提出一種采用空氣和隔熱襯墊復(fù)合隔熱的鋼頂鋁裙活塞,其中活塞頂、隔熱襯墊和鋁裙通過4個(gè)對(duì)稱螺栓連接.為了解該活塞結(jié)構(gòu)特性,開展組合活塞熱邊界分析,并進(jìn)行活塞溫度場(chǎng)仿真與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比,揭示空氣隔熱腔及隔熱襯墊對(duì)整體活塞溫度場(chǎng)的影響.結(jié)果表明:經(jīng)活塞環(huán)槽區(qū)輸出的熱流減小約為20%,后續(xù)進(jìn)行組合活塞機(jī)械應(yīng)力及接觸面壓對(duì)比分析,驗(yàn)證了仿真模型的有效性.在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展活塞熱機(jī)應(yīng)力分析,針對(duì)隔熱襯墊與活塞頂接觸面應(yīng)力狀態(tài)較差的部位,通過組合活塞結(jié)構(gòu)匹配優(yōu)化降低了結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值、改善了應(yīng)力分布,其中應(yīng)力幅值降低約為50%,據(jù)此最終完成復(fù)合隔熱組合活塞設(shè)計(jì). 

【文章來源】：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào). 2020,38(05)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

傳熱有限元模型

偷既嚷式鶚艫嫻母春細(xì)羧茸楹?活塞，該組合活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注活塞頂與隔熱襯墊接觸面不會(huì)由于熱變形導(dǎo)致燃?xì)庑孤哆M(jìn)入活塞氣隙隔熱腔．針對(duì)上述問題，首先在揭示空氣隔熱腔及隔熱襯墊對(duì)組合活塞溫度場(chǎng)影響的基礎(chǔ)上，通過活塞熱流傳遞并獲得活塞溫度場(chǎng)，其次進(jìn)一步開展活塞熱應(yīng)力分析得到活塞應(yīng)力狀態(tài)，通過分析表明隔熱襯墊與活塞頂接觸面應(yīng)力狀態(tài)較差，針對(duì)上述問題進(jìn)行關(guān)鍵組合結(jié)構(gòu)匹配分析，以降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值、改善應(yīng)力分布，形成合理的組合活塞結(jié)構(gòu)方案，最終完成組合隔熱活塞設(shè)計(jì)．1復(fù)合隔熱組合活塞方案圖1為復(fù)合隔熱組合活塞示意，活塞直徑為150mm，壓縮高度為93.8mm，銷孔直徑為56mm，氣隙腔直徑為40mm．該組合活塞包括活塞頂、隔熱襯墊、定位環(huán)、活塞體、活塞襯套、螺栓、鑲?cè)Α|片和螺母．其中，螺栓頭部嵌入活塞頂并與活塞頂采用過盈配合連接，鑲?cè)εc活塞體過盈配合連接，定位環(huán)嵌入活塞體并與活塞體過盈配合連接，活塞襯套與活塞體均為過盈配合連接，而定位環(huán)與活塞頂徑向、隔熱襯墊與定位環(huán)徑向設(shè)置一定間隙，如圖1中的放大圖1復(fù)合隔熱組合活塞方案Fig.1Structureofthecompositeinsulatedpiston部分．隔熱襯墊與活塞頂接觸側(cè)噴涂有陶瓷隔熱涂層，墊片與螺母為球形接觸，緩解由于熱變形對(duì)于螺栓應(yīng)力的影響．組合活塞主要零件所用材料為：活塞頂、螺栓和隔熱襯墊材料為耐熱鋼；定位盤、螺母和墊片材料為合金鋼；活塞體材料為鍛鋁；銅襯套材料為硅黃銅；鑲?cè)Σ牧蠟榕鹚徜X纖維．上述材料均考慮了材料物理特性和機(jī)械特性隨溫度變化的非線性影響．2復(fù)合隔熱組合活塞溫度場(chǎng)分析2.1熱邊界分析新型復(fù)合隔熱組合活塞不同區(qū)域的換熱邊界直接影響活塞溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，限于篇幅，僅簡(jiǎn)述組合活塞不同?

·474·內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第38卷第5期空間內(nèi)，通過壁面與空氣間的對(duì)流換熱、不同壁面之間和間接的通過空氣介質(zhì)進(jìn)行的輻射換熱，熱量由封閉有限空氣間隙結(jié)構(gòu)的高溫壁傳到它的低溫壁而進(jìn)行的復(fù)雜物理過程．因此，這種問題不是單純的某種傳熱過程，而應(yīng)該是包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射相互作用下的復(fù)合熱過程．通過Fluent軟件計(jì)算氣隙腔氣隙表面與結(jié)構(gòu)體界面的換熱系數(shù)．圖2所示將空氣隙壁面分為3個(gè)區(qū)且各個(gè)區(qū)的壁面初始溫度分布是：上頂面為604℃，側(cè)面為458℃，下底面為215℃．初始時(shí)刻計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流體為空氣，初始溫度為15℃．湍流模型釆用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)法求解、k-ε模型，輻射模型采用DO模型．通過計(jì)算得到氣隙腔的上表面、下表面和側(cè)壁面在標(biāo)定轉(zhuǎn)速(2500r/min)下通過多次迭代計(jì)算后得到的對(duì)流換熱系數(shù)分別為41.28、-30.63和16.34W/(m2·K)，其中頂面和側(cè)面對(duì)流換熱系數(shù)為正，且頂面換熱效果明顯優(yōu)于側(cè)面，主要以對(duì)流換熱為主，而底面的對(duì)流換熱系數(shù)為負(fù)，主要以吸熱為主．隔熱襯墊與活塞頂接觸面上噴涂有陶瓷隔熱涂層，通過試驗(yàn)測(cè)定，隔熱涂層在不同溫度下的傳熱系數(shù)如圖3所示．圖2氣隙腔換熱分析模型Fig.2Heattransfermodeloftheairgap圖3隔熱涂層熱導(dǎo)率隨溫度變化Fig.3Variationofthermalconductivityofinsulationgasketcoatingswithtemperature2.1.4隔熱襯墊與活塞體接觸熱阻組合活塞受熱變形與整體活塞熱變形類似，為中心上凸的喇叭狀變形，而隔熱襯墊在熱工況和熱機(jī)工況下與活塞體交替發(fā)生接觸和間隙，其中接觸狀態(tài)熱阻通過隔熱襯套與活塞體試樣接觸試驗(yàn)測(cè)定，如圖4所示，而間隙狀態(tài)下直接為空氣熱阻．另外，定位環(huán)與活塞頂徑向、隔熱襯墊與定位環(huán)徑向也存在間隙，但考慮到此間隙較小，在初始計(jì)算過程?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于微動(dòng)特性的組合活塞頂和裙部結(jié)合面優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 王一,李林劍,巫立民,李梅,崔毅.  內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào). 2018(04)
[2]機(jī)車柴油機(jī)組合活塞的換熱邊界條件及熱負(fù)荷[J]. 樓狄明,張志穎,王禮麗.  同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2005(05)

碩士論文
[1]復(fù)合隔熱活塞氣隙隔熱機(jī)理研究及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D]. 趙冠華.北京理工大學(xué) 2016



本文編號(hào)：3558714