16V240ZJ型柴油机气缸套温度场三维数值模拟毕业设计.docx
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16V240ZJ型柴油机气缸套温度场三维数值模拟毕业设计
毕业设计（论文）
16V240ZJ型柴油机气缸套温度场三维数值模拟
学科、专业：
热能与动力工程
学号：
*********
作者姓名：
王文
*******
兰州交通大学
LanzhouJiaotongUniversity
摘要
气缸套就是缸套的全称，它镶在缸体的缸筒内，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。
气缸套分为干缸套和湿缸套两大类。
背面不接触冷却水的气缸套叫干缸套，背面和冷却水接触的气缸套是湿缸套。
干缸套厚度较薄、结构简单、加工方便。
湿缸套直接接触冷却水，所以有利于发动机的冷却，有利于发动机的小型轻量化。
本研究以16V240ZJ型柴油机热负荷为研究对象，系统地探讨了有限元法在柴油机缸套设计中的应用，深入研究了柴油机缸套热负荷对性能和可靠性的影响，同时系统的介绍了有限元分析软件solidworks的分析特点和步骤，及其在工业设计上应用的广泛性及其对各种分析的重要意义。
本研究首先阐述气缸套的应用作用及设计意义，介绍关于气缸套的分类和作用等各个方面；利用获得的参考文献的温度场及材料各个特性参数的资料，采用有限元分析软件solidworkssimulation对缸套的热应力及热变形进行分析探讨，对实现缸套的优化设计提供参考。
研究结果表明：
气缸套的工作温度最高达805K，缸套内壁径向的最大变形量为0.4925mm，均出现在缸套内壁面的上部区城。
关键词：
气缸套；有限元；温度场；柴油机
Abstract
Cylinderlineristhenamethatwecallthelinerofacylinder.Itsetsinsidethecylinderbarrelandmakesupofthecombustionchambertogetherwiththepistonandcylinderhead.Cylinderlinershavetwokinds:
dryandwetcylinderliner.Thekindthatdoesn'ttouchthecoolingwaterinitsbackisdrycylinder,theotherkindlineriswetliner.Thedrycylinderisverythin,verysimpleandeasymachining.Wetcylinderscontactwiththecoolingwaterdirectlysothatfortheenginecoolingandthesimplificationofengine.
Thisstudytakesaidat16V240ZJdieselenginecylinderliners,discussestheapplicationofFEMindieselenginecylinderlinerssystemicandstudiesthethermalloadofdieselenginecylinderliner’saffectiontothesecurityandreliability.Besides,IalsointroducetheanalyzingfeatureandprocedureofFEMsoftwaresolidworksandtheuniversalityandimportanceofitsapplication.
Thisstudyfirstlyintroducescylinderliner’sfunctionanditsdesignsignificanceandthenintroducestheclassificationandfunctionandsoon.Itakeuseofthethermalfieldandmanyparametersthatareachievedbyme.IalsoexploittheFEMsoftwaresolidworkssimulationtoanalysethethermalstressanddeformationsoastoapplyingthereferenceofcylinderliner’sdesign.
Theresultshows：
theworkingtemperatureofcylinderlinercanbehighupto107.3K，andthemostradialdeformationis1.8mm，bothofwhichappearsontheupperpartofthecylinderliner`sinnersurface.
