活塞設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　柴油機發(fā)展至今己有一百多年的歷史，經(jīng)過不斷改進和提高，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、運輸業(yè)和國防建設(shè)事業(yè)中，對推動人類文明的發(fā)展起到了極其重要的作用。

2、自二十世紀(jì)四十年代起，船舶動力裝置上就廣泛使用了柴油機。當(dāng)前，在船舶動力中，柴油機仍占有主要地位。所有內(nèi)河及沿海中小型船舶都采用柴油機作為推進動力。在新建的遠洋船舶中，有超過90％的船舶使用柴油機作為動力。其中三萬噸以下的船舶，絕大多數(shù)用柴油機作為主機，就是大型船舶，由于近年來大型低速二沖程多機組動力裝置的使用以及四沖程中速大功率的柴油機的發(fā)展、兩級增壓在大型低速二沖程柴油機及大功率中速柴油機上的應(yīng)用成功，使柴油機在大型船舶、大型油輪、

3、高速集裝箱上及大型艦艇上開始應(yīng)用，似有和汽輪機、燃氣輪機以及核動力裝置競爭的可能 [1]。</p><p>　　1.2 船用柴油機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　1.2.1 國外柴油機的發(fā)展概況</p><p>　　近年來，船用柴油機朝著提高功率、降低油耗、提高可靠性、降低磨損、延長壽命、減少噪音及振動、降低重量和尺寸、易于維修保養(yǎng)、實行自動監(jiān)控等方面發(fā)展。自

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

5、e已達2.6 MPa,二沖程柴油機的Pe可達1.575 MPa。</p><p><b>　　在提高經(jīng)濟性方面</b></p><p>　　自石油危機以后，燃油價格暴漲，燃料費用大增。燃油費用占總營運費用的百分比已從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外各柴油機制造公司競爭的主要手段。各公司為此進行了大量試驗研究工作，

6、并獲得了很大進展。稱霸世界低速柴油機市場的MANB＆W和SULZER公司，從1977年至1982年間，使低速二沖程柴油機的油耗率下降了27g/KW·h，最低油耗率達到160 g/KW·h的水平。船用中速柴油機的油耗率也已經(jīng)大幅度降低。法國的PC2-6EF和PC4-2EF機型的油耗率已達170 g/KW·h。他們的有效熱效率ηe=0.5～0.53，達到了相當(dāng)高的水平。幾種典型柴油機燃油消耗率的變化趨勢如圖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 圖1-2四沖程中速機燃油耗率逐年下降的趨勢</p><p>　　此外，近年來，劣質(zhì)燃料—重油（又稱渣油）已被船舶輔機或輔機作為主要燃料加以采用。低速二沖程柴油機燃用重油的粘度已達3500～6000秒（雷氏一號（100℉）。四沖程中速柴油機可燃雷氏一號粘度為1500～3500秒的重油。高速柴油機可燃用雷氏一號

8、粘度為200～250秒的重油.造船廠希望主機和輔機采用同一種燃油。</p><p>　　提高可靠性，延長壽命，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15 MPa。零部件機械負荷及熱負荷增加，為了提高可靠性和使用壽命，降低熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，在加強高溫表面的冷卻，改進材料、改進結(jié)構(gòu)提高剛度等方面進行了大量工作，并取得了進展。</p>&l

9、t;p>　　大力發(fā)展電子監(jiān)控系統(tǒng)。對柴油機性能參數(shù)和工況變化的趨向進行瞬時分析，以便選擇最佳運轉(zhuǎn)參數(shù)并及時發(fā)現(xiàn)和排除故障或不可靠因素，了解零部件運行情況，通過測量和故障預(yù)兆的分析，確定更換零部件的期限。</p><p>　　此外，目前國內(nèi)外普遍采用電子計算機進行輔助設(shè)計和結(jié)構(gòu)強度試驗研究工作。無疑這對柴油機結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化以及按壽命要求進行最經(jīng)濟的設(shè)計都是有效的手段。</p><p>

