基于有限元分析的S195活塞的改进设计Word格式文档下载.docx
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引言
柴油机广泛应用于现代农业，是现代农业生产所必需的动力机械，涉及农、林、牧、副、渔各部门及其产前、产中、产后各作业环节。
柴油机在农业生产上的应用中，固定式柴油机直接驱动各作业机械进行作业，如用于发电、农副产品加工等固定作业；
移动式柴油机构成拖拉机或各种自走式农业机械带动作业机械或工作部件进行作业，如用于耕整、播栽、中耕、喷雾、施肥、收获等田间移动作业，同时，还承担着农田基本建设中的挖掘、推土、铲运、平整、开沟和农用运输等工作。
而S195型柴油机是广大农村中使用最广泛的动力机械，它的设计是否合理，直接关系到广大农村用户的切身利益。
然而，目前国内绝大部分农用S195柴油机均采用热效率较低、经济性较差的分隔式燃烧室，急待改进。
针对原S195柴油机分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室的情况，本设计对原有活塞的结构进行改进设计，以便更好满足燃烧室改进后柴油机对燃烧室形状以及活塞工作条件的要求。
活塞是内燃机的重要零部件之一，其结构和所处的工作环境十分复杂。
在气体压力、往复惯性力等周期性载荷作用下，活塞产生很大的机械变形和机械应力。
在灼热的燃气作用下，还产生很大的热变形和热应力。
热应力与机械应力迭加可导致活塞破坏，而热变形与机械变形迭加可导致拉缸。
原S195柴油机分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室后，活塞所承受的最高燃烧压力和最高温度将增大，这有可能使原来的活塞结构强度不能与之相适应，产生的机械应力和热应力可能导致活塞破坏，活塞的工作寿命缩短。
因此对活塞进行改进设计。
本课题在原有活塞结构的基础上力图进行改进。
首先计算分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室后的最高燃烧压力，再建立活塞的三维模型，将模型导入分析软件ANSYS后，分析其在最高燃烧压力下的应力、应变状态及危险部位，从而为活塞的结构设计、优化分析提供了充分的理论依据。
1直喷式S195柴油机热力计算和动力计算
内燃机工作过程计算是以理想的混合循环加热方式作为出发点，并假定其中的几个过程的始终点是以活塞上下死点为准，求出各特征点的状态参数，然后绘制出示功图并用整圆系数加以修正.计算应用较简单的关系式和利用一些经验数据来处理实际的复杂过程。
实践证明，只要各过程中的主要参数能积累有较多的实验参考数据并选择得当，还是有一定的实用价值的。
它还具有计算简单及便于掌握应用的优点。
[1]
柴油机工作过程估算在设计或研制一台柴油机时起到以下几个方面的作用：
（1）通过估算可以初步了解与掌握各热力参数之间的内在联系，供柴油机在设计改进时进行分析和调整试验时作参考。
（2）柴油机动力计算和强度计算均需用本估算获得的示功图作为基础。
（3）提供增压系统的设计参数如pk、Gk等或作为选配增压器参数时的依据。
1.1热力计算
1.1.1原始参数及己知条件
（1）冲程数Z=4
（2）气缸直径D=0.095m
（3）活塞行程S=0.115m
（4）额定功率Ne=8.82kW
（5）额定转速n=2000r/min
（6）平均有效压力Pe=0.65Mp
（7）活塞平均速度Cm=7.67m/s
（8）大气压力P0=0.101Mp
（9）大气温度T0=293k
（10）柴油低热值Hu=43995kJ/kg
1.1.2选定参数
根据本机特点及柴油机一般参考资料选取参数如下：
（1）压缩比ε=17
（2）剩余废气系数γr=0.06
