基于有限元对柴油机拉缸原因分析

摘 要：对空调发电车柴油机组检修时发现了不正常的拉缸现象，为找到其原因利用Solidworks软件对柴油机活塞与缸套进行三维建模，并将三维模型导入ANSYS Workbench有限元分析软件中进行热载荷分析，得到对应的应力分布云图、变形云图与温度场云图。为柴油机以后的日常维护与故障原因判断提供一个可靠的理论依据。

关键词：柴油机；缸套；有限元

引言

空调发电车在旅客列车运送旅客的过程中起着至关重要的作用，维持旅客舒适的乘车温度，保证冰箱可以正常工作以确保食材的新鲜和保证热水供应。

在对一辆空调发电车进行E3级修，柴油机落地分解检修，记录柴油机的使用时间仅为1240小时，分解至活塞与缸套后，检查缸套状态，发现了较为严重的拉缸现象。

1三维模型的建立

为了得到最接近真实的仿真结果，三维模型的建立时一个重要的环节，理论上讲，模型与实物一致性越强，仿真结果越可靠，但同时带来的问题就是越真实的建模，会给后续的仿真工作带来巨大的工作量，极大的降低工作效率。所以在保证模型真实的基础上，要对模型进行一定的简化，以提高工作效率。

2有限元分析

2.1网格的划分与材料属性的配置

活塞的材料为铝合金，其密度为2660kg/m3 泊松比为0.33，杨氏模量为73000MPa。缸套为合金钢。

图1 活塞网格模型 图2 缸套网格模型

2.2载荷的施加

柴油机的工作原理：首先由喷油嘴将雾化柴油喷入燃烧室，在燃烧室内柴油与空气混合后点燃，燃料点燃后迅速膨胀，推动活塞下行，活塞推动活塞连杆，连杆推动曲轴从而完成动力的输出。可以看出活塞在缸套内主要承受的应力来源有燃料燃烧膨胀与连杆的反作用力。

柴油在缸内爆燃时，最大可产生17MPa的应力，我们设活塞所受连杆的力与气缸轴线之间的夹角为β，α为曲轴转角。ω为柴油机曲轴旋转的角速度，r为曲柄的半径，λ为连杆的长度和曲轴的回转半径的比值。活塞行程为135mm。那么活塞顶所受的柴油爆燃后的应力为公式2.1：

（2.1）

式中 為缸体内部活塞顶部的应力， 为缸体内气体的绝对压强， 为曲轴箱内的气体绝对压强， 表示活塞投影面积，D为气缸直径（2.2）

（2.2）

计算得 ，作用在活塞的顶部

活塞的惯性力 的计算利用公式（2.3）

（2.3）

式中 为活塞组件的质量，包括活塞、活塞销、活塞环以及活塞销卡环几个部件。计算得

活塞侧推力的计算

活塞在缸套内进行往复运动的过程中会摆动，所以会受到侧压力，用 表示，计算公式2.4如下：

（2.4）

计算得

活塞销座支反力的计算

活塞销座受到活塞销的力简单的理解为活塞顶部的气体压力和活塞各部分组件的惯性力纸盒，但方向向上，作用于销座空两个内圆之上，计算公式2.5如下

（2.5）

计算得Q=-7700N，方向相反

3结果分析

将上述载荷施加于有限元模型中，得到了活塞与缸套的应力分布云图（图3）和活塞与缸套的变形云图（图4）

图3 活塞与缸套的应力分布云图 图4 活塞与缸套的变形云图

但在柴油机的实际工作中，活塞与缸套是处在一个高温的环境下进行工作的，故又对活塞与缸套进行了温度场与力场下的耦合分析，得到了如下的受力与变形云图（图5）

图5 受力与变形云图

4总结

根据有限元的分析结果可以发现，在施加了温度场后，活塞与缸套的受力与变形明显加大，严重影响了柴油机的正常使用。此台柴油机出现比较严重的拉缸现象的原因可以确定为冷却系统作用不良。

参考文献

[1] 6300船用柴油机缸套机械应力的有限元分析_曹海滨

[2] 柴油机缸套_活塞环摩擦振动量化分析方法研究_黄朝明

[3] 柴油机活塞的有限元分析_马春燕

[4] 柴油机拉缸故障的仿真研究_黄映云

[5] 高速柴油机活塞温度试验与热力耦合仿真_宁海强

[6] 新型中速柴油机气缸套温度场有限元分析与试验研究_余永华

作者简介

武则涛 中国铁路呼和浩特局集团有限公司 包头车辆段 检修车间技术员。

（作者单位：中国铁路呼和浩特局集团有限公司包头车辆段）