平。船用中速柴油機(jī)的油耗率也已經(jīng)大幅度降低。法國(guó)的PC2-6EF和PC4-2EF機(jī)型的油耗率已達(dá)170 g/KW·h。他們的有效熱效率ηe=0.5～0.53，達(dá)到了相當(dāng)高的水平。幾種典型柴油機(jī)燃油消耗率的變化趨勢(shì)如圖1-

7、1和圖1-2所示。</p><p>　　圖1-1二沖程低速燃油耗率逐年下降的趨勢(shì) 圖1-2四沖程中速機(jī)燃油耗率逐年下降的趨勢(shì)</p><p>　　此外，近年來(lái)，劣質(zhì)燃料—重油（又稱渣油）已被船舶輔機(jī)或輔機(jī)作為主要燃料加以采用。低速二沖程柴油機(jī)燃用重油的粘度已達(dá)3500～6000秒（雷氏一號(hào)（100℉）。四沖程中速柴油機(jī)可燃雷氏一號(hào)粘度為1500～3500秒的重油。高速柴油機(jī)可燃用雷氏一號(hào)

8、粘度為200～250秒的重油.造船廠希望主機(jī)和輔機(jī)采用同一種燃油。</p><p>　　提高可靠性，延長(zhǎng)壽命，發(fā)展監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　隨著平均有效壓力Pe的提高，最高爆發(fā)壓力已高達(dá)15 MPa。零部件機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷增加，為了提高可靠性和使用壽命，降低熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，在加強(qiáng)高溫表面的冷卻，改進(jìn)材料、改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高剛度等方面進(jìn)行了大量工作，并取得了進(jìn)展。</p>&l

9、t;p>　　大力發(fā)展電子監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)柴油機(jī)性能參數(shù)和工況變化的趨向進(jìn)行瞬時(shí)分析，以便選擇最佳運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障或不可靠因素，了解零部件運(yùn)行情況，通過(guò)測(cè)量和故障預(yù)兆的分析，確定更換零部件的期限。</p><p>　　此外，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)研究工作。無(wú)疑這對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化以及按壽命要求進(jìn)行最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)都是有效的手段。</p><p>

10、　　現(xiàn)代柴油機(jī)的大修期（壽命）大大提高，高速大功率柴油機(jī)為5000～6000h（小時(shí)），中速大功率柴油機(jī)一般為30000h，個(gè)別的機(jī)型如TM410中速機(jī)可以和低速機(jī)相比，壽命為72000～100000h，相當(dāng)于10～20年。</p><p>　　在過(guò)去的二十多年中，各類柴油機(jī)都獲得了很大的發(fā)展，單功率獲得了成倍的增長(zhǎng)。在這方面，廢氣渦輪增壓起了決定性的作用。目前還在為進(jìn)一步提高平均有效壓力而進(jìn)行大量的研究工作。&

11、lt;/p><p>　　1.3 課題的背景和意義</p><p>　　柴油機(jī)是一種將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為機(jī)械功的動(dòng)力機(jī)械。這種能量轉(zhuǎn)換是燃油在氣缸中與空氣充分混合進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的工作氣體，推動(dòng)活塞、連桿、曲軸，從而使燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械功向外輸出的 [2]。內(nèi)燃機(jī)在經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展，雖然基本構(gòu)造變化不大，但其性能和設(shè)計(jì)水平一直在不斷提高，其燃油經(jīng)濟(jì)性、升功率、緊湊性、制造成本、可

12、靠性和使用壽命等主要技術(shù)指標(biāo)不斷得到改善。</p><p>　　伴隨著科技的飛速發(fā)展，各種新技術(shù)、新的研究成果(如:廢氣渦輪增壓技術(shù)，電子控制燃油噴射技術(shù)，三元催化，分層充氣，二次空氣噴射，帶有冷卻裝置的EGR排氣再循環(huán)技術(shù)等)應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，加之全球環(huán)境保護(hù)的需求和石油資源的危機(jī)，促使當(dāng)今的內(nèi)燃機(jī)向著高轉(zhuǎn)速、高功率和低油耗、低排放等方向發(fā)展。然而內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的提高，必然會(huì)帶來(lái)缸內(nèi)燃?xì)獾谋l(fā)壓力和溫

13、度的提高。燃?xì)獗l(fā)壓力的增加，一方面使得活塞、缸體和缸蓋承受的機(jī)械負(fù)荷增大，導(dǎo)致活塞、缸體和缸蓋因強(qiáng)度不足而產(chǎn)生破壞。另一方面壓力升高率過(guò)大，還會(huì)產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象和增加內(nèi)燃機(jī)的燃燒噪聲。燃?xì)鉁囟鹊纳撸瑢?dǎo)致組成內(nèi)燃機(jī)燃燒室的受熱零件熱負(fù)荷的增加，產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力和熱變形;溫度過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致受熱零件材料的強(qiáng)度和硬度急劇下降，降低其可靠性和使用壽命，更有甚者，還會(huì)直接導(dǎo)致受熱零件燒蝕或熔化 [3]。</p><p>　　活

14、塞作為柴油機(jī)最主要的受熱零部件之一,由于受熱面積大,散熱條件差,因而其承受很高的熱負(fù)荷?；钊墓ぷ鳝h(huán)境十分嚴(yán)酷，一方面，要承受高壓燃?xì)獗l(fā)壓力、高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力、側(cè)向壓力和摩擦力等周期性的機(jī)械負(fù)荷作用，造成活塞不均勻的機(jī)械應(yīng)力和變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使活塞銷(xiāo)座從內(nèi)側(cè)開(kāi)始縱向開(kāi)裂，第一環(huán)岸斷裂等;另一方面，活塞頂面承受瞬變高溫燃?xì)獾淖饔?，使活塞頂部乃至整個(gè)活塞的溫度都很高，而且分布很不均勻，各部位溫度梯度大，造成活塞很大的熱應(yīng)力和熱變形

15、，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致活塞頂面開(kāi)裂，活塞與缸套間的正常間隙遭到破壞，甚至活塞拉缸、抱死等。因此，在設(shè)計(jì)階段對(duì)活塞進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和傳熱分析，了解活塞的熱負(fù)荷狀態(tài)和綜合應(yīng)力分布情況，降低熱負(fù)荷，改善熱應(yīng)力分布，提高其工作可靠性和改善排放具有重要意義。進(jìn)而對(duì)活塞進(jìn)行改進(jìn)，它可為研究活塞熱應(yīng)力和熱變形的活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。</p><p><b>　　第二章 軟件介紹</b></p>

16、<p><b>　　2.1 建模軟件</b></p><p>　　本課題用UG4.0進(jìn)行活塞的建模，UG 是由美國(guó)著名航空公司麥道開(kāi)發(fā)的CAD/CAM/CAE/PDM應(yīng)用系統(tǒng), 它覆蓋產(chǎn)品的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程, 包括概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程分析、模擬仿真以及制造等。作為一個(gè)優(yōu)秀的世界領(lǐng)先的高端CAX/PDM軟件, UG 有許多先進(jìn)的技術(shù)。它具有智能化的操作樹(shù); 實(shí)現(xiàn)曲面和實(shí)體之間的互操