（3）缸内废气温度Tr=1000k
（4）进气温度Ts=T0=293k
（5）排气温度Tt=600k
（6）进气压力pT0=0.101Mp
（7）空气进入气缸后的温升△ta=12k
（8）Z点热利用率ξz=0.75
（9）b点热利用系数ξb=0.03
（10）丰满系数ηf=0.98
（11）有效油耗率ge=0.248kg/（kw·
h）
（12）进气管压力ps=0.101Mp
（13）进气终点压力pa=0.0833Mp
（14）最高爆发压力pz=7.84Mp
（15）平均多变膨胀指数n2=1.22
其中剩余废气系数γr的选取范围：
0.03-0.06，△ta选取范围为；
10-12K，丰满系数ηf选取范围为；
0.96-0.98，n2选取范围为；
1.22-1.29;
通过调整这么参数的范围，使最终得出的Ne与pe与原始参数不超过1％,这样选定了以上参数。
1.1.3气缸工作过程计算
（1）充量系数
（1）
（2）过量空气系数
（2）
（3）平均机械损失压力
（3）
（4）进气终点温度Ta
（4）
（5）压缩终点压力pc
（5）
（6）平均压缩指数n1
根据已求得的Ta和ε，查《船用柴油机设计手册（三）》中图3.1.2.12得
n1=1.366
（7）压缩终点温度Tc
（6）
（8）气缸工作容积Vh
（7）
（9）气缸压缩容积Vc
（8）
（10）理论空气量L0
（9）
（11）实际空气量L
（10）
（12）燃烧产物M2
（11）
（13）分子变更系数β0
（12）
（14）燃烧前后实际分子变更系数β
（13）
（15）压缩终点定容摩尔比热μCv1m
（14）
（16）燃烧终点燃烧产物平均定容摩尔比热μCv2m
（15）
（17）压力升高比λ
（16）
（18）定压燃烧终点温度Tz
（17）
（19）初膨胀比ρ
（18）
（20）定容燃烧终点气缸容积Vz
（19）
（21）后膨胀比δ
（20）
（22）膨胀终点温度Tb
（21）
（23）膨胀终点压力pb
（22）
（24）理论平均指示压力pi`
（23）
（25）平均指示压力pi
（24）
（26）指示功率Ni
（25）
（27）指示热效率ηi
（26）
（28）指示油耗率gi
（27）
（29）平均有效压力pe
（28）
（30）有效功率Ne
（29）
其中Z为气缸数
（31）有效热效率ηe
（30）
（32）有效油耗率ge
（31）
1.1.4示功图绘制
（1）压缩线上任意点压力：
（32）
（2）膨胀线上任意点压力：
（33）
其中：
（34）
（35）
根据以上公式及选定参数Pz可求出各曲轴转角的气缸压力如下表：
表1工作过程气体压力
气缸压力（Mp）
曲轴转角/（°
）
Pcx
0.15
-100
0.23
-80
0.41
-60
0.89
-40
2.26
-20
3.38
-10
Pz
7．84
7
Pbx
6.62
20
2.88
40
1.44
60
0.86
80
0.59
100
其中最高爆发压力Pz一般出现在上止点后7°
的位置。
根据以上表格可画出S195柴油机示功图如下：
图1S195柴油机示功图
1.2动力计算
连杆长度l=0.21m
曲柄半径r=0.0575m
曲柄半径与连杆长度比
曲轴旋转角速度
活塞平均速度
表2运动参数的计算
曲轴转角φ（deg）
活塞位移x（mm）
活塞速度v（m/s）
活塞加速度a（m/s）
0.0000
3212.8344
10
1.1109
2.6551
3132.8683
4.3885
5.1786
2899.1576
30
9.6715
7.4492
2529.6237
16.7048
9.3646
2052.0726
50
25.1590
10.8489
1501.3499
34.6538
11.8571
915.8298
70
44.7847
12.3763