10、　　現(xiàn)代柴油機的大修期（壽命）大大提高，高速大功率柴油機為5000～6000h（小時），中速大功率柴油機一般為30000h，個別的機型如TM410中速機可以和低速機相比，壽命為72000～100000h，相當(dāng)于10～20年。</p><p>　　在過去的二十多年中，各類柴油機都獲得了很大的發(fā)展，單功率獲得了成倍的增長。在這方面，廢氣渦輪增壓起了決定性的作用。目前還在為進一步提高平均有效壓力而進行大量的研究工作。&

11、lt;/p><p>　　1.3 課題的背景和意義</p><p>　　柴油機是一種將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為機械功的動力機械。這種能量轉(zhuǎn)換是燃油在氣缸中與空氣充分混合進行燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的工作氣體，推動活塞、連桿、曲軸，從而使燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機械功向外輸出的 [2]。內(nèi)燃機在經(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)計水平一直在不斷提高，其燃油經(jīng)濟性、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)燃機的設(shè)計過程中，加之全球環(huán)境保護的需求和石油資源的危機，促使當(dāng)今的內(nèi)燃機向著高轉(zhuǎn)速、高功率和低油耗、低排放等方向發(fā)展。然而內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速和功率的提高，必然會帶來缸內(nèi)燃氣的爆發(fā)壓力和溫

13、度的提高。燃氣爆發(fā)壓力的增加，一方面使得活塞、缸體和缸蓋承受的機械負荷增大，導(dǎo)致活塞、缸體和缸蓋因強度不足而產(chǎn)生破壞。另一方面壓力升高率過大，還會產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象和增加內(nèi)燃機的燃燒噪聲。燃氣溫度的升高，導(dǎo)致組成內(nèi)燃機燃燒室的受熱零件熱負荷的增加，產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力和熱變形;溫度過高還會導(dǎo)致受熱零件材料的強度和硬度急劇下降，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荷。活塞的工作環(huán)境十分嚴(yán)酷，一方面，要承受高壓燃氣爆發(fā)壓力、高速往復(fù)運動產(chǎn)生的慣性力、側(cè)向壓力和摩擦力等周期性的機械負荷作用，造成活塞不均勻的機械應(yīng)力和變形，嚴(yán)重時還會使活塞銷座從內(nèi)側(cè)開始縱向開裂，第一環(huán)岸斷裂等;另一方面，活塞頂面承受瞬變高溫燃氣的作用，使活塞頂部乃至整個活塞的溫度都很高，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)重時還會導(dǎo)致活塞頂面開裂，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)計階段對活塞進行應(yīng)力場、溫度場和傳熱分析，了解活塞的熱負荷狀態(tài)和綜合應(yīng)力分布情況，降低熱負荷，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。進而對活塞進行改進，它可為研究活塞熱應(yīng)力和熱變形的活塞優(yōu)化設(shè)計提供依據(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進行活塞的建模，UG 是由美國著名航空公司麥道開發(fā)的CAD/CAM/CAE/PDM應(yīng)用系統(tǒng), 它覆蓋產(chǎn)品的整個開發(fā)過程, 包括概念設(shè)計、詳細設(shè)計、工程分析、模擬仿真以及制造等。作為一個優(yōu)秀的世界領(lǐng)先的高端CAX/PDM軟件, UG 有許多先進的技術(shù)。它具有智能化的操作樹; 實現(xiàn)曲面和實體之間的互操

17、作技術(shù); 各模塊之間的全相關(guān)技術(shù)等等; 還有一項在產(chǎn)品研制開發(fā)過程中十分重要、應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)—參數(shù)化設(shè)計技術(shù)。UG中的參數(shù)化設(shè)計具有簡單性、實用性、功能強大等特點, 還可以根據(jù)設(shè)計要求, 進行后參數(shù)化設(shè)計等。</p><p>　　參數(shù)化設(shè)計代表了當(dāng)今計算機輔助設(shè)計行業(yè)內(nèi)的最新設(shè)計趨勢，以成為三維CAD的主流技術(shù)。參數(shù)化設(shè)計過程是指從功能分析到創(chuàng)建參數(shù)化模型的整個過程。參數(shù)化建模時參數(shù)化模型設(shè)計的主要過程。建模

