內(nèi)燃機缸套失圓研究.pdf

1、缸套失圓現(xiàn)象在內(nèi)燃機中普遍存在，它嚴重影響整機的動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保性和可靠性。然而由于內(nèi)燃機結(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)計中更多的依據(jù)經(jīng)驗處理此問題，這也嚴重阻礙了人們對內(nèi)燃機缸套失圓形成機理的了解。長久以來，如何有效減輕內(nèi)燃機缸套失圓及其帶來的負面影響一直是困擾內(nèi)燃機工作者的重要課題。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)燃機為研究對象，分別計算了機械負荷和耦合冷卻流場的熱負荷作用下的缸體變形和缸套失圓;在試驗驗證缸套熱負荷計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對綜合多因素下的缸套失圓問題進行了研究，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油耗的影響給出定量計算和分析。
　　 首先，本文在闡述現(xiàn)有的螺栓預(yù)緊力計算和分配模型、曲軸連桿動力學(xué)計算模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗測得的示功圖數(shù)據(jù)，以額定

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

4、上，結(jié)合4105柴油機的具體特征，合理運用熱負荷邊界條件的計算模型，針對缸體-等剛度缸蓋模型，計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。在對熱負荷作用下的溫度場、缸套變形和失圓數(shù)據(jù)進行分析討論的基礎(chǔ)上，對運用傳統(tǒng)熱負荷分析方法計算的缸套失圓進行了評價，并對熱負荷對缸套失圓的影響進行了定量討論。
　　 第三，運用CFD方法，對內(nèi)燃機機體內(nèi)冷卻流場進行了仿真計算，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)燃機的優(yōu)化設(shè)計提供了有效的方法。
　　 第四，通過對復(fù)雜干缸套機體的加工和傳

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，實現(xiàn)了對四缸柴油機的多缸多點多工況的動態(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額定工況下缸套溫度分布的規(guī)律和特點。同時，對其它工況條件恒定下的變轉(zhuǎn)速和變負荷的缸套溫度變化規(guī)律和分布特點進行了探討，并通過與前面兩章不同仿真方法計算結(jié)果的比較，評價了這兩種仿真方法的有效性和準確性。
　　 第五，綜合考慮真實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算方法。對螺栓預(yù)緊力、活塞側(cè)推力、氣缸氣體壓力、熱負荷及冷卻流場共同作用下的缸套變形失圓進行了計算，并對真實工況下的缸套失圓問題進行了討論和評價。
　　 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)計算模型，對活塞環(huán)與各變形缸套內(nèi)壁面的接觸壓力進行了定量計算和分析，結(jié)合接觸壓力的分布圖，對活塞環(huán)與四個缸體

8、缸套的第一道密封面進行了評價。
　　 第七，針對缸套失圓對潤滑油膜厚度周向分布的影響問題，運用數(shù)值計算方法，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