333.6387
55.1495
12.4237
-210.9562
90
65.3717
12.0428
-690.5871
75.1191
11.2960
-1086.9228
110
84.1170
10.2568
-1391.6788
120
92.1537
9.0016
-1606.4155
130
99.0796
7.6017
-1741.1859
140
104.7999
6.1174
-1812.2307
150
109.2643
4.5936
-1839.0321
续
160
112.4531
3.0592
-1841.1112
170
114.3638
1.5274
-1834.9828
180
115.0000
-1831.6536
图2活塞位移曲线
图3活塞速度曲线
图4活塞加速度曲线
柴油机最大爆发压力发生在大约曲轴转角7°
，此时活塞加速度为3173.49m/s2。
2．活塞主要尺寸设计及强度计算
2.1活塞的工作条件、材料以及设计要求
热应力与机械应力迭加可导致活塞破坏，而热变形与机械变形迭加可导致拉缸，因此对活塞的材料有非常特别的要求。
现代发动机的活塞多采用铝合金作材料。
其主要优点是质量轻且导热性能好。
活塞与活塞环相互摩擦，为使其工作性能达到最佳化，在选用原材料和工作面的涂覆材料方面，首先应考虑两者间的匹配性。
如：
活塞环端面进行化学钝化处理，则活塞应选用AEB5型共晶铝（5%的Cu含量）作材料，且对活塞环槽进行磷化处理。
随着发动机功率的不断提高和活塞工作寿命的不断延长，普通的铝合金活塞难以满足要求，许多性能更好的新材料应用于活塞中。
铝基复合材料的性能已达到使用的最好材料Ni-resist，铸铁的水平，而制成活塞和活塞环后质量大大减轻，与普通铝合金材料相比其高温强度和抗热疲劳性能明显提高，并具有较低的线膨胀系数。
可提高活塞使用寿命，降低油耗和废气排放量，提高发动机功率。
日本丰田汽车公司的发动机已广泛采用这种材料，美国公司还研制出用以制作汽车发动机活塞的发泡石墨。
这种材料具有比铝高4倍，比铜高5倍的传热系数，以及相对密度低、质量轻、制取成本不高等特点，既可减小质量40%（与金屑制材相比），又可散热制冷，可有效地增加发动机输出功率，改进工作效率。
本文所要分析的活塞的材料为ZL109共晶硅铝合金，在常温下，弹性模量为E=7.1×
1010Pa，泊松比μ=0.31，密度ρ=2700kg/m3，材料的许用应力为σb=260MPa;
200℃时材料许用应力σb=196MPa，材料线膨胀系数β=19.80×
10-6/℃，导热系数λ=152W/（m·
℃）。
[2]
活塞组设计的要求:
（1）重量轻且有足够的刚度各强度；
（2）避免燃气通过活塞环窜入曲轴箱，并尽可能减少摩擦损失；
（3）减少活塞顶从燃气吸收热量，并组织良好的冷却，将活塞所吸收的热量迅速地传出；
（4）保证活塞组与气缸套之间有良好的润滑，但又要降低滑油耗量；
（5）环与环槽、活塞销民轴承具有良好的耐磨性；
（6）正确选择活塞与气缸套的配合间隙可防止活塞在上、下死点附近由于侧压力改变方向而产生活塞对缸套的撞击，从而也减小噪声和气缸套的穴蚀；
（7）易于制造、成本低。
[3]
2.2主要尺寸设计
图5燃烧室尺寸
2.2.1燃烧室尺寸
针对原S195柴油机分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室的情况，将燃烧室形状改为能适应喷油形状的ω形燃烧室。
根据喉口侧面角β可将ω燃烧室分成开口型（β＞90°
）、直口型（β=90°
）及收口型（β＜90°
）三种。
收口ω型，dh较小，喉口热负荷高，为防止喉口开裂及便于制造，取β=90°
。
燃烧室主要结构尺寸是喉口直径dk及深度h，dk与h基本上决定了燃烧室的容积Vk。