17、作技術(shù); 各模塊之間的全相關(guān)技術(shù)等等; 還有一項(xiàng)在產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中十分重要、應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)—參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)。UG中的參數(shù)化設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單性、實(shí)用性、功能強(qiáng)大等特點(diǎn), 還可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求, 進(jìn)行后參數(shù)化設(shè)計(jì)等。</p><p>　　參數(shù)化設(shè)計(jì)代表了當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)的最新設(shè)計(jì)趨勢(shì)，以成為三維CAD的主流技術(shù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程是指從功能分析到創(chuàng)建參數(shù)化模型的整個(gè)過(guò)程。參數(shù)化建模時(shí)參數(shù)化模型設(shè)計(jì)的主要過(guò)程。建模

18、時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何創(chuàng)建一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)化模型，所以在進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)需要考慮多方面的因素：1.分析組成零部件幾何形體的基本因素，以此各個(gè)元素之間的關(guān)系；2.分析自由參數(shù)與那些元素有關(guān)，如何保證只有參數(shù)的自由變化；3.確定模型主要特征及所有的輔助特征；4.利用表達(dá)式編輯器，按照自由參數(shù)對(duì)部分表達(dá)式進(jìn)行分析；5.確定特征創(chuàng)建順序，并進(jìn)行模型的創(chuàng)建；6.更改各個(gè)自由參數(shù)的值，驗(yàn)證模型的變化是否合理。</p><p&

19、gt;　　參數(shù)化建模在UG中的應(yīng)用：1.利用基本特征進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，基本特征是指系統(tǒng)提供的特征建模功能模塊和自由曲面建模功能模塊中的相關(guān)特征創(chuàng)建操作。在進(jìn)行參數(shù)化建模之前，首先要對(duì)模型進(jìn)行形體分析，如果模型不能分解為基本的幾何元素或模型是通過(guò)布爾運(yùn)算的方式組合成的，這樣的模型就無(wú)法通過(guò)基本的特征進(jìn)行參數(shù)化建模，在利用基本特征進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，只有長(zhǎng)方體、圓柱體、圓錐體、和球體等這些基本幾何元素可以作為主特征。其他特征不能作為主特征，只能

20、與其產(chǎn)生依附或參考關(guān)系；2.利用草圖進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，草圖是與實(shí)體模型相關(guān)聯(lián)的二維圖形，它的方便之處在于草圖平面可以進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)草圖對(duì)象上所添加約束方式或者約束值的修改可以改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而改變對(duì)象特征。通過(guò)對(duì)草圖上創(chuàng)建的截面曲線進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃描等操作生成參數(shù)化實(shí)體模型，從而可以提取模型中的截面曲線的參數(shù)和拉伸等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型的尺寸驅(qū)動(dòng)。在利用草圖進(jìn)行截面曲線的創(chuàng)建時(shí)，一般是按照以下步驟進(jìn)行：1.根據(jù)零部件的設(shè)計(jì)圖紙，在U

21、G系統(tǒng)中確定工作平面以進(jìn)行草圖繪制；2.利用草圖功能創(chuàng)建相關(guān)的草圖平面；3.利用草圖曲線功能在草圖平面創(chuàng)建近似的曲線輪廓；4.利用</p><p>　　2.2 有限元分析法</p><p>　　有限單元法是在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展和工程分析中獲得最廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法，它是用計(jì)算機(jī)把復(fù)雜的零件形體自動(dòng)分割成有限個(gè)形狀簡(jiǎn)單的單元，然后逐個(gè)分析、計(jì)算這些小單元體的變形，并按一定的關(guān)系求得零件的總變

22、形。由于它的通用性和有效性，理論基礎(chǔ)牢靠，物理概念清晰，解決問(wèn)題效率高，能為工程師在設(shè)計(jì)階段掌握產(chǎn)品性能、優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，縮短設(shè)計(jì)試驗(yàn)周期，使設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力等優(yōu)點(diǎn)，因而受到工程技術(shù)界的高度重視。伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)己成為計(jì)算機(jī)輔助工程和數(shù)值仿真的重要組成部 分 [4-8]。有限單元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形(有限個(gè)直線單元)逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)近而求得圓周率，但作為一種方法而被

23、提出，則是上個(gè)世紀(jì)中期的事。從應(yīng)用數(shù)學(xué)的角度考慮，有限元分析方法的基本思想可以追溯到1943年，Courant在求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問(wèn)題時(shí)，他首先嘗試應(yīng)用在一系列三角形區(qū)域上定義的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合的方法求解。從那以后，不少應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師分別從不同角度對(duì)有限元法的離散理論、方法以及應(yīng)用進(jìn)行了研究。但有限元法的實(shí)際應(yīng)用是隨著電子</p><p>　　有限元分析法的基本原理是用較簡(jiǎn)單

24、的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，即將物體劃分成有限個(gè)單元，這些單元之間通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，單元看作是不可變形的剛體，單元之間的力通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞，然后利用能量原理建立各單元矩陣:在輸入材料特性、載荷和約束等邊界條件后，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行物體變形、應(yīng)力和溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究度場(chǎng)等物理特性的計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，并以圖像和數(shù)據(jù)的形式直觀地顯示出來(lái)。從數(shù)學(xué)角度考慮，它是從變分原理出發(fā)通過(guò)分區(qū)描值把二次泛函能量積分的極值問(wèn)

25、題化為一組多元線性方程來(lái)解，人們知道直接從一個(gè)微分方程推導(dǎo)出它的泛函常常是很復(fù)雜的，有時(shí)甚至是不可能的，所以在求泛函時(shí)常借助于所研究問(wèn)題的物理特性，諸如金屬切削機(jī)床這類機(jī)械產(chǎn)品的剛性問(wèn)題屬于小變形彈性問(wèn)題，因而彈性力學(xué)中最小位能原理提供了極大的方便。</p><p>　　2.3 有限元法分析問(wèn)題的一般模式</p><p>　　對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元分析方法的基本步驟是相同

26、的，只是具體公式推導(dǎo)和具體的求解方式不同。有限元法求解問(wèn)題的基本步驟通常 為 [4，10]</p><p>　　第一步:問(wèn)題及求解域的確定</p><p>　　根據(jù)實(shí)際問(wèn)題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。</p><p>　　第二步:求解域的離散化</p><p>　　將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域

27、，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小(網(wǎng)絡(luò)越細(xì))則離散域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。</p><p>　　第三步:確定狀態(tài)變量及控制方法</p><p>　　一個(gè)具體的物理問(wèn)題通常可以用一組包含問(wèn)題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元法求解，通常將微分方程轉(zhuǎn)化為等價(jià)的泛函形式。</p>&