KeyWords：
Cylinder；Finiteelement；Temperaturefield;Dieselengine
1绪论
1.1柴油机气缸套温度场研究的意义
作为一种热能动力机械，柴油机的工作过程始终离不开热现象，始终会受到热应力的影响。
因而热应力在很大程度上主宰着柴油机的经济性，可靠性以及其他各项重要的技术经济指标。
尤其是热负荷对气缸套的产生的应力影响，会对发动机的整体性能产生很大的影响。
即使在强化程度较低的柴油机上也己普遍有所反映，在柴油机负载日益增强的今天，研究柴油机气缸套热负荷问题已是非常紧迫的任务了。
柴油机向高强化方向的发展使其零部件的机械负荷和热负荷不断增大。
柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，并对活塞起支承和导向作用。
气缸套是一薄壁圆筒形零件，其内壁直接受到高温高压燃气作用，而外侧又被冷却水包围。
燃烧过程中燃气的最高温度可达2500℃左右，在如此大的内外壁温差下，气缸套将会产生一定的热应力及热变形，这都必须控制在一定的范围内。
对于气缸套传热问题的研究，不仅局限于改善柴油机工作循环的热效率，从结构设计和运行可靠性方面来看，也具有重要意义。
因为气缸套所传出的热量及其冷却措施决定了气缸套内壁的温度分布。
前者对润滑、磨损、活塞间隙起决定作用；后者决定了气缸套的热应力大小。
因此，必须知道预定工况下气缸套的温度分布,而要得到可靠的温度值和具体的温度分布，应用有限元软件进行分析是最有效的方法之一。
为此，本文利用有限元分析软件，结合实测的温度场边界条件，计算了缸套温度场的分布情况，从而为缸套的设计和检验提供理论依据。
1.2柴油机气缸套温度场研究的国内外状况
对于内燃机气缸套热应力的研究，根据温度场和热变形的研究方法，分为直接的实验测量方法和数值计算方法。
首先介绍试验测量方法的发展状况，随着测试技术的发展以及测量精度的不断提高，人们越来越多地运用一些高科技手段以及先进的测量方法对缸套的温度场和热变形进行分析检测，现代的测量方法已经由最初的硬度法、热电偶法、易熔合金法等发展到目前的热弹效应法、同位素法、氢化技术等。
现代的测量方法不仅测量更加准确，而且测量的数据更加广泛、更加灵活。
但是实验测试方法只能在整体样机生产出来以后才能采用，无法在设计阶作为一种测试设计的手段。
而数值计算方法使得设计人员可以在设计阶段对缸套有相对准确的了解，进而在设计阶段便能解决一些热负荷方面的问题。
由于这种方法更加符合现代设计方法的发展方向，所以它越来越受到人们的重视。
对于数值计算方法应用的发展已有相当长的时间了，运用数值计算方法计算缸套的温度和热变形，一般要建立温度数学模型（包括导热微分方程和边界条件的建立）。
然后运动特定的数学计算方法建立具体的几何模型，最后把边界条件附加于具体的几何模型上便可进行有效地计算。
所以该方法是随着导热边界条件计算和数值计算方法的发展而发展的。
导热微分方程是一广义导热定律的总结，而一直沿用至今的是傅里叶导热微分方程。
而边界条件的确定方法发展到现在逐渐形成了两种主要的方法，即以实验测量为基础来进行边界条件计算的方法和以理论推导为基础的边界条件计算方法。
对于第一种方法，国内外的研究机构都做出了大量工作，国外由于设备先进条件优越因此从事实验研究的力度和广度都要比国内研究的大。
对于第二种方法，是以传热学理论为基础，根据缸套结构和冷却方式运用数学推导的方法来计算获得缸套的传热边界条件。
本次研究计算采用的是第二种方法，以16V240ZJ型水冷柴油机气缸套的具体结构和冷却方式为例，通过理论计算的方法来确定边界条件。
1.3本文的主要任务和目标