18、時的關(guān)鍵問題就是如何創(chuàng)建一個滿足設(shè)計要求的參數(shù)化模型，所以在進行參數(shù)化建模時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.利用表達式編輯器，按照自由參數(shù)對部分表達式進行分析；5.確定特征創(chuàng)建順序，并進行模型的創(chuàng)建；6.更改各個自由參數(shù)的值，驗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.利用基本特征進行參數(shù)化設(shè)計，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。在進行參數(shù)化建模之前，首先要對模型進行形體分析，如果模型不能分解為基本的幾何元素或模型是通過布爾運算的方式組合成的，這樣的模型就無法通過基本的特征進行參數(shù)化建模，在利用基本特征進行參數(shù)化建模時，只有長方體、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.利用草圖進行參數(shù)化設(shè)計，草圖是與實體模型相關(guān)聯(lián)的二維圖形，它的方便之處在于草圖平面可以進行尺寸驅(qū)動，通過對草圖對象上所添加約束方式或者約束值的修改可以改變設(shè)計參數(shù)，進而改變對象特征。通過對草圖上創(chuàng)建的截面曲線進行拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃描等操作生成參數(shù)化實體模型，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)來實現(xiàn)整個模型的尺寸驅(qū)動。在利用草圖進行截面曲線的創(chuàng)建時，一般是按照以下步驟進行：1.根據(jù)零部件的設(shè)計圖紙，在U

21、G系統(tǒng)中確定工作平面以進行草圖繪制；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)值計算方法，它是用計算機把復(fù)雜的零件形體自動分割成有限個形狀簡單的單元，然后逐個分析、計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，解決問題效率高，能為工程師在設(shè)計階段掌握產(chǎn)品性能、優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，縮短設(shè)計試驗周期，使設(shè)計制造的產(chǎn)品具有較強的競爭力等優(yōu)點，因而受到工程技術(shù)界的高度重視。伴隨著計算機科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)己成為計算機輔助工程和數(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(有限個直線單元)逼近圓來求得圓的周長近而求得圓周率，但作為一種方法而被

23、提出，則是上個世紀(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)問題時，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有限元法的離散理論、方法以及應(yīng)用進行了研究。但有限元法的實際應(yīng)用是隨著電子</p><p>　　有限元分析法的基本原理是用較簡單

24、的問題代替復(fù)雜問題后再求解。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單元，這些單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，單元看作是不可變形的剛體，單元之間的力通過節(jié)點傳遞，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，利用計算機進行物體變形、應(yīng)力和溫度場試驗研究度場等物理特性的計算，最后對計算結(jié)果進行分析，并以圖像和數(shù)據(jù)的形式直觀地顯示出來。從數(shù)學(xué)角度考慮，它是從變分原理出發(fā)通過分區(qū)描值把二次泛函能量積分的極值問

25、題化為一組多元線性方程來解，人們知道直接從一個微分方程推導(dǎo)出它的泛函常常是很復(fù)雜的，有時甚至是不可能的，所以在求泛函時常借助于所研究問題的物理特性，諸如金屬切削機床這類機械產(chǎn)品的剛性問題屬于小變形彈性問題，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 有限元法分析問題的一般模式</p><p>　　對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，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。有限元法求解問題的基本步驟通常 為 [4，10]</p><p>　　第一步:問題及求解域的確定</p><p>　　根據(jù)實際問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)則離散域的近似程度越好，計算結(jié)果也越精確，但計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>　　一個具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(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)化為等價的泛函形式。</p>&

28、lt;p><b>　　第四步:單元推導(dǎo)</b></p><p>　　對單元構(gòu)造一個適合的近似解，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。為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。對工程應(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，畸形時不僅精度低，而且有缺秩的危