28、lt;p><b>　　第四步:單元推導(dǎo)</b></p><p>　　對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣。為保證問(wèn)題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺秩的危

29、險(xiǎn)，將導(dǎo)致無(wú)法求解。</p><p><b>　　第五步:總裝求解</b></p><p>　　將單元總裝形成離散域的總矩陣方程，反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)連續(xù)性盡可能建立在結(jié)點(diǎn)處。</p><p>　　第六步:聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋</p>

30、<p>　　有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。</p><p>　　簡(jiǎn)言之，有限元分析方法可分成三個(gè)階段，前處理、有限元求解和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分，施加邊界條件、負(fù)荷條件和時(shí)間變化情形等;求解是通過(guò)ANSYS10.0軟

31、件的求解器進(jìn)行求解計(jì)算;后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。圖2-1是運(yùn)用有限元分析法解決有限元問(wèn)題的流程圖</p><p>　　圖2-1有限元分析問(wèn)題流程圖</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　無(wú)論使用哪種方法進(jìn)行參數(shù)化建模，在建模的過(guò)程中只能有一個(gè)主特征，其他的特征都是依附于

32、主特征，通過(guò)主特征基準(zhǔn)點(diǎn)等進(jìn)行定位，并與主特征保持固定的位置關(guān)系。本文中的設(shè)計(jì)過(guò)程以利用草圖進(jìn)行參數(shù)化建模為基礎(chǔ)，輔以基本特征參數(shù)建模。在用UG4.0建模完成后，保存為Parasolid的文件，這樣就可以導(dǎo)入ANSYS10.0進(jìn)行進(jìn)一步的分析了。</p><p>　　第三章 活塞基本設(shè)計(jì)和活塞建模</p><p><b>　　3.1 概述</b></p>

33、<p>　　活塞組由活塞、活塞銷(xiāo)、活塞環(huán)等零件組成，其主要作用是：組成燃燒室，承受燃?xì)庾饔昧?，并把它傳給連桿，密封氣缸，防止燃?xì)庑孤都盎透Z入燃燒室，</p><p>　　將活塞頂部接受的熱量傳給氣缸壁，進(jìn)而傳給冷卻介質(zhì)；將連桿的側(cè)壓力傳給氣缸壁。活塞組的工作條件：</p><p><b>　?。?）機(jī)械負(fù)荷</b></p><p&g

34、t;　　活塞組受到氣體壓力P、往復(fù)慣性力Pj及側(cè)壓力Pn的周期性沖壓力的作用。目前，強(qiáng)化柴油機(jī)的最高爆發(fā)壓力Pz已達(dá)140 kgf/cm 2，使活塞產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力和變形。</p><p><b>　　（2）熱負(fù)荷</b></p><p>　　活塞頂直接受到高溫燃?xì)庵芷谛缘募訜?，瞬時(shí)最高燃?xì)鉁囟冗_(dá)1800～2600℃，鋁活塞頂面溫度高達(dá)350℃左右（圖3-1）。&l

35、t;/p><p>　　圖3-1 活塞的溫度分布</p><p>　　活塞的熱應(yīng)力和熱變形過(guò)大，溫度超過(guò)300～350℃時(shí)，鋁活塞材料的強(qiáng)度急劇下降，第一道環(huán)槽溫度超過(guò)180～220℃時(shí)，易引起潤(rùn)滑油變質(zhì)結(jié)膠，致使活塞環(huán)卡死，活塞熱負(fù)荷隨氣缸直徑的加大及平均有效壓力的提高而增壓。熱負(fù)荷過(guò)高的活塞，必須采取冷卻措施，將傳給活塞的熱量迅速散出，使活塞溫度降到容許的范圍之內(nèi)?；钊麅?nèi)的熱流及散熱比例見(jiàn)圖

36、3-2。</p><p>　　圖3-2 活塞內(nèi)熱流和散熱的百分比</p><p>　?。?）高速滑動(dòng)，潤(rùn)滑不良</p><p>　　高速機(jī)的活塞平均速度Cm已高達(dá)13 m/s,瞬時(shí)最高速度為平均速度的1.5～1.6倍。活塞速度的增高致使活塞組的摩擦損失增大，一般，活塞組的摩擦系數(shù)損失約占發(fā)動(dòng)機(jī)全部摩擦損失的50％以上。摩擦劇烈，潤(rùn)滑條件又差，易使活塞好活塞環(huán)加速磨損

37、，以致失效。</p><p>　　3.2 活塞的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　(1)在保證強(qiáng)度和剛度、以及散熱良好的前提下，應(yīng)盡量降低活塞高度，減輕活塞重量。</p><p>　　(2)保證密封性良好，并盡量減少摩擦損失。</p><p>　　(3)減少活塞頂部吸收的熱量，已傳給活塞的熱量應(yīng)迅速散掉，保證活塞溫度不超過(guò)允許極限，目前鋁活塞莫些

38、部位的溫度不超過(guò)下列數(shù)值：</p><p>　　活塞頂 375℃</p><p>　　第一道環(huán)槽 180～220℃</p><p>　　活塞頂內(nèi)表面 250℃

39、</p><p>　　震蕩冷卻油冷腔內(nèi)測(cè) 220℃</p><p>　　活塞銷(xiāo)座 180℃</p><p>　　(4)保證導(dǎo)向部分潤(rùn)滑可靠同時(shí)又需防止?jié)櫥蜕细Z，盡量降低潤(rùn)滑油消耗量。</p><p>　　(5)

40、活塞裙部與氣缸壁的接觸面積要盡可能大，但又要防止活塞拉毛和卡死。</p><p>　　(6)活塞與氣缸的配合間隙小，以減少對(duì)氣缸的撞擊和噪聲，以及使變工況適應(yīng)性好。</p><p>　　(7)抗拉缸性能好和易于制造，成本低 [11]。</p><p>　　3.3 活塞的基本設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1本文所需設(shè)計(jì)的柴油機(jī)性能參數(shù)<

41、;/p><p>　　6L20/27柴油機(jī)是四沖程、直列式、不可逆轉(zhuǎn)、帶廢氣渦輪增壓器和增壓空氣冷卻器、直接噴射、水冷中速船用柴油機(jī)</p><p>　　缸徑 200 mm </p><p>　　行程 270 mm </p>

42、;<p>　　氣缸數(shù) 6 T</p><p>　　壓縮比 13.37</p><p>　　平均有效壓力 1.415 MPa </p><p>　　額定轉(zhuǎn)速

43、 1000 r/min </p><p>　　最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 370 r/min</p><p>　　額定功率 600 KW </p><p>　　活塞平均速度 9

44、m/s </p><p>　　最高爆發(fā)壓力 10 MPa</p><p>　　增壓壓力（表壓） 0.18 MPa</p><p>　　各缸平均排氣溫度 ≤530℃±40℃</p><p>　　總

45、排氣溫度（渦輪前） ≤580℃</p><p>　　旋轉(zhuǎn)方向 順時(shí)針（從飛輪端向發(fā)動(dòng)機(jī)看）</p><p>　　發(fā)火順序 1-3-5-6-4-2-1</p><p>　　燃油消耗率（船用工況、不帶泵）

