內(nèi)燃機(jī)缸套失圓研究.pdf

1、缸套失圓現(xiàn)象在內(nèi)燃機(jī)中普遍存在，它嚴(yán)重影響整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和可靠性。然而由于內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件之間無論靜態(tài)配合關(guān)系還是動(dòng)態(tài)的力學(xué)、熱流傳遞關(guān)系均具有復(fù)雜性、多樣性，缸套失圓問題分析難度大，以致研究人員很難在眾多的影響因素中給出定量分析結(jié)果，只能在設(shè)計(jì)中更多的依據(jù)經(jīng)驗(yàn)處理此問題，這也嚴(yán)重阻礙了人們對內(nèi)燃機(jī)缸套失圓形成機(jī)理的了解。長久以來，如何有效減輕內(nèi)燃機(jī)缸套失圓及其帶來的負(fù)面影響一直是困擾內(nèi)燃機(jī)工作者的重要課題。本研究以

2、某企業(yè)正在生產(chǎn)的某款采用干式缸套的四缸內(nèi)燃機(jī)為研究對象，分別計(jì)算了機(jī)械負(fù)荷和耦合冷卻流場的熱負(fù)荷作用下的缸體變形和缸套失圓;在試驗(yàn)驗(yàn)證缸套熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對綜合多因素下的缸套失圓問題進(jìn)行了研究，并對失圓缸套下的活塞環(huán)適應(yīng)性、活塞環(huán)與缸套之間油膜厚度的不均勻周向分布以及其對機(jī)油耗的影響給出定量計(jì)算和分析。
　　 首先，本文在闡述現(xiàn)有的螺栓預(yù)緊力計(jì)算和分配模型、曲軸連桿動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)測得的示功圖數(shù)據(jù)，以額定

3、工況和最大扭矩工況為計(jì)算工況，運(yùn)用缸體-等剛度缸蓋有限元模型，對螺栓預(yù)緊力、活塞側(cè)推力、氣缸壓力這些機(jī)械負(fù)荷共同作用下的內(nèi)燃機(jī)缸套失圓問題進(jìn)行了仿真計(jì)算。同時(shí)，在對冷態(tài)、熱態(tài)下的缸套變形和失圓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論的基礎(chǔ)上，對機(jī)械負(fù)荷中對缸套失圓產(chǎn)生主要影響的各影響因素進(jìn)行了綜合評價(jià)。
　　 其次，運(yùn)用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)熱負(fù)荷分析方法，在綜合論述缸內(nèi)傳熱計(jì)算模型、缸壁傳熱分配模型、活塞環(huán)-缸套摩擦計(jì)算分配模型及冷卻水腔傳熱邊界計(jì)算模型的基礎(chǔ)

4、上，結(jié)合4105柴油機(jī)的具體特征，合理運(yùn)用熱負(fù)荷邊界條件的計(jì)算模型，針對缸體-等剛度缸蓋模型，計(jì)算了額定工況和最大扭矩工況下的溫度場、熱變形、缸套失圓。在對熱負(fù)荷作用下的溫度場、缸套變形和失圓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論的基礎(chǔ)上，對運(yùn)用傳統(tǒng)熱負(fù)荷分析方法計(jì)算的缸套失圓進(jìn)行了評價(jià)，并對熱負(fù)荷對缸套失圓的影響進(jìn)行了定量討論。
　　 第三，運(yùn)用CFD方法，對內(nèi)燃機(jī)機(jī)體內(nèi)冷卻流場進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析并討論了冷卻流場的流速分布特征及其帶來的非均勻冷卻

5、效果。以整體冷卻流場的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，針對缸體與冷卻水的流固耦合模型，應(yīng)用共軛傳熱方法，計(jì)算并分析了缸體內(nèi)的冷卻水流速場以及在其影響下缸體與冷卻水耦合模型的溫度場、熱變形及缸套失圓問題，計(jì)算表明，由于冷卻流場流速分布的影響，缸體的溫度分布、熱變形存在著顯著的周向、軸向的變化，流固耦合共軛傳熱方法是研究熱負(fù)荷影響下缸套變形失圓問題的較為精確有效的方法，為內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的方法。
　　 第四，通過對復(fù)雜干缸套機(jī)體的加工和傳

6、感器的固定安裝，選用熱電偶作為測溫傳感器，配合多功能巡檢測溫裝置，實(shí)現(xiàn)了對四缸柴油機(jī)的多缸多點(diǎn)多工況的動(dòng)態(tài)溫度測量，通過對各缸套之間及缸套自身周向和軸向溫度的對比分析，研究探討了多缸柴油機(jī)額定工況下缸套溫度分布的規(guī)律和特點(diǎn)。同時(shí)，對其它工況條件恒定下的變轉(zhuǎn)速和變負(fù)荷的缸套溫度變化規(guī)律和分布特點(diǎn)進(jìn)行了探討，并通過與前面兩章不同仿真方法計(jì)算結(jié)果的比較，評價(jià)了這兩種仿真方法的有效性和準(zhǔn)確性。
　　 第五，綜合考慮真實(shí)工況下的各種影響因

7、素，探討了多因素影響下缸套熱變形和失圓的計(jì)算方法。對螺栓預(yù)緊力、活塞側(cè)推力、氣缸氣體壓力、熱負(fù)荷及冷卻流場共同作用下的缸套變形失圓進(jìn)行了計(jì)算，并對真實(shí)工況下的缸套失圓問題進(jìn)行了討論和評價(jià)。
　　 第六，通過傅里葉展開分析方法近似模擬變形后的缸套徑向變形，結(jié)合自由狀態(tài)及安裝狀態(tài)下的活塞環(huán)變形曲率，建立了活塞環(huán)適應(yīng)性分析的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，對活塞環(huán)與各變形缸套內(nèi)壁面的接觸壓力進(jìn)行了定量計(jì)算和分析，結(jié)合接觸壓力的分布圖，對活塞環(huán)與四個(gè)缸體

8、缸套的第一道密封面進(jìn)行了評價(jià)。
　　 第七，針對缸套失圓對潤滑油膜厚度周向分布的影響問題，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，建立了變形缸套下活塞環(huán)變形及潤滑油膜周向分布的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了在彈性張緊力、氣體壓力、油膜支反力等共同作用下的活塞環(huán)變形，并通過失圓缸套與變形活塞環(huán)之間的位置關(guān)系，求得失圓缸套下的不同截面潤滑油膜的周向分布。
　　 第八，運(yùn)用上章活塞環(huán)與失圓缸套之間的油膜周向分布數(shù)據(jù)，對失圓缸套下，通過刮油、慣性甩油、通過開口間隙