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气缸套热机耦合力学特性分析及其系统开发

气缸套热机耦合力学特性分析及其系统开发

作者：尚德健郑州航空工业管理学院

学位级别：硕士

内燃机自从问世以来一直是机械装备的重要动力源,尤其在汽车领域。气缸套作为内燃机的关键零部件之一,其形变直接影响活塞环与气缸套内壁的配合以及燃烧室的气密性,严重时将导致燃气泄漏、活塞环摩擦加剧。气缸套变形程度是影响内燃机... 详细信息

内燃机自从问世以来一直是机械装备的重要动力源,尤其在汽车领域。气缸套作为内燃机的关键零部件之一,其形变直接影响活塞环与气缸套内壁的配合以及燃烧室的气密性,严重时将导致燃气泄漏、活塞环摩擦加剧。气缸套变形程度是影响内燃机综合性能的关键。随着内燃机的不断发展、转速和功率不断提升,为满足内燃机发展需求,研究气缸套变形规律的需求日益凸显。随CAE技术的日益完善和广泛应用,以有限元分析为代表的CAE技术逐渐成为内燃机零部件研发和设计的重要手段。本文运用有限元数值分析技术对三款不同型号气缸套进行研究,建立了三款不同型号的气缸套分析模型,根据不同型号的工作要求完成了其各自的工况条件设置。基于内燃机温度参数进行稳态热温度场分析,得到三款不同型号气缸套的温度场分布规律,三款气缸套温度场分布形式类似,温度沿着气缸套轴向由大到小分布,最高温度出现在气缸套顶部,最低温度出现在气缸套下部的非活塞行程区域。在温度场分析的基础上添加机械载荷,采用热机耦合分析方法,对气缸套进行变形和应力分析,结果表明,非工作状态下三款气缸套由于螺栓预紧力顶端产生“花瓣状”形变,形变量较小;工作状态下气缸套变形主要表现为径向形变明显,最大形变位置主要集中在活塞推力侧,是影响气缸套工作性能的关键。为简化气缸套数值分析流程,本文基于Visual Basic语言,结合ANSYS二次开发技术,针对三款不同型号气缸套的数值分析开发出了专用的气缸套分析系统。该系统提供了专用化界面,通过简单的操作便可完成三款不同型号气缸套的参数化建模、材料属性设置、边界条件施加、数值分析计算以及结果显示,提高了气缸套数值分析效率,为气缸套的快速设计提供了便利。

关键词：气缸套数值分析热机耦合参数化建模二次开发

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柴油机气缸套空泡溃灭现象与空蚀机理研究

排灌机械工程学报 2023年

作者：韩峰刘泉李宇寒李晨阳林杰威天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室内燃机可靠性国家重点实验室潍柴动力股份有限公司

由于冷却液空化而发生气缸套空蚀是柴油机常见故障之一。在对单缸冷却水套进行空化流动数值模拟的基础上，结合近壁面多空泡溃灭过程仿真，从宏观和介观研究了柴油机气缸套的空化现象和空蚀机理，并分析了空泡间距、空泡数量等因素对多... 详细信息

由于冷却液空化而发生气缸套空蚀是柴油机常见故障之一。在对单缸冷却水套进行空化流动数值模拟的基础上，结合近壁面多空泡溃灭过程仿真，从宏观和介观研究了柴油机气缸套的空化现象和空蚀机理，并分析了空泡间距、空泡数量等因素对多空泡溃灭的影响。结果表明：缸套壁面的振动导致冷却液发生空化并生成大量气泡；空泡间距越小，溃灭时间越长，当泡心间距从0.05 mm减小至0.025 mm时，近壁面空泡的溃灭压力增大49.82%，产生的微射流速度增大10.56%；增加空泡数量，溃灭压力呈先增后减的趋势，当空泡数量由两个增至十个，微射流的速度增大44.93%；空泡溃灭微射流的水锤压力作用于缸套壁面，造成腐蚀破坏，是缸套发生空蚀的根本原因。

关键词：柴油机气缸套空化穴蚀空泡

Sn对超大型缸套用灰铸铁组织及力学性能的影响

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铸造 2022年第5期71卷 563-568页

作者：陈瑞润李易励王琪王墅王新秀夏园周国平山东科技大学材料科学与工程学院山东青岛266590 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001 扬州五亭桥缸套有限公司江苏扬州225008

超大型缸套是大型柴油机的重要零件,为了改善超大型缸套用灰铸铁的组织和力学性能,加入不同含量的Sn进行合金化处理,研究Sn含量对灰铸铁显微组织及力学性能的影响规律和机制。结果表明,随着Sn含量增加,灰铸铁内部石墨组织逐渐细化,数量... 详细信息

