YC-6K型柴油机活塞故障分析及结构优化

摘要

自从1860年第一台内燃机问世以来，活塞式发动机的历史已经延续了将近一个半世纪。发动机的发展是一个从低功率、低效率向着大功率、高效率发展的过程。特别是近十几年来，由于重型载重车及工程机械的旺盛的功率需求，高转速、高效率、高强化的柴油机在与多种新技术、新材料结合的情况下应运而生。活塞作为柴油发动机的心脏部件，承受的热负荷和机械负荷也越来越高，活塞发生故障的可能性越来越高。因此，对于活塞的传热结构研究与优化成为了制约着柴油发动机功率强化的瓶颈，需要对这个部分进行重点研究。
　　 柴油机的强化程度一般通过升功率来表征表述，强化程度越高，其升功率也越高。YC-6K型柴油机是一款升功率为31.2kW/L的柴油机，由于高的强化使得原设计活塞发生了开裂故障。因此，需要对YC-6K型柴油机活塞结构进行分析。一般来说，活塞发生开裂故障的原因主要是两个，一是活塞的温度过高，活塞材料强度降低；二是活塞的应力结构不合理，出现了薄弱环节。为了对活塞的温度情况进行研究，需要对活塞的燃烧室尺寸、冷却油道的换热影响进行研究。需要借助与有限元分析软件ANSYS和流体计算软件FLUENT。为了对活塞的应力情况进行研究，需要对活塞的应力情况(包括热应力及机械应力情况)进行分析，需要借助的软件为有限元分析软件ANSYS及WORKBENCH。
　　 本文在结合国内外对活塞研究的成果之上，对YC-6K型柴油机活塞进行了结构的研究，并取得了一系列的成果。一提出了借助与硬度塞测温法、RBF神经网络及ANSYS有限软件计算活塞换热边界的方法；二借助于流体计算软件FLUENT研究了YC-6K型柴油机活塞冷却油道的换热情况及冷却油道位置对于活塞温度的影响；三借助于ANSYS及ANSYS-WORKBENCH软件找出了活塞头部的最长传热途径，研究了喉口倒角对于活塞的温度影响情况；四通过ANSYS及ANSYS-WORKBENCH软件研究了YC-6K型柴油机活塞的热应力及热机械耦合应力问题，并找出了活塞产生破坏的主要原因是活塞的温度过高。通过上述的研究成果，提出了活塞的优化方式为降低活塞温度，优化的途径为增大活塞喉口倒角半径、提高冷却油道轴向位置，并对上述的方案进行了模拟，找出来的最优方案。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 柴油机发展概述

1.2 活塞热损伤问题的研究历程及研究现状

1.3 论文概述

1.4 YC-6K型柴油机相关参数

第2章 活塞的传热规律

2.1 活塞导热问题概述

2.1.1 导热微分方程及方程定解条件

2.1.2 导热微分方程的有限元解法

2.2 活塞的稳态温度测量

2.2.1 硬度塞测温法的原理

2.2.2 硬度塞法活塞温度测量

2.3 活塞的热边界问题

2.3.1 活塞的热边界计算

2.3.2 RBF神经网络及热边界的估算

2.3.3 YC-6K型柴油机活塞的热边界计算实例

2.4 活塞冷却油道的换热问题

2.4.1 冷却油道换热问题计算原理

2.4.2 喷油速度为33m/s时冷却效果模拟

2.4.3 喷油速度对活塞的换热影响

2.5 活塞的瞬态温度分析

2.6 本章小结

第3章 活塞的应力失效及疲劳破坏

3.1 活塞的材料、结构及应力理论

3.1.1 YC-6K活塞的材料

3.1.2 YC-6K型柴油机活塞的结构特点

3.1.3 活塞应力有限元分析理论

3.2 活塞的热应力情况

3.3 活塞的热机械耦合应力情况

3.3.1 活塞的受力情况及应力情况

3.3.2 活塞的应力疲劳问题

3.4 本章小结

第4章 活塞结构的优化设计

4.1 活塞优化基础

4.2 燃烧室喉口倒角对于活塞温度及应力的影响情况

4.3 冷却油道的轴向位置对于活塞的温度及应力的影响情况

4.4 活塞的最终修改方案

4.5 本章小结

第5章 结论及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表或已被录取的学术论文