46、 250 g/KW·h</p><p>　　燃油消耗率 1.1 kg/h</p><p>　　重量（干重） ～6600 kg</p><p>　　外形尺寸 2941╳1266╳2083（

47、mm）</p><p>　　大氣溫度 27℃</p><p>　　大氣壓力 1000kPa</p><p>　　燃油低熱值 42700kJ/kg</p><p>　　燃

48、料平均重量成分 C=0.87 H=0.126 O=0.004</p><p>　　3.3.2 活塞的主要尺寸</p><p>　　活塞的主要結(jié)構(gòu)尺寸（圖3-3）可根據(jù)同類型發(fā)動(dòng)機(jī)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)選取。</p><p>　　圖3-3 活塞的主要尺寸</p><p><b>　　（1）活塞高度H</b>&l

49、t;/p><p>　　應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)布置合理和所需的承壓面積條件下盡量選擇較小的活塞高度。</p><p>　　表3-1 活塞高度H與缸徑D之比的范圍</p><p>　　圖3-4 中速柴油機(jī)的活塞高度</p><p>　　由表3-1和圖3-4取 H/D=1.6 , 所以H=200*1.6=320mm</p><p><

50、;b>　　（2）壓縮高度</b></p><p>　　壓縮高度H1決定活塞銷(xiāo)的位置，在保證氣環(huán)良好工作的條件下，宜縮短，以力求降低整機(jī)的高度尺寸。</p><p>　　由文獻(xiàn)［11］可得：</p><p>　　取 /D=0.85 , 所以=200*0.85=170mm</p><p><b>　?。?）頂岸高度h&

51、lt;/b></p><p>　　圖3-5 中速柴油機(jī)的壓縮高度</p><p>　　由圖3-5取h/D=0.14,所以h=200*0.14=28mm</p><p>　　（4）活塞環(huán)數(shù)目及排列</p><p>　　活塞環(huán)數(shù)目及排列近代中速柴油機(jī)采用四道環(huán)，同時(shí)還須從活塞及活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)上采取措施，以確保良好的密封性能和防竄油性能。&l

52、t;/p><p>　　采用3道氣環(huán)，1道油環(huán)。</p><p>　　排列方式為從活力岸往下是依次排列氣環(huán)，接下來(lái)是油環(huán)。</p><p><b>　?。?）活塞環(huán)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1º活塞環(huán)的高度h</b></p><p>　　文獻(xiàn)［1］中列出了

53、氣環(huán)和油環(huán)的高度隨氣缸直徑變化的曲線圖，其中上限值適用于二沖程柴油機(jī)和強(qiáng)載度高的柴油機(jī)，強(qiáng)載度較低或用球磨鑄鐵活塞環(huán)的柴油機(jī)可以選用下限值。</p><p>　　第一道氣環(huán)高度 4 mm</p><p>　　第二道氣環(huán)高度 4 mm</p><p>　　第三道氣環(huán)高度 4 mm</p><p><b>　　油環(huán)高度 8 mm<

54、/b></p><p><b>　　2º徑向厚度 T</b></p><p>　　由于柴油機(jī)的高速化和活塞環(huán)高的趨于減少，是活塞環(huán)的徑向厚度趨于增加。環(huán)高與徑向厚度之比h/T過(guò)小易引起平面撓曲和扭曲，上下側(cè)面的平直度和平行度難以保證，容易折斷。圖3-6表示徑向厚度隨氣缸的直徑的變化曲線圖。</p><p>　　圖3-6 活塞環(huán)的

55、徑向厚度隨氣缸直徑的變化曲線</p><p>　　第一道徑向厚度 8.6 mm</p><p>　　第二道徑向厚度 8.6 mm</p><p>　　第三道徑向厚度 8.6 mm</p><p>　　油環(huán)徑向厚度 8.6 mm</p><p>　　3º自由開(kāi)口間隙 L</p><p>

56、;　　L 越大，環(huán)的彈力越大，環(huán)的安裝應(yīng)力越小，易于裝配，但工作應(yīng)力增大，且環(huán)的彈力從毛坯到成品有較大的衰減。</p><p>　　一般取 L=(2.5～3.5)T</p><p>　　取所有環(huán)的開(kāi)口間隙為 30 mm</p><p><b>　?。?）環(huán)槽尺寸</b></p><p>　　氣環(huán)槽 (mm)</

57、p><p>　　油環(huán)槽 (mm)</p><p>　　式中 D — 活塞名義直徑</p><p>　　t — 活塞環(huán)的徑向厚度</p><p>　　k — 系數(shù)，鋁活塞k=0.006，</p><p>　　環(huán)槽底部的過(guò)渡圓角一般為0.2～0.5mm</p><p><b>　　氣環(huán)槽

58、 (mm)</b></p><p><b>　　油環(huán)槽 (mm)</b></p><p>　　取氣環(huán)槽=183.2mm，油環(huán)槽=184mm。</p><p><b>　?。?）環(huán)岸高度</b></p><p>　　第一環(huán)岸（第一道氣環(huán)下面的環(huán)岸）溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的

59、沖擊而斷裂，所以第一環(huán)岸高度一般比其余環(huán)岸高度要大一些。</p><p>　　由文獻(xiàn)［11］可得：</p><p>　　取第一環(huán)岸 /D=0.07 , 所以 =0.07*200=14 mm</p><p>　　取其余環(huán)岸 ()/D=0.04 ，所以 ==0.04*200=8 mm</p><p>　　所以 = + + +3*4+

60、8=50 mm</p><p><b>　?。?）活塞頂厚度δ</b></p><p>　　δ是根據(jù)活塞頂部應(yīng)力、剛度及散熱要求來(lái)決定的，小型高速柴油機(jī)的鋁活塞，如滿足頂部有足夠的傳熱截面，則頂部的機(jī)械強(qiáng)度一般也是足夠的。熱應(yīng)力隨活塞頂厚度增加而增大，活塞頂厚度（特別是鋼頂）只要厚到能承受燃?xì)鈮毫础＆牡囊话惴秶杏诒?-2</p><p>　

61、　表3-2 活塞頂厚度</p><p>　　取δ/D=0.12 ，所以 δ=0.12*200=24 mm</p><p><b>　　(9)裙部長(zhǎng)度</b></p><p>　　/D的一般取值范圍為：</p><p>　　高速柴油機(jī) 0.65～0.88(參閱文獻(xiàn)) </p><p>　　中速柴油

62、機(jī) 1.0～1.1</p><p>　　上、下裙應(yīng)有恰當(dāng)?shù)谋壤?，上裙長(zhǎng)度過(guò)小，易產(chǎn)生尖峰負(fù)荷，造成活塞拉毛及擦傷。一般的比例如下</p><p>　　=（0.6～1.75） (參閱文獻(xiàn))</p><p>　　取 /D=1.1 ，所以 =1.1*200=220 mm</p><p>　　因=H-=320-170=150 mm</p&g