本课题的工作主要是利用有限元分析对16V240ZJ水冷柴油机缸套进行分析研究计算分析涉及到缸套的边界条件确定、温度场、热变形、热应力等，并利用计算结果针对改善强度、刚度等问题提出修改意见，从而（基于几何结构优化）给出最佳改进方案。
具体内容如下：
1、总结前人曾经做过的关于气缸套温度场和热变形的计算方法，通过总结和分析，提取出合理的适合本研究的研究方法和数据；
2、根据传热学的知识，并针对16V240ZJ发动机的具体情况采用合适的公式分析气缸套的边界条件并确定其导热方程及其求解条件，为下一步的有限元分析的准确计算提供保证；
3、根据获得的关于16V240ZJ发动机的气缸套的尺寸参数利用solidworks设计软件绘制气缸套的实体零件图；
4、将已经绘制好的16V240ZJ缸套零件图导入有限元分析软件solidworkssimulation中，划分合适的网格，并根据已经确定好的边界条件利用该分析软件进行关于温度场、热应力和热变形的分析；
5、通过分析，利用所得结果为气缸套的优化设计提供科学的参考。
2柴油机气缸套
2.1气缸套的功用
气缸套是一个圆筒形零件，置于机体的气缸体孔中，上由气缸盖压紧固定。
活塞在其内壁的引导下作往复运动，其外有冷却水冷却。
气缸套的功用有：
1.与缸盖底面、活塞顶共同组成燃烧室。
2.筒形活塞柴油机的气缸套承受活塞侧推力，成为活塞往复运动的导程。
3.将活塞组件及本身的热量传给冷却水，使之工作温度适当。
4.二冲程柴油机的气缸套布置有气口，由活塞启闭，实现配气。
2.2气缸套的工作条件
气缸套的工作条件是很恶劣的。
在柴油机工作时，由于燃料直接在气缸内喷射燃烧，使气缸受到高温、高压的作用。
气缸套内表面受高温高压燃气直接作用，并始终与活塞环及活塞裙部发生高速滑动摩擦。
外表与冷却水接触，在较大温差下产生严重热应力。
活塞对缸套的侧推力不仅加剧其内表摩擦，并使其产生弯曲。
侧推力改变方向时，活塞还撞击缸套。
此外还受到较大的安装预紧力以及燃气中所含硫分、水分和冷却水的腐蚀作用。
气体压力使气缸壁产生切向拉应力和径向压应力，并且在内表面最大，这种应力都是高频脉动应力。
因缸壁内外温差产生极大的热应力，一般温度下使内表面产生压应力而冷却面存在拉应力。
但在特高气温下，近内表面金属蠕变塑性变形，而冷却后即在内表面形成残余拉应力，这种随起动、停车变化引起的低频应力会使材料疲劳。
2.3对气缸套的要求
气缸套工作内表面由于与高温、高压的燃气相接触，有活塞环在其表面作高速往复运动。
为了达到一定的使用寿命和工作可靠性，气缸套必须具有足够的强度，尤其应防止产生疲劳裂纹，以承受很高的周期性变化的机械负荷和热负荷；同时，必须具有一定的刚度，以保证气缸套在工作时不致产生过大的变形和振动。
此外，还应进行必要的热处理和化学表面处理，使气缸套内表面具有良好的耐磨性和耐腐蚀性；并且具有良好的冷却和润滑。
2.3.1铸铁材料的特点
由于其卓越的滑动特征和生产加工性，缸套一直以来采用片状石墨材料。
这种铸铁材料原本是为了满足耐磨性和强度的需要，虽然通过添加合金拥有硬质珠光体基体和较细石墨，但为了再提高性能，于是，近年来，分散硬化物的复合材料就成为主流。
缸套一般采用含磷或含硼的耐磨合金铸铁作材料，如HT25—47、HP—CuCrMo等。
缸套的内表有时还进行镀铬（松孔镀铬、贮油网点镀铬）、氮化或磷化等处理，以提高耐磨性能。
缸套内表硬度通常要求大于HB200，且与活塞环硬度有良好匹配。
内表面还应有适当的粗糙度，使其具有一定贮油能力和磨合性能。
内表面应有足够的圆度和圆柱精度，安装支承面对内孔中心应有较高的位置精度。
（1）球墨铸铁具有致密强韧的珠光体基体和球状分布的石墨，强度比普通铸铁高一倍；抗穴蚀性和耐磨性也都是比普通铸铁好。