29、險，將導(dǎo)致無法求解。</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)點進行，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、選代法和隨機法。求解結(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算。</p><p>　　簡言之，有限元分析方法可分成三個階段，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、負荷條件和時間變化情形等;求解是通過ANSYS10.0軟

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

32、主特征，通過主特征基準(zhǔn)點等進行定位，并與主特征保持固定的位置關(guān)系。本文中的設(shè)計過程以利用草圖進行參數(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進行進一步的分析了。</p><p>　　第三章 活塞基本設(shè)計和活塞建模</p><p><b>　　3.1 概述</b></p>

33、<p>　　活塞組由活塞、活塞銷、活塞環(huán)等零件組成，其主要作用是：組成燃燒室，承受燃氣作用力，并把它傳給連桿，密封氣缸，防止燃氣泄露及滑油竄入燃燒室，</p><p>　　將活塞頂部接受的熱量傳給氣缸壁，進而傳給冷卻介質(zhì)；將連桿的側(cè)壓力傳給氣缸壁?；钊M的工作條件：</p><p><b>　?。?）機械負荷</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，強化柴油機的最高爆發(fā)壓力Pz已達140 kgf/cm 2，使活塞產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力和變形。</p><p><b>　?。?）熱負荷</b></p><p>　　活塞頂直接受到高溫燃氣周期性的加熱，瞬時最高燃氣溫度達1800～2600℃，鋁活塞頂面溫度高達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)力和熱變形過大，溫度超過300～350℃時，鋁活塞材料的強度急劇下降，第一道環(huán)槽溫度超過180～220℃時，易引起潤滑油變質(zhì)結(jié)膠，致使活塞環(huán)卡死，活塞熱負荷隨氣缸直徑的加大及平均有效壓力的提高而增壓。熱負荷過高的活塞，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，潤滑不良</p><p>　　高速機的活塞平均速度Cm已高達13 m/s,瞬時最高速度為平均速度的1.5～1.6倍?；钊俣鹊脑龈咧率够钊M的摩擦損失增大，一般，活塞組的摩擦系數(shù)損失約占發(fā)動機全部摩擦損失的50％以上。摩擦劇烈，潤滑條件又差，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)計要求</p><p>　　(1)在保證強度和剛度、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允許極限，目前鋁活塞莫些

38、部位的溫度不超過下列數(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 220℃</p><p>　　活塞銷座 180℃</p><p>　　(4)保證導(dǎo)向部分潤滑可靠同時又需防止?jié)櫥蜕细Z，盡量降低潤滑油消耗量。</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</p><p>　　3.3.1本文所需設(shè)計的柴油機性能參數(shù)<

41、;/p><p>　　6L20/27柴油機是四沖程、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</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 順時針（從飛輪端向發(fā)動機看）</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)動機或統(tǒng)計數(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>　?。?）壓縮高度</b></p><p>　　壓縮高度H1決定活塞銷的位置，在保證氣環(huán)良好工作的條件下，宜縮短，以力求降低整機的高度尺寸。</p><p>　　由文獻［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>　?。?）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采用四道環(huán)，同時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)，接下來是油環(huán)。</p><p><b>　?。?）活塞環(huán)設(shè)計</b></p><p><b>　　1º活塞環(huán)的高度h</b></p><p>　　文獻［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和強載度高的柴油機，強載度較低或用球磨鑄鐵活塞環(huán)的柴油機可以選用下限值。</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［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、剛度及散熱要求來決定的，小型高速柴油機的鋁活塞，如滿足頂部有足夠的傳熱截面，則頂部的機械強度一般也是足夠的。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）只要厚到能承受燃氣壓力即。δ的一般范圍列于表3-2</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)裙部長度</b></p><p>　　/D的一般取值范圍為：</p><p>　　高速柴油機 0.65～0.88(參閱文獻) </p><p>　　中速柴油