63、t;<p>　　而/ =150/220=0.682∈（0.6～0.75），滿足條件</p><p>　　(10) 裙部厚度 </p><p>　　鋁活塞裙部最小壁厚一般為（0.03～0.06）D（文獻(xiàn)［11］的圖7-20）。薄壁裙部對(duì)減輕活塞重量有利，但又需要保證裙部有足夠的剛性，可以根據(jù)需要設(shè)置加強(qiáng)筋。</p><p>　　(11)活塞銷(xiāo)直徑d和銷(xiāo)座

64、間隔B</p><p>　　由文獻(xiàn)［11］圖7-23、表7-7和表7-8得 d/D=0.4, B/D=0.4</p><p>　　所以得 d=80 mm ， B=80 mm</p><p>　　(12)活塞頭部設(shè)計(jì)</p><p>　　活塞頂形狀主要根據(jù)燃燒系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，本活塞設(shè)計(jì)選擇ω型燃燒室。鋁活塞的頭部設(shè)計(jì)成導(dǎo)熱良好的“熱流型”，

65、即根據(jù)活塞的熱流通路，采用大圓弧過(guò)渡，以增加從頂部到裙部的傳熱截面，從而將頭部熱流迅速傳出，使活塞頭部的溫度的到降低。溫度降低的同時(shí)有利于消除應(yīng)力集中，這樣即可提高活塞的承載能力。</p><p><b>　?。?3）活塞銷(xiāo)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　活塞銷(xiāo)受燃?xì)鈮毫突钊M往復(fù)慣性力的交變沖擊而產(chǎn)生彎曲變形和橢圓變形，在相應(yīng)與銷(xiāo)座和連桿小頭軸承邊緣處承受剪切力

66、，表面遭到強(qiáng)烈的磨損，因此要求活塞銷(xiāo)有一定的強(qiáng)度和剛度表面有很高的硬度，但芯部應(yīng)堅(jiān)韌。</p><p>　　為了提高活塞銷(xiāo)的抗彎能力，增強(qiáng)剛度、減小變形，防止活塞銷(xiāo)和銷(xiāo)座的局部邊緣接觸而引起活塞裙部裂紋、活塞變形、甚至活塞銷(xiāo)卡死，增加活塞銷(xiāo)的外徑是有利的。增大外徑還能提高銷(xiāo)座與連桿小頭襯套的承載能力。但過(guò)大的活塞銷(xiāo)外徑使活塞的高度和重量都增加，慣性力有較大的增長(zhǎng)。</p><p>　　在結(jié)

67、構(gòu)上，活塞銷(xiāo)外徑的增大受到氣缸直徑和活塞銷(xiāo)長(zhǎng)度的限制，往往為了保證銷(xiāo)座和活塞銷(xiāo)有足夠的長(zhǎng)度，外徑不宜過(guò)大。</p><p>　　為了減輕活塞組的重量，應(yīng)盡量加大銷(xiāo)的內(nèi)孔直徑；但當(dāng)外徑一定時(shí)，內(nèi)孔直徑過(guò)大會(huì)降低銷(xiāo)的強(qiáng)度和剛度。</p><p>　　活塞銷(xiāo)的外徑 d=(0.35～0.45)D=0.4*200=80 mm</p><p>　　活塞銷(xiāo)的長(zhǎng)度 l=(0.80～

68、0.88)D=0.85*200=170 mm</p><p>　　活塞銷(xiāo)內(nèi)孔 =(0.4～0.6)d=32～48=35 mm</p><p>　?。?4）活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計(jì)</p><p>　　活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于保證裙部有足夠的貼合面積和良好的潤(rùn)滑條件，以及保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下度具有最小的活塞間隙。</p>&l

69、t;p>　　下裙結(jié)構(gòu)一般為完整的筒形，近代柴油機(jī)力求結(jié)構(gòu)緊湊，總是盡量縮短連桿長(zhǎng)度，但此時(shí)需要避免活塞裙部與曲軸平衡塊或機(jī)體的主軸承座圈相碰，所以一般將裙部下端銑去兩塊，這種裙部 即避免干涉，又使活塞的重量減輕，并不影響活塞的導(dǎo)向長(zhǎng)度。</p><p>　　裙部實(shí)際情況下為橢圓，本設(shè)計(jì)中將其簡(jiǎn)化為圓形。

70、

71、 </p><p>　　3.4 活塞組的

72、建模</p><p>　　激活軟件：執(zhí)行【開(kāi)始】＞【所有程序】＞【NX4.0】命令即可進(jìn)入U(xiǎn)GNX4.0主界面。在主界面中建立一個(gè)新文件夾，系統(tǒng)進(jìn)入集成環(huán)境入口模塊。為了方便建模，我們通過(guò)自行設(shè)定顯示哪些工具條以及每個(gè)工具條中的哪些圖標(biāo)：?jiǎn)螕簟竟ぞ摺浚尽咀远x】，彈出自定義對(duì)話框在其中勾選與自己建模相適應(yīng)的各個(gè)模塊。</p><p>　　圖 3-7 選擇建模模塊的操作界面</p>

73、;<p>　　進(jìn)一步設(shè)置每個(gè)菜單選項(xiàng)下的子菜單，進(jìn)入如上圖界面后，單擊所需設(shè)置的菜單選項(xiàng)，如【插入】＞【直接建?！?，右擊該選項(xiàng)彈出對(duì)話框，選擇【添加或移除】按鈕，再在彈出的對(duì)話框中選擇所需的工具：</p><p>　　圖 3-8 選擇所需的工具的操作界面</p><p>　　系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置：選擇【文件】＞【實(shí)用工具】＞【用戶默認(rèn)設(shè)置】按鈕，在彈出的【用戶默認(rèn)設(shè)置】對(duì)話框中設(shè)置系

74、統(tǒng)的工作方式、主窗口大小、尺寸、可見(jiàn)性、精度等參數(shù)。</p><p>　　圖3-9 系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置</p><p>　　創(chuàng)建草圖：選擇【工具】＞【草圖】命令或者單擊【成型特征】工具條上的圖標(biāo)，系統(tǒng)進(jìn)入草圖平面功能?！緞?chuàng)建草圖平面】工具條將出現(xiàn)在繪圖區(qū)域的左上方。從工具條中可以看出，可以附著在坐標(biāo)平面、基準(zhǔn)平面、實(shí)體平面上創(chuàng)建草圖。選擇一個(gè)坐標(biāo)平面作為草圖平面，指定草圖平面后在草圖工具欄中的文

