高功率柴油机活塞可靠性分析及试验研究

摘要

现代新型柴油机广泛地应用于运输、载重卡车、工程机械等领域，其关键零部件之一一活塞面临着日益提高的热负荷与机械负荷的共同作用。目前，国外柴油机的最大爆发压力已达到22MPa以上，国内柴油机也已达到17MPa左右。同时，热负荷也在不断提升，铝合金活塞的承载能力几乎达到了极限状态，如此恶劣的工作条件容易引起活塞的疲劳失效破坏。因此，针对活塞的疲劳破坏开展课题研究，在设计开发阶段采取适当的预防措施，是非常必要的。 本文针对活塞的疲劳破坏，主要对活塞头部热疲劳破坏、活塞销座和裙部疲劳破坏进行研究。主要研究内容如下： 首先对活塞进行温度场试验，了解活塞的温度分布情况；对“活塞热疲劳试验台”进行了结构改进，更准确的模拟活塞热疲劳失效方式；通过对比性试验改进活塞的结构，提高活塞使用寿命；结合进行的其它活塞热疲劳试验及活塞设计经验，提出了降低活塞热疲劳问题的措施，减少活塞热疲劳失效。 然后利用燃烧分析仪，测出发动机的爆发压力；利用“活塞液压脉冲机械疲劳试验台”对活塞进行销座液压脉冲机械疲劳试验，通过对几种不同方案的试验对比，对几种设计方案选优；通过glide模拟软件得出活塞产生最大侧向力时发动机的曲轴转角，计算出此时连杆与活塞中心线的夹角，利用“活塞液压脉冲机械疲劳试验台”对改进后的活塞进行了裙部液压脉冲机械疲劳试验；结合进行的其它活塞机械疲劳试验及设计经验，提出了降低活塞机械疲劳问题的措施，减少活塞机械疲劳失效。 此外还利用有限元分析软件，建立活塞三维模型，考虑活塞边界条件，结合活塞温度场试验，计算出活塞的温度梯度为活塞热疲劳试验测点的选取和加热提供依据；在对活塞销孔进行改进设计时，利用有限元分析软件，对不同方案的活塞销孔应力分布进行分析，结合活塞销座液压脉冲机械疲劳试验，对几种设计方案选优；在对活塞裙部进行考核时，对活塞进行有限元分析，通过对活塞疲劳寿命的分析，结合活塞出现的问题，提出新的设计方案，提高活塞裙部的疲劳寿命。 本文以Y活塞为例，研究燃烧室边缘裂纹、活塞销座裂纹及裙部裂纹现象。课题注重了计算机分析技术和试验技术的有机结合，为下一步活塞可靠性研究工作提供了经验。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1内燃机活塞可靠性研究的目的和意义

1.2国内外概况及发展趋势

1.2.1活塞的热疲劳失效研究现状

1.2.2活塞的机械疲劳失效研究现状

1.3本文主要研究内容及关键技术路线

1.4本章小结

第二章 活塞疲劳破坏

2.1活塞的发展

2.2活塞热负荷及其分布

2.3活塞热疲劳裂纹形成及扩展

2.4活塞热疲劳损伤

2.5活塞热疲劳寿命模型及预测方法

2.5.1热疲劳寿命模型

2.5.2热疲劳寿命预测方法

2.6活塞机械疲劳损伤

2.6.1机械疲劳损伤判定中的基本概念

2.6.2高温疲劳强度下的蠕变复合作用

2.7活塞机械疲劳失效形式

2.8机械疲劳寿命模型及预测方法

2.8.1高周疲劳裂纹萌生的微观力学模型

2.8.2活塞机械疲劳寿命预测方法

2.9本章小结

第三章 活塞顶部热负荷试验

3.1活塞热疲劳试验系统

3.1.1热疲劳试验系统简介

3.1.2热疲劳试验系统热电偶温度标定

3.1.3活塞热疲劳试验冷却系统改进

3.1.4活塞热疲劳试验控制参数

3.2 Y活塞温度场测试及有限元分析

3.2.1建立活塞温度场试验硬度—温度标准曲线

3.2.2活塞温度场测试

3.2.3 Y活塞温度场分析

3.3 Y活塞热疲劳试验

3.4提高活塞抗热疲劳开裂的措施

3.4.1燃烧室缩口角度的影响

3.4.2燃烧室与顶部过渡圆弧R的设计

3.4.3顶部阳极氧化处理

3.4.4其他防止活塞顶部开裂措施

3.5本章小结

第四章 活塞机械疲劳试验

4.1活塞液压脉冲机械疲劳试验系统

4.2活塞液压疲劳试验工作原理

4.3液压疲劳试验控制系统的特点及功能

4.4活塞爆发压力及裙部侧向力

4.5 Y活塞销孔、裙部设计及试验

4.5.1 Y活塞销孔、裙部试验失效及分析

4.5.2活塞销孔的设计

4.5.3 Y活塞销座液压脉冲机械疲劳试验

4.5.4活塞喷油缺口方案选优

4.5.5 Y活塞裙部液压脉冲机械疲劳试验

4.5.5 Y活塞改型后发动机台架试验

4.6提高活塞抗机械疲劳措施

4.7本章小结

第五章 总结及展望

5.1全文总结

5.2今后工作展望

参考文献

致谢