但是由于球化石墨表面积较小，其保油性比石墨片状分布的普通铸铁差，在润滑条件不良时，容易出现局部干摩擦而导致“拉缸”。
为获得较好的润滑条件，希望石墨球粒的尺寸越小越好。
球墨铸铁气缸套经过适当的研磨和热处理，可以得到良好的研磨表面。
球墨铸铁的缺点是铸造工艺比普通铸铁复杂，成本较高。
（2）一般铸铁中添加磷的成分达到0.3~0.8%时称为高磷铸铁，磷在铸铁中形成网分布的三元共晶体，从而提高硬度而获得良好的耐磨性。
其耐磨性与球墨铸铁气缸套相接近，但工艺性比球模型铸铁好，省工时，而且磷还可以改变耐腐蚀性能。
高磷铸铁的缺点是：
由于含磷量增多，材质变脆，而且容易产生缩孔，造成废品。
（3）在铸铁中添加镍、铬、铜等合金元素后得到的各种合金铸铁。
添加合金元素可以使材料组织均匀，珠光体致密，或促进高硬度的碳化物形成，进一步提高强度、耐磨性和耐腐蚀性。
合金铸铁缺点是要消耗贵重金属，熔炼铸造工艺复杂，加工较困难，成本也高。
此外，制造气缸套材料还有：
含硼铸铁、稀土钙铸铁、钛钒铸铁、磷钒铸铁以及奥式铸铁等。
在一些强化的内燃机中，还采用氮化钢来制造气缸套。
因为氮化钢的耐热性和耐腐蚀性都很好。
在500℃时，氮化层的硬度下降很少，可以保证在工作温度下的耐磨性。
为了提高耐磨性、耐腐蚀性，还可以采用镀铬、淬硬、喷镀金属钼或其它耐磨性合金等表面的处理的方法。
气缸套的材料和表面处理方法，要根据内燃机的具体用途、强化程度、使用寿命和制造成本等要求来选择。
例如在使用中以磨料磨损为主的拖拉机、工程机械的内燃机气缸套，多数采用球墨铸铁、高磷铸铁或者合金铸铁等来制造；对于使用中以磨料磨损为主，同时又兼有腐蚀磨损的农用内燃机的气缸套，有时采用奥式铸铁；而磨料磨损比较严重，同时产生熔着磨损倾向又较大的车用强化内燃机，特别是坦克内燃机的气缸套则多采用钢来制造，并对其镜面氮化或镀铬。
2.3.2材质对缸套（气缸）滑动特性的影响
缸套（气缸）的运转初期，其滑动面加工时的基体表面流动，石墨或硬化层的大部分暴露在表面。
因此在运转初期，表面的加工面性状就决定了其滑动特性。
材质的影响明显表现出来则要到部分镜面化进行的中期以后。
2.3.3硬化物层的作用
由于生产加工性、环磨损方面的因素，仅靠硬化基体组织是难以大幅度改善耐磨性的。
所以，柴油发动机所用缸套材料的大半是由分散着硬化物层的复合材料组成。
（1）为环的主要承压部位，防止磨损、拉缸。
硬化物层因为坚硬，是非金属，故耐拉缸性卓越。
（2）阻止珠光体基体的流动，阻止微拉缸的发展。
2.4气缸套结构形式
气缸套内表面由于受高温高压燃气的作用并与高速运动的活塞接触而极易磨损。
为提高气缸的耐磨性和延长气缸的使用寿命而又有不同的气缸结构形式和表面处理方法。
气缸结构形式有三种：
无气缸套式、干气缸套式、湿气缸套式。
湿式气缸套又分为带水套的和不带水套的两类。
无气缸套式机体即不镶嵌任何气缸套的机体，在机体上直接加工出气缸，优点是可以缩短气缸中心距，使机体尺寸和质量减小。
但成本较高。
2.4.1干式气缸套
干套是一个薄壁套筒。
它的壁厚一般为2~3.5mm，目前有减薄的趋势，有的已经薄到1.0~1.5mm。
镶干套的气缸壁厚δ=0.06D，D为气缸直径，最小壁厚δ
=5mm。
干套过去用D/1500左右的过盈压入气缸座合面，而后进行精加工。
由于这样压合，更换起来不方便，目前多采用第二钟动配合代替过盈配合，可以用手轻轻推入座合面而不需要压入后再加工，使修理费用降低，但是制造过程中必须对气缸体上的座孔进行研磨和对气缸套的外圆进行精磨。
同时，为了防止活塞“咬缸”时，气缸套发生位移，要在气缸套上端作出凸肩或者在气缸套下端装上弹性锁圈来定位。