75、本框中輸入草圖名稱，建立草圖平面后，可以在草圖工作平面建立草圖對(duì)象，選擇【草圖曲線】工具條中的圖標(biāo)，可以在草圖平面中直接繪制和編輯草圖曲線。這些圖標(biāo)包括基本曲線、點(diǎn)、圓、矩形、倒圓角、橢圓、樣條曲線和編輯曲線等。</p><p>　　草圖約束包括尺寸約束、幾何約束、定位約束，草圖的尺寸約束是限制草圖對(duì)象的大小。選擇【工具】＞【創(chuàng)建約束】＞【尺寸】命令，利用該對(duì)話框中提供的選項(xiàng)可以為草圖添加尺寸約束，修改其尺寸參數(shù)

76、數(shù)值來(lái)改變對(duì)象的大小。</p><p>　　圖3-10 草圖約束操作界面</p><p>　　幾何約束是限制草圖對(duì)象的形狀，確定草圖對(duì)象之間的相互位置關(guān)系。UG提供了3種為草圖對(duì)象添加幾何約束方式：1手工創(chuàng)建約束，是指由用戶對(duì)選取的對(duì)象指定某種約束。2.自動(dòng)判斷創(chuàng)建約束，是在繪制草圖對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)鼠標(biāo)移動(dòng)的位置自動(dòng)地顯示可能的集合約束符號(hào)，從而定義相應(yīng)的幾何約束。定位約束是確定草圖相對(duì)于

77、實(shí)體邊緣線或特征點(diǎn)的位置。</p><p>　　圖3-11 定位約束操作界面</p><p>　　在草圖繪制過(guò)程中如何能夠使所畫(huà)的草圖達(dá)到全約束是一個(gè)比較麻煩的事情，簡(jiǎn)單的圖形所需要的約束少，就可以很好的達(dá)到，這里我介紹一個(gè)在自己繪圖中的簡(jiǎn)單方法：簡(jiǎn)單圖形時(shí)可以通過(guò)按照設(shè)計(jì)圖紙大致勾畫(huà)出相似的模型，然后在根據(jù)圖紙的要求分別進(jìn)行相應(yīng)的尺寸和定位約束，很快就能達(dá)到全約束的要求；圖形比較繁瑣的時(shí)

78、候，上面的方法就顯得捉襟見(jiàn)肘了，當(dāng)你畫(huà)完大致的圖形時(shí)，便會(huì)發(fā)現(xiàn)很難在達(dá)到全約束，此時(shí)，就需要你在繪圖初期時(shí)便要在每一步的時(shí)候一一達(dá)到全約束，這樣的話，就不用等到最后的時(shí)候在約束而約束不全了。根據(jù)上面的步驟繪制的活塞截面曲線圖如圖3-12所示；</p><p>　　接著通過(guò)旋轉(zhuǎn)和拉伸并開(kāi)銷(xiāo)孔，參照設(shè)計(jì)圖紙的各個(gè)細(xì)節(jié)部分分別處相應(yīng)的處理，如：面倒圓、倒角等，可得到活塞的基本模型；</p><p&g

79、t;　　圖3-12 活塞本體的草圖 圖3-13 活塞本體模型</p><p>　　同樣的建模處理方法繪制出活塞組其他的三維模型如圖所示：</p><p>　　圖 3-14 活塞銷(xiāo)的模型 圖 3-15 第一道氣環(huán)的模型</p><p>　　圖 3-16 第二（三）道氣環(huán)的模型

80、 圖 3-17 油環(huán)的模型</p><p><b>　　3.5 裝配質(zhì)量</b></p><p>　　裝配就是在裝配的過(guò)程中建立零件之間的配對(duì)關(guān)系。通過(guò)配對(duì)條件在零件之間建立約束關(guān)系進(jìn)而確定部件的位置。系統(tǒng)可以根據(jù)裝配信息自動(dòng)生成零件的明細(xì)表，明細(xì)表的內(nèi)容隨著裝配信息的變化而自動(dòng)更新。用戶在裝配模型生成后就可以建立爆炸圖，并且可以將爆炸圖引入到裝配圖中。</

81、p><p>　　UG中提供了3種裝配方法建立模型：1.自底向上，顧名思義就是先建立好裝配所需的零件再進(jìn)行裝配；2.自頂向下，在裝配上下文件的過(guò)程中建立新的零件；3.混合裝配，將上兩種方法綜合起來(lái)的裝配方法。本文中選用第一種裝配方法。自底向上裝配實(shí)際上就是真實(shí)裝配的再現(xiàn)，首先設(shè)計(jì)好裝配中的零部件，再將部件添加到裝配中，裝配的關(guān)鍵是部件的定位，UG組中用的定位方法有兩種，即絕對(duì)坐標(biāo)定位方式和配對(duì)定位方式。本為采用配對(duì)定位

82、方式。</p><p>　　配對(duì)條件是指組件的裝配關(guān)系，用于確定組件在裝配中的位置。裝配中兩個(gè)組件的位置關(guān)系為關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了裝配的參數(shù)關(guān)系，當(dāng)一個(gè)部件得位置變化時(shí)，其關(guān)聯(lián)部件位置也將發(fā)生變化，進(jìn)而保持相對(duì)位置不變。裝配結(jié)果如下：</p><p>　　圖 3-16 活塞組的裝配圖</p><p>　　利用UG計(jì)算重量，在打過(guò)已經(jīng)裝配好的文件，設(shè)置材料性能

83、后，分析得：</p><p>　　圖 3-17 活塞組的質(zhì)量</p><p>　　所以活塞組的總質(zhì)量 m=45.89 Kg</p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章內(nèi)容是本論文的關(guān)鍵部分，根據(jù)6L20/27柴油機(jī)性能特點(diǎn)，嚴(yán)格按照《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，進(jìn)行該柴油機(jī)活塞組的設(shè)計(jì)，選定了活

84、塞的結(jié)構(gòu)型式、氣環(huán)、油環(huán)和活塞銷(xiāo)的尺寸，在設(shè)計(jì)出活塞組尺寸的基礎(chǔ)上，運(yùn)用UGNX 4.0 建立活塞組的模型。在建立好活塞組的各個(gè)部件之后，再進(jìn)行活塞組的裝配，這一部分是下章活塞有限元分析及強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)</p><p>　　第四章 柴油機(jī)活塞強(qiáng)度計(jì)算</p><p><b>　　4.1 材料特性</b></p><p>　　活塞形狀為縮口ω圓

85、型柴油機(jī)活塞，其材料硅鋁合金，常溫下彈性模量E=7100MPa，泊松比μ=0.32，密度ρ=2700kg/ ，導(dǎo)熱系數(shù)λ=163 ，熱線性膨脹系數(shù)為β=2.32×℃/K，材料抗拉強(qiáng)度 =268.2 MPa。，抗壓強(qiáng)度 =260.7 MPa。</p><p>　　4.2 柴油機(jī)熱參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　本計(jì)算工況取600kW，1000r/min，Pk=0.18MPa<

86、/p><p>　　流通能力系數(shù)ηvφs取1.15</p><p>　　平均機(jī)械損失壓力Pm</p><p>　　機(jī)械效率ηm（參閱文獻(xiàn)，四沖程中速增壓 ηm=0.85 ～ 0.92）</p><p>　　環(huán)境條件：P0=100kPa，T0=27°C</p><p>　　4.2.1 換氣過(guò)程計(jì)算</p>