62、機 1.0～1.1</p><p>　　上、下裙應(yīng)有恰當(dāng)?shù)谋壤?，上裙長度過小，易產(chǎn)生尖峰負荷，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)</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［11］的圖7-20）。薄壁裙部對減輕活塞重量有利，但又需要保證裙部有足夠的剛性，可以根據(jù)需要設(shè)置加強筋。</p><p>　　(11)活塞銷直徑d和銷座

64、間隔B</p><p>　　由文獻［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</p><p>　　活塞頂形狀主要根據(jù)燃燒系統(tǒng)的要求進行設(shè)計，本活塞設(shè)計選擇ω型燃燒室。鋁活塞的頭部設(shè)計成導(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）活塞銷設(shè)計</b></p><p>　　活塞銷受燃氣壓力和活塞組往復(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)與銷座和連桿小頭軸承邊緣處承受剪切力

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

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

68、0.88)D=0.85*200=170 mm</p><p>　　活塞銷內(nèi)孔 =(0.4～0.6)d=32～48=35 mm</p><p>　　（14）活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計</p><p>　　活塞裙部及其側(cè)表面形狀的設(shè)計的關(guān)鍵，在于保證裙部有足夠的貼合面積和良好的潤滑條件，以及保證發(fā)動機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，近代柴油機力求結(jié)構(gòu)緊湊，總是盡量縮短連桿長度，但此時需要避免活塞裙部與曲軸平衡塊或機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)向長度。</p><p>　　裙部實際情況下為橢圓，本設(shè)計中將其簡化為圓形。

70、

71、 </p><p>　　3.4 活塞組的

72、建模</p><p>　　激活軟件：執(zhí)行【開始】＞【所有程序】＞【NX4.0】命令即可進入UGNX4.0主界面。在主界面中建立一個新文件夾，系統(tǒng)進入集成環(huán)境入口模塊。為了方便建模，我們通過自行設(shè)定顯示哪些工具條以及每個工具條中的哪些圖標(biāo)：單擊【工具】＞【自定義】，彈出自定義對話框在其中勾選與自己建模相適應(yīng)的各個模塊。</p><p>　　圖 3-7 選擇建模模塊的操作界面</p>

73、;<p>　　進一步設(shè)置每個菜單選項下的子菜單，進入如上圖界面后，單擊所需設(shè)置的菜單選項，如【插入】＞【直接建?！?，右擊該選項彈出對話框，選擇【添加或移除】按鈕，再在彈出的對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】＞【實用工具】＞【用戶默認設(shè)置】按鈕，在彈出的【用戶默認設(shè)置】對話框中設(shè)置系

74、統(tǒng)的工作方式、主窗口大小、尺寸、可見性、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、實體平面上創(chuàng)建草圖。選擇一個坐標(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、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象的大小。選擇【工具】＞【創(chuàng)建約束】＞【尺寸】命令，利用該對話框中提供的選項可以為草圖添加尺寸約束，修改其尺寸參數(shù)

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

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

78、候，上面的方法就顯得捉襟見肘了，當(dāng)你畫完大致的圖形時，便會發(fā)現(xiàn)很難在達到全約束，此時，就需要你在繪圖初期時便要在每一步的時候一一達到全約束，這樣的話，就不用等到最后的時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>　　接著通過旋轉(zhuǎn)和拉伸并開銷孔，參照設(shè)計圖紙的各個細節(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程中建立零件之間的配對關(guān)系。通過配對條件在零件之間建立約束關(guān)系進而確定部件的位置。系統(tǒng)可以根據(jù)裝配信息自動生成零件的明細表，明細表的內(nèi)容隨著裝配信息的變化而自動更新。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行裝配；2.自頂向下，在裝配上下文件的過程中建立新的零件；3.混合裝配，將上兩種方法綜合起來的裝配方法。本文中選用第一種裝配方法。自底向上裝配實際上就是真實裝配的再現(xiàn)，首先設(shè)計好裝配中的零部件，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，即絕對坐標(biāo)定位方式和配對定位方式。本為采用配對定位