对性能影响较大的结构参数是相对容积比Vk/Vc（Vc为压缩容积）及喉口直径与气缸直径之比dk/D。
Vk/Vc要尽可能大，一般Vk/Vc=0.75~0.85。
因为直接喷射式发动机的混合气形成和燃烧主要在燃烧室内进行，而在余隙容积Vδ（包括活塞顶间隙容积、气门凹坑、第一道活塞环上的狭缝容积等）中的气体不能有效利用，所以应尽量减少余隙容积，使空气尽可能集中在燃烧室内，以改善空气利用率。
而且Vk/Vc增加，使燃烧室的相对散热面积减小，挤流加强，有利于混合气形成和燃烧。
[4]
dk/D一般在0.45~0.65范围内，取0.65，即：
dk=0.65D=62mm
dk/h一般在2.5~3.5范围内，取3.5，即：
h=dk/3.5=18mm
在PRO/E中算出的燃烧室的体积Vk为42857mm3，而压缩体积为Vc为：
（36）
可得：
（37）
2.2.2顶岸高度
顶岸高度即第一道活塞环槽到活塞顶的距离，h越小第一道环本身的热负荷也越高，在保证第一道活塞环的工作温度不超过允许极限（约180-220℃）的情况下，尽量缩小h以力求降低活塞高度和重量。
高速柴油机铝活塞h/D的范围一般为0.14~0.20，取h/D=0.147，即
h=0.147D=14mm。
2.2.3活塞环
（1）活塞环数
对于高速机，气环一般为2~3环，油环一般为1~2环；
为了降低活塞高度，减少活塞质量，将裙部的油环去掉，采用三道气环，一道油环结构。
（2）活塞环的选取
第一道气环采用气密性、磨合性能较好的桶面环，第二、三道环采用锥面反扭曲环，其接触线改变在环的下棱缘，刮油效果好，能有效控制机油。
油环采用钢片组合油环，它具有刮油性能好，机油消耗量少，回油通路面积大、不易积炭、工作平稳、磨合性能好、缸套寿命长等优点。
用一道钢片组合油环可替代二道开槽油环。
（3）环岸高度
第一环岸（第一道气环下面的环岸）温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断裂。
所以第一环岸高度一般比其余环岸大一些。
h1可按以下公式确定：
（38）
式中：
Z——环槽深度（mm）
[σ]——许用应力（kgf/cm2）
表3环岸高度
类别
环岸高度与缸径之比
第一环岸h1/D
其余环岸h2（h3）/D
铝活塞
高速机
高速大功率
钢顶组合活塞
0.04~0.08
0.04~0.06
0.025~0.035
0.03~0.045
0.03~0.04
0.02~0.03
其余环岸取h2/D=h3/D=0.0368mm，即：
h2=h3=0.0368D=3.5mm
2.2.4活塞顶厚度
δ是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求决定的，热应力随活塞顶高度增加而增大，活塞顶厚度只要厚到能承受燃气压力即可。
其大小可按下列公式估算：
（39）
式中；
B——考虑燃烧室形状影响的系数，对平顶活塞B=1.4，对深坑形燃烧室活塞B=1；
2.2.5裙部长度
高速柴油机的H2/D一般范围为0.65~0.88，暂取0.65，即：
H2=0.65D=71.5mm
上、下裙长应有恰当的比例，上裙长度H4过小，易产生尖峰负荷造成活塞拉毛及擦伤。
一般的比例为H3=（0.6~0.75）H2，暂取0.7，即：
H3=0.7H2=50mm
2.2.6销座设计
图6活塞销座尺寸
选用钢性销座,销座内孔直径d=35mm,销座长度lp=22mm
（1）销座外径db=1.4~1.6d,取1.4,即db=1.4d=50mm。
（2）销座间隔b
销座间隔一般从下表先取
表4销座间隔
销座形式
b/D
普通销座
0．35~0．45
阶梯销座
b1/D
b2/D
0.25~0.35
0.35~0.55
本设计的活塞的
升级会员 