87、<p>　?。?） 充量系數(shù)ηv</p><p>　　（2） 殘余廢氣系數(shù)：r=0.01</p><p>　?。▍㈤單墨I(xiàn)P.3-15，r=0～ 0.01；或參閱文獻(xiàn)，四沖程增壓r=0～0.03）</p><p>　?。?） 進(jìn)氣終了溫度Ta</p><p>　　式中：有中冷增壓柴油機(jī)，參照中冷器出口溫度</p>&

88、lt;p><b>　　取Ts=320K</b></p><p>　　新鮮空氣預(yù)熱溫度： △T=20°C</p><p>　　殘余廢氣溫度： Tr=845K</p><p>　　（4） 進(jìn)氣終點(diǎn)壓力Pa（按文獻(xiàn)）</p><p>　?。ㄋ臎_程增壓Pa=（0.90～1.0）

89、Pk）</p><p>　　（5） 排氣壓力 Pr</p><p>　　四沖程增壓: </p><p>　　（6） 柴油機(jī)所需的總空氣流量Gk</p><p>　　4.2.2 壓縮過(guò)程計(jì)算</p><p>　?。?） 平均多變指數(shù)n1，忽略殘余廢氣，可用下式估算：</p><p>　　式中

90、：αv、b為干空氣的平均等容摩爾比熱式Cvm=αv +bT中的常數(shù)</p><p>　　αv =20.484 ， b=0.002687</p><p>　　上式可用試算法求出：</p><p>　　第一次試算，先假定一個(gè)n1值,假定n1=1.35,帶入等式右邊，得</p><p>　　試算值與假設(shè)值不符，將新求得的n1值代入等式右

91、邊計(jì)算。</p><p>　　第二次試算，n1=1.353，計(jì)算得 n1-1=0.35319</p><p>　　第三次試算，n1=1.3532，計(jì)算得 n1-1=0.3532</p><p>　　最后得 n1=1.3532 （參閱文獻(xiàn)，n1=1.35～1.37）</p><p>　?。?） 壓縮終

92、點(diǎn)壓力Pc與溫度Tc</p><p>　　4.2.3 燃燒過(guò)程計(jì)算</p><p>　?。?） 壓力升高比λ</p><p>　?。?） 燃燒過(guò)量空氣系數(shù)α（按文獻(xiàn)P.3-29表格28項(xiàng)公式計(jì)算）</p><p>　　式中 ge的單位為 </p><p>　?。?） 燃料熱化學(xué)計(jì)算</p><p&g

93、t;　?、儆?jì)算理論空氣量L0</p><p><b>　　②新鮮空氣量M1</b></p><p>　?、弁耆紵龝r(shí)燃燒產(chǎn)物的摩爾數(shù)M2</p><p>　　④理論分子變更系數(shù)β0</p><p>　?、輰?shí)際分子變更系數(shù)β</p><p>　　（4）平均定容摩爾比熱(μCvc）m，（μCvz）m計(jì)

94、算</p><p>　　壓縮終點(diǎn)C的平均定容摩爾比熱可近似按干空氣的平均定容摩爾比熱式計(jì)算</p><p>　　燃燒產(chǎn)物可看成由干空氣和純?nèi)紵a(chǎn)物組成，故燃燒終點(diǎn)Z的平均定容摩爾比熱為</p><p>　?。?）定容燃燒終點(diǎn)溫度Tz</p><p>　?。ㄊ街校?ξZ=0.75～0.85,取ξZ=0.85）</p><p&

95、gt;<b>　　即 </b></p><p>　　解方程，得 Tz=1913K</p><p>　?。?） 初期膨脹比ρ</p><p>　　4.2.4 膨脹過(guò)程計(jì)算</p><p>　?。?） 后期膨脹比δ</p><p>　?。?） 平均多變膨脹指數(shù)n2</p>&

96、lt;p>　　(式中: αv、b為燃燒產(chǎn)物定容摩爾比熱式的常數(shù)v =21.3 , b=0.0034； ξb=0.87～0.92，取ξb=0.90)</p><p>　　試取 n2=1.24 計(jì)算得 Tb=1120.4K n2-1=0.2427</p><p>　　試取 n2=1.2427 計(jì)算得 Tb=1113.7.1K n2

97、-1=0.2431</p><p>　　最終取 n2=1.2431 Tb=1112.7K</p><p>　?。?） 膨脹終點(diǎn)壓力Pb</p><p>　　（4） 計(jì)算氣缸工作容積VS和燃燒室容積VC</p><p>　?。?） 計(jì)算理論循環(huán)各特征點(diǎn)容積</p><p>　?。?） 壓縮曲線各點(diǎn)參數(shù)</

98、p><p>　　按公式 ，列表計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4-1</p><p>　　表4-1 壓縮曲線各點(diǎn)參數(shù)</p><p>　?。?） 膨脹曲線各點(diǎn)參數(shù)</p><p>　　按公式 ，列表計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4-2</p><p>　　表4-2 膨脹曲線各點(diǎn)參數(shù)</p><p>　　4.3 活塞傳熱邊界條件的

99、確定</p><p>　　活塞溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算屬于三維的不穩(wěn)定場(chǎng)計(jì)算，這種三不穩(wěn)場(chǎng)計(jì)算是比較復(fù)雜的。柴油機(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行時(shí)，在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)用于活塞頂面的燃?xì)鉁囟茸兓艽?，但是這種變化的時(shí)間很短，在熱慣性的作用下，只是在活塞頂表面很薄的范圍內(nèi)溫度是波動(dòng)的，而在活塞結(jié)構(gòu)的絕大區(qū)域，活塞的溫度基本上是穩(wěn)定的，即可以認(rèn)為活塞的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化是一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。在計(jì)算活塞溫度場(chǎng)時(shí)，通常采用第三類邊界條件，即給定邊

100、界的外圍介質(zhì)溫度 和換熱系數(shù) 。</p><p>　　4.3.1 活塞頂部換熱系數(shù)和燃?xì)獾钠骄鶞囟?lt;/p><p>　　在一個(gè)工作循環(huán)中，燃?xì)鉁囟燃叭細(xì)鈱?duì)活塞頂部的放熱系數(shù)是瞬時(shí)變化的，瞬時(shí)放熱系數(shù)采用艾歇伯格(Eickelberg)公式來(lái)計(jì)算[12] 。</p><p>　　(W/˙K) </p><p><b>　　式中

101、 =9m/s</b></p><p>　　— 活塞平均速度，單位為m/S，</p><p>　　— 氣體瞬時(shí)壓力，單位為MPa，</p><p>　　— 氣體瞬時(shí)溫度，單位為K。</p><p>　　燃?xì)鈱?duì)活塞頂部平均放熱系數(shù)，和燃?xì)馄骄鶞囟劝慈缦鹿接?jì)算 </p><p>　　4.3.2 活塞側(cè)面的換熱系