82、方式。</p><p>　　配對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)系實現(xiàn)了裝配的參數(shù)關(guān)系，當(dāng)一個部件得位置變化時，其關(guān)聯(lián)部件位置也將發(fā)生變化，進而保持相對位置不變。裝配結(jié)果如下：</p><p>　　圖 3-16 活塞組的裝配圖</p><p>　　利用UG計算重量，在打過已經(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柴油機性能特點，嚴(yán)格按照《柴油機設(shè)計手冊》，進行該柴油機活塞組的設(shè)計，選定了活

84、塞的結(jié)構(gòu)型式、氣環(huán)、油環(huán)和活塞銷的尺寸，在設(shè)計出活塞組尺寸的基礎(chǔ)上，運用UGNX 4.0 建立活塞組的模型。在建立好活塞組的各個部件之后，再進行活塞組的裝配，這一部分是下章活塞有限元分析及強度校核的基礎(chǔ)</p><p>　　第四章 柴油機活塞強度計算</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，材料抗拉強度 =268.2 MPa。，抗壓強度 =260.7 MPa。</p><p>　　4.2 柴油機熱參數(shù)的計算</p><p>　　本計算工況取600kW，1000r/min，Pk=0.18MPa<

86、/p><p>　　流通能力系數(shù)ηvφs取1.15</p><p>　　平均機械損失壓力Pm</p><p>　　機械效率ηm（參閱文獻，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 換氣過程計算</p>

87、<p>　?。?） 充量系數(shù)ηv</p><p>　?。?） 殘余廢氣系數(shù)：r=0.01</p><p>　?。▍㈤單墨IP.3-15，r=0～ 0.01；或參閱文獻，四沖程增壓r=0～0.03）</p><p>　?。?） 進氣終了溫度Ta</p><p>　　式中：有中冷增壓柴油機，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>　?。?） 進氣終點壓力Pa（按文獻）</p><p>　?。ㄋ臎_程增壓Pa=（0.90～1.0）

89、Pk）</p><p>　?。?） 排氣壓力 Pr</p><p>　　四沖程增壓: </p><p>　?。?） 柴油機所需的總空氣流量Gk</p><p>　　4.2.2 壓縮過程計算</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、邊計算。</p><p>　　第二次試算，n1=1.353，計算得 n1-1=0.35319</p><p>　　第三次試算，n1=1.3532，計算得 n1-1=0.3532</p><p>　　最后得 n1=1.3532 （參閱文獻，n1=1.35～1.37）</p><p>　?。?） 壓縮終

92、點壓力Pc與溫度Tc</p><p>　　4.2.3 燃燒過程計算</p><p>　?。?） 壓力升高比λ</p><p>　?。?） 燃燒過量空氣系數(shù)α（按文獻P.3-29表格28項公式計算）</p><p>　　式中 ge的單位為 </p><p>　?。?） 燃料熱化學(xué)計算</p><p&g

93、t;　?、儆嬎憷碚摽諝饬縇0</p><p><b>　?、谛迈r空氣量M1</b></p><p>　　③完全燃燒時燃燒產(chǎn)物的摩爾數(shù)M2</p><p>　?、芾碚摲肿幼兏禂?shù)β0</p><p>　?、輰嶋H分子變更系數(shù)β</p><p>　?。?）平均定容摩爾比熱(μCvc）m，（μCvz）m計

94、算</p><p>　　壓縮終點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Z的平均定容摩爾比熱為</p><p>　?。?）定容燃燒終點溫度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 膨脹過程計算</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 計算得 Tb=1120.4K n2-1=0.2427</p><p>　　試取 n2=1.2427 計算得 Tb=1113.7.1K n2