采用前一种方式时，气缸套凸肩超出气缸体上端平面的高度要适当，使气缸盖衬垫压缩后，既能保证气体的密封能力，又不至于引起气缸变形；气缸套的承压面也应该平整，否则拧紧气缸盖螺栓时会引起气缸变形。
采用后一种方式可以避免拧紧气缸盖螺栓时由于支承端面的不平而引起气缸的变形。
干式气缸套的外表面不与冷却水直接接触，缸套一般做成1～3㎜壁厚的圆筒，装入预先镗好的气缸体座孔内。
这要求缸套外表面和气缸套座孔内表面均须精加工，以保证必要的外型精度和便于拆装。
这种缸套具有良好的水密封性，并有较大的机体刚度，气缸中心距小，质量轻，加工工艺简单。
缺点是传热较差，温度分布不均匀，容易发生局部变形。
2.4.2湿式气缸套
湿式气缸套其外表面直接与冷却水接触。
湿套的壁厚应该保证气缸套有足够的强度，尤其要有足够的刚度，以减小变形和振动。
一般内燃机湿套壁厚δ=（0.045~0.085）D左右，D为气缸直径。
近年来有些高速柴油机为了避免因缸套的振动而引起的穴蚀，将湿套的壁厚增加到0.09D左右。
湿套与气缸体利用上下两个导向凸缘来定位以保证其正确位置，配合时应保证有一定的间隙，以免受热卡死使湿套发生变形。
为了便于安装，下凸缘直径D
应略小于上凸缘直径D
。
一般D
=D
+（2~4）mm，D
为气缸套的外径。
凸肩外径D
要尽量小，以保证气缸中心距尽量小。
为了保证压紧，一般D
--D
=6~8mm。
在工作时，凸肩处的温度较高，与气缸水套体间应留下必要的膨胀间隙Δ
，一般Δ
=0.3~0.7mm，为保证压紧密封，气缸套凸肩顶面应略高出气缸水套体顶面Δ
，一般Δ
=0.05~0.15mm。
各气缸公用一个气缸盖时，此值更要严格控制，各缸之间的差额不应超过0.03mm，否则拧紧缸盖以后各缸变形不一致，这会影响密封性。
凸肩高度不宜过大，因为凸肩处不宜得到冷却；但也不能太薄，否则不仅容易变形，引起气缸套失圆，而且影响凸肩强度。
目前一般内燃机气缸套凸肩的高度为5~10mm。
气缸套上凸缘高度应尽量短些，因为在这段高度内对气缸壁冷却较差，对第一环传热不利，一般h
=7~15mm。
水套长度主要考虑当活塞在下止点时，活塞的密封部应能在冷却水冷却到的范围内。
气缸套的总长度h
，当活塞在下止点时允许从气缸套中伸出10~25mm。
如活塞裙部有油环时，则不允许油环伸出气缸套下缘。
为了保证湿套上端的水封，有些内燃机在气缸套凸肩下加一些紫铜垫片，或者凸肩结合面与气缸水套体接合面采用磨合面。
当气缸水套体采用铝合金制造时，铝体本身较软，通常可以不必加垫片或磨合。
水套下端的水封通常通常要用2~4个耐热耐油的橡胶密封圈来来保证。
密封槽的形状必须与密封圈不同，使密封圈产生弹性形变而起密封作用。
密封槽可以做在气缸体上，也可以做在气缸套上。
从便于加工与安装的观点出发，一般多做在气缸套上，但此时必须注意环槽处的最小壁厚不能太小，一般应不小于4~5mm。
此外，环槽的断面应比密封圈的断面大一些，因为橡胶是不可压缩的，如果环槽不够大，在安装或受热后，可能使气缸套变形。
带水套的气缸套适用于全焊接机体或铸焊组合式机体，目的是使冷却水不与机体接触，避免焊缝受冷却水的腐蚀。
冷却水自水套下方的进水口进入水套内腔，沿缸套外凸起的螺旋式导流筋槽道上升后，经气缸套支撑凸肩上的一圈小出水孔进入气缸盖水腔。
水套加热后与缸套装在一起，用圆柱头内六角螺钉连接。
机车柴油机都采用湿式缸套，全铸机体采用不带水套的湿式缸套，焊接机体或焊铸组合式机体采用带水套的缸套。
湿式气缸套的优点是机体上没有密封水套，容易铸造，传热好，温度分布比较均匀，修理方便，不必将发动机从汽车上拆下就可更换气缸套。
缺点是机体刚度差，容易漏水。
2.4.316V240ZJ型柴油机气缸套