102、數(shù)和環(huán)境溫度</p><p>　　活塞側(cè)面通過(guò)氣缸套傳給冷卻水的熱邊界條件按下列公式計(jì)算，以冷卻水溫度作為環(huán)境溫度。</p><p>　　式中: 、、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); 為氣缸壁與水之間的換熱系數(shù)，,為平均水溫時(shí)水的導(dǎo)熱系數(shù)，為水套當(dāng)量直徑，為努塞爾特準(zhǔn)則數(shù)。由上面的公式計(jì)算得出熱邊界條件如表4-3所示：</p><p>　　表4-3 熱

103、邊界條件的確定</p><p>　　4.4 活塞應(yīng)力場(chǎng)三維有限元分析</p><p>　　柴油機(jī)增壓后，缸內(nèi)燃?xì)獾钠骄鶞囟群捅l(fā)壓力提高，熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷增大。熱負(fù)荷高，熱應(yīng)力加大可引起燃燒室壁、氣門(mén)座面和活塞表面產(chǎn)生裂紋;發(fā)生活塞環(huán)結(jié)碳、間隙變化、潤(rùn)滑油高溫結(jié)焦以及油耗增高等故障。機(jī)械負(fù)荷增加，不僅使活塞與缸套磨損加劇，而且易引起損壞 [13，14] ，因此對(duì)增壓柴油機(jī)活塞進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需

104、要對(duì)活塞強(qiáng)度進(jìn)行校核。</p><p>　　4.4.1活塞邊界條件的處理</p><p>　　作用在活塞上的機(jī)械負(fù)荷有燃?xì)獗l(fā)壓力、活塞組的往復(fù)慣性力、銷(xiāo)座孔內(nèi)表面的支反力以及裙部的側(cè)壓力?？紤]到活塞在整個(gè)工作過(guò)程中，當(dāng)燃?xì)獗l(fā)壓力達(dá)到最大的時(shí)候，活塞在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速條件下受力和變形是最嚴(yán)重的時(shí)刻，活塞的強(qiáng)度在此刻顯得尤其突出，因此本論文選擇6L20/27型增壓柴油機(jī)缸內(nèi)燃?xì)庾畲蟊l(fā)壓力作為活塞

105、機(jī)械應(yīng)力與變形的分析工況。6L20/27型增壓柴油機(jī)標(biāo)定功率為600KW/1000(r/min)，在環(huán)境大氣壓力100KPa，供油提前角12.5º 。</p><p>　　(1)活塞頂部氣體的作用力</p><p><b>　　=308504.4</b></p><p><b>　　式中：</b></p&g

106、t;<p>　　—為缸內(nèi)氣體對(duì)活塞頂部的總的作用力，單位兆牛頓MN;</p><p>　　—為缸內(nèi)氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，單位為兆帕MPa;</p><p>　　—為曲軸箱內(nèi)氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，單位為兆帕MPa;</p><p>　　—為活塞頂?shù)耐队懊娣e （ ，D為氣缸直徑，單位為mm,</p><p>　　在進(jìn)行活塞機(jī)械應(yīng)力的有限元分析時(shí)

107、，取=10MPa， =0.18 MPa，D=200mm，代入相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)的=308504N</p><p>　　(2)活塞組件的往復(fù)慣性力</p><p>　　活塞組件包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)和活塞銷(xiāo)卡環(huán)，均一起沿氣缸軸線以加速度j變速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。記活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)和活塞銷(xiāo)卡環(huán)的質(zhì)量總和為 ，則活塞組的往復(fù)慣性力 等于活塞組件質(zhì)量 與加速度j的乘積，方向與加速度方向相反:</p

108、><p>　　柴油機(jī)活塞組件的總質(zhì)量為=45.89，代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得=-82220N。</p><p><b>　　(3)活塞的側(cè)推力</b></p><p>　　活塞裙部與氣缸直接接觸，由于連桿的擺動(dòng)，裙部受到側(cè)壓力為:</p><p>　　代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得=52505.8N</p><p>　

109、　(4)活塞銷(xiāo)座的支反力</p><p>　　作用在活塞銷(xiāo)座上的支反力合力可以近似為活塞頂部氣體的作用力與活塞組件慣性的合力，方向向上，分別作用在兩個(gè)銷(xiāo)座孔內(nèi)圓上。</p><p>　　Q=-=390724N</p><p>　　4.4.2 活塞載荷及約束的處理</p><p>　　(1)活塞頂部和環(huán)岸區(qū)的燃?xì)獗l(fā)壓力按均布處理。假定氣體壓力

110、76%加于第一道環(huán)底，25%的氣體殘壓加于第一環(huán)岸和第二道環(huán)槽上下面，20%的氣體殘壓加于第二道環(huán)槽，第二道環(huán)槽以下的燃?xì)鈮毫ψ饔眯Ч苄?，予以忽略?計(jì) [15]。</p><p>　　(2)活塞銷(xiāo)座的支反力在活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)孔內(nèi)圓的接觸面上，根據(jù)參考資料 [15]，力在環(huán)向上方120º 角范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布，沿軸向則近似按三角形分布，壓力分布曲線為:</p><p><b

111、>　　Q=4</b></p><p>　　式中L為活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)座孔接觸面長(zhǎng)度，L=0.045m，銷(xiāo)座圓孔半徑r=0.04 m，Q為作用在活塞銷(xiāo)座上的支反力合力，前面己計(jì)算得Q=390724N，代入上式計(jì)算得 =151.4MPa、則活塞銷(xiāo)座孔上表面120º角范圍內(nèi)任一點(diǎn)(x，0)上的分布載荷為:</p><p>　　q=151.4(45一x) (MPa)</

112、p><p>　　(3)活塞的側(cè)推力大部分作用在活塞裙部，并在活塞裙部按線性分布。現(xiàn)假定活塞推力全部作用在主推力一側(cè)活塞裙部60º角范圍內(nèi)并按下例公式曲線分布:</p><p>　　其中上面己計(jì)算得52505.8N，L為活塞裙部的長(zhǎng)度0.15 m，D為活塞裙部直徑0.2m。經(jīng)算得=41.44MPa。則活塞側(cè)推力在活塞裙部主推力一側(cè)60º角范圍內(nèi)任一點(diǎn)的分布載荷為</p&

113、gt;<p>　　q=41.44(0.11一x) (MPa)</p><p>　　對(duì)活塞銷(xiāo)座孔內(nèi)側(cè)一邊各點(diǎn)使=0， =0, =0，=0，=0,另一邊各點(diǎn)=0, =0，=0，=0 (活塞中心線向上為Y，銷(xiāo)孔軸線方向?yàn)閄，垂直X，Y所構(gòu)成平面的方向?yàn)閆)，計(jì)算結(jié)果表明，這樣的約束沒(méi)有引入附加載，是合理的。</p><p><b>　　4.5 有限元分析</b>