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

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

99、確定</p><p>　　活塞溫度場的有限元計算屬于三維的不穩(wěn)定場計算，這種三不穩(wěn)場計算是比較復(fù)雜的。柴油機在穩(wěn)定工況下運行時，在一個工作循環(huán)內(nèi)用于活塞頂面的燃氣溫度變化很大，但是這種變化的時間很短，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，即可以認為活塞的溫度場不隨時間變化是一個穩(wěn)定的溫度場。在計算活塞溫度場時，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)和燃氣的平均溫度</p><p>　　在一個工作循環(huán)中，燃氣溫度及燃氣對活塞頂部的放熱系數(shù)是瞬時變化的，瞬時放熱系數(shù)采用艾歇伯格(Eickelberg)公式來計算[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>　　— 氣體瞬時壓力，單位為MPa，</p><p>　　— 氣體瞬時溫度，單位為K。</p><p>　　燃氣對活塞頂部平均放熱系數(shù)，和燃氣平均溫度按如下公式計算 </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)面通過氣缸套傳給冷卻水的熱邊界條件按下列公式計算，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)力場三維有限元分析</p><p>　　柴油機增壓后，缸內(nèi)燃氣的平均溫度和爆發(fā)壓力提高，熱負荷和機械負荷增大。熱負荷高，熱應(yīng)力加大可引起燃燒室壁、氣門座面和活塞表面產(chǎn)生裂紋;發(fā)生活塞環(huán)結(jié)碳、間隙變化、潤滑油高溫結(jié)焦以及油耗增高等故障。機械負荷增加，不僅使活塞與缸套磨損加劇，而且易引起損壞 [13，14] ，因此對增壓柴油機活塞進行設(shè)計時，需

104、要對活塞強度進行校核。</p><p>　　4.4.1活塞邊界條件的處理</p><p>　　作用在活塞上的機械負荷有燃氣爆發(fā)壓力、活塞組的往復(fù)慣性力、銷座孔內(nèi)表面的支反力以及裙部的側(cè)壓力?？紤]到活塞在整個工作過程中，當(dāng)燃氣爆發(fā)壓力達到最大的時候，活塞在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速條件下受力和變形是最嚴(yán)重的時刻，活塞的強度在此刻顯得尤其突出，因此本論文選擇6L20/27型增壓柴油機缸內(nèi)燃氣最大爆發(fā)壓力作為活塞

105、機械應(yīng)力與變形的分析工況。6L20/27型增壓柴油機標(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)氣體的絕對壓強，單位為兆帕MPa;</p><p>　　—為曲軸箱內(nèi)氣體的絕對壓強，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>　　在進行活塞機械應(yīng)力的有限元分析時

107、，取=10MPa， =0.18 MPa，D=200mm，代入相關(guān)計算數(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)、活塞銷和活塞銷卡環(huán)，均一起沿氣缸軸線以加速度j變速往復(fù)直線運動。記活塞、活塞環(huán)、活塞銷和活塞銷卡環(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>　　柴油機活塞組件的總質(zhì)量為=45.89，代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得=-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，裙部受到側(cè)壓力為:</p><p>　　代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得=52505.8N</p><p>　

109、　(4)活塞銷座的支反力</p><p>　　作用在活塞銷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，分別作用在兩個銷座孔內(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)的燃氣爆發(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)槽以下的燃氣壓力作用效果很小，予以忽略不 計 [15]。</p><p>　　(2)活塞銷座的支反力在活塞銷與銷孔內(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為活塞銷與銷座孔接觸面長度，L=0.045m，銷座圓孔半徑r=0.04 m，Q為作用在活塞銷座上的支反力合力，前面己計算得Q=390724N，代入上式計算得 =151.4MPa、則活塞銷座孔上表面120º角范圍內(nèi)任一點(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?，F(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>　　其中上面己計算得52505.8N，L為活塞裙部的長度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)任一點的分布載荷為</p&

113、gt;<p>　　q=41.44(0.11一x) (MPa)</p><p>　　對活塞銷座孔內(nèi)側(cè)一邊各點使=0， =0, =0，=0，=0,另一邊各點=0, =0，=0，=0 (活塞中心線向上為Y，銷孔軸線方向為X，垂直X，Y所構(gòu)成平面的方向為Z)，計算結(jié)果表明，這樣的約束沒有引入附加載，是合理的。</p><p><b>　　4.5 有限元分析</b>