气缸套在保证允许的热负荷下，采用在燃烧室处使壁厚适当增加的变截面结构。
气缸套从其法兰顶面到冷却水套法兰底面高出机体约95毫米，用以增加气缸支承法兰的截面，并可缩短两个定位带之间的距离，以提高气缸的刚度，减小振动、变形和磨损，增强气缸套的抗振能力和防穴蚀的效果。
为了使燃烧室和活塞第一道气环得到良好的冷却，在气缸套法兰的下方相应于活塞上止点时的第一道气环处铸有冷却水腔，和冷却水套内的冷却水腔相连通，从而可使气缸上部20毫米宽的燃烧室区域全被冷却水所包围。
在气缸套的冷却水腔上方，用12个出水套管和气缸盖内的冷却水腔相连通；出水套管高出气缸套法兰9毫米，插入气缸盖底面相应的进水孔内，用装在套管外面的橡胶密封套圈密封。
在气缸套的外表面上铸有六个头的螺旋筋，和冷却水套的内表面相配合，构成气缸的螺旋形冷却水道。
螺旋筋引导冷却水流沿气缸套外表面自上而下的均匀冷却，并且增加了气缸套的冷却面积，同时还起到增强气缸套的强度和刚度以及减轻穴蚀的作用。
在气缸套法兰的顶面加工有安装气缸盖调整密封垫片的凸肩，法兰的外周边上留有避开气缸盖螺栓的六个半圆形缺口。
为了便于在安装活塞连杆组时引导活塞和活塞环进入气缸，在气缸套内表面（镜面）的上方边缘加工有3×30°的倒角；在内表面下方边缘加工有2×45°的倒角，倒角的上边缘位置处于活塞在下止点时下油环的刮油舌处，以免在气缸套磨损后出现台阶而撞击油环。
冷却水套由20号钢制成的水套体和水套法兰对接焊成。
冷却水套和气缸套之间采用过盈配合，过盈量为0.016～0.08毫米。
冷却水套经加工酸洗和磷化处理，然后加热至70～100℃热装在气缸套上。
在冷却水套下方设有进水孔，为了保证在气缸装入机体后使进水孔对准机体外侧的进水孔，在安装气缸时气缸套法兰外圆柱面上的刻线必须和机体顶板上的定位刻线对准。
在气缸套法兰底面和冷却水套顶面之间用橡胶密封圈涂以密封胶加以密封。
为了防止冷却水漏入曲轴箱内，在气缸套下方的定位带（导向支承）处用三道橡胶密封圈密封。
在冷却水套下方的定位带处设有一道橡胶密封圈，以防止进水孔漏水时冷却水流入曲轴箱内。
为了使气缸在机体上、下支承孔内保持正确的对中位置，在冷却水套和气缸套组装后进行上、下定位带、法兰底面和气缸套内表面的最后加工（要求上、下定位带外表面的不同轴度不超过0.02毫米，和法兰底面的不垂直度不超过0.02毫米）。
气缸上、下定位带和机体支承孔之间有一定的配合要求，其上部为φ300D/dc，配合间隙为0.07～0.175毫米；下部为φ299D/db，配合间隙为0.026～0.11毫米。
气缸下定位带处的配合间隙要略小些，这是由于气缸上部承受高温高压的作用，热变形较大，并且由于气缸支承法兰压紧在机体顶板上，气缸上部的刚度较大，因而振动较小；而气缸下部的振动较大，因此它的配合间隙略小些，以限制其振动。
气缸套和冷却水套的定位带处对气缸起定位和支承作用外，还起到在气缸受热或冷却时沿其长度方向自由伸缩的导向作用。
为了使气缸套内表面和活塞之间得到良好的配合，减少活塞环上下运动时的振动，气缸套内表面沿长度方向上的椭圆度、锥度、波纹度和腰鼓度的允差不超过0.03毫米。
为了提高气缸套内表面的持油能力和耐磨性，应进行电火花淬火和珩磨；淬硬带的面积不小于总面积的60%，硬度为HRC55～60。
珩磨后进行磷化处理，以提高其磨合性和耐腐蚀性。
为了检验气缸套的强度和气密性，气缸套在套装冷却水套前应进行水压试验，对从气缸法兰顶面以下120毫米高度的燃烧室部分进行180kg/cm2水压、保压5分钟的高压试验；对从法兰顶面起120毫米以下的全部长度范围内进行15kg/cm2水压、保压5
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