超大型缸套是大型柴油机的重要零件,为了改善超大型缸套用灰铸铁的组织和力学性能,加入不同含量的Sn进行合金化处理,研究Sn含量对灰铸铁显微组织及力学性能的影响规律和机制。结果表明,随着Sn含量增加,灰铸铁内部石墨组织逐渐细化,数量增多,基体组织中珠光体含量也随之增多,其力学性能也得到明显的提升。当Sn含量为0.08 wt.%时,灰铸铁件的综合力学性能最优,布氏硬度、抗压强度及抗拉强度分别达到HB 355、1341 MPa及464 MPa,较不加Sn时分别提高了50.4%、23.1%以及54.3%;当Sn含量继续增加时,布氏硬度及抗压强度性能恶化。Sn提高灰铸铁力学性能的机制为细化石墨组织和稳定珠光体组织。

关键词：锡灰铸铁气缸套显微组织力学性能

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气缸套变形多场耦合建模与分析技术

内燃机学报 2014年第3期32卷 276-282页

作者：董洪全冯慧华王艳霞许大涛北京理工大学机械与车辆学院北京100081

为完善气缸套变形分析技术,以V型柴油机为研究对象,考虑气缸套材料的非线性温度效应与构件间的接触非线性影响,建立气缸套变形分析有限元模型.应用流固耦合方法获得水套壁面传热边界条件,将气缸盖和气缸套的温度场耦合于缸套变形计算中... 详细信息

为完善气缸套变形分析技术,以V型柴油机为研究对象,考虑气缸套材料的非线性温度效应与构件间的接触非线性影响,建立气缸套变形分析有限元模型.应用流固耦合方法获得水套壁面传热边界条件,将气缸盖和气缸套的温度场耦合于缸套变形计算中,得到气缸套的截面变形量.借助离散傅里叶变换分析方法对气缸套变形进行分解,明确气缸套变形特征,并分析了变形影响因素,在此基础上,探讨了冷却水套入口冷却液温度与气缸套变形之间的关联性,总结出缸套变形的影响规律.结果表明:气缸套上端截面变形受温度和缸盖螺栓预紧力的影响大,气缸套中下部截面变形受温度影响小.适当选择冷却水套入口冷却液温度范围可有效控制气缸套变形量,该分析方法为柴油机气缸套多场耦合分析设计方法提供重要技术参考.

关键词：柴油机气缸套多场耦合变形傅里叶变换

硼铸铁汽车引擎汽缸套切削加工用PCBN刀具材料的制备与切削性能研究

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矿冶工程 2022年第6期42卷 163-166,172页

作者：李妍崔志华王强天津中德应用技术大学中西机床技术培训中心天津300350 河南工学院车辆与交通工程学院河南新乡453000

介绍了一种硼铸铁汽车引擎汽缸套切削加工用PCBN刀具材料的制备方法,并对PCBN刀具材料配比、合成块组装以及烧结工艺参数进行了探讨。结果表明,PCBN刀具材料显微硬度为3 669HV、抗冲击次数63次、抗弯强度906 MPa、磨耗比8 858,证明PCBN... 详细信息

介绍了一种硼铸铁汽车引擎汽缸套切削加工用PCBN刀具材料的制备方法,并对PCBN刀具材料配比、合成块组装以及烧结工艺参数进行了探讨。结果表明,PCBN刀具材料显微硬度为3 669HV、抗冲击次数63次、抗弯强度906 MPa、磨耗比8 858,证明PCBN刀具材料具有良好的力学性能,在铸铁类零件的加工中有很好的应用前景。通过硼铸铁汽缸套切削加工试验,验证了合成的PCBN刀具材料具有良好的耐磨性,以此刀具加工硼铸铁类零件的表面粗糙度可达0.486μm。

关键词：聚晶立方氮化硼(PCBN) 立方氮化硼(CBN) 切削超硬刀具硼铸铁气缸套高速精加工表面粗糙度

基于气缸套-活塞环磨损的内燃机性能衰退研究

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车用发动机 2023年第5期 1-8,16页

作者：王世年崔毅徐兆辉高礼宁李亚芬侯新荣上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室上海200240 中国北方发动机研究所(天津) 天津300406

为了研究缸内燃气通过活塞环组窜入曲轴箱后对整机性能的影响,基于内燃机热力学理论,建立了相关的数学模型,包括柴油机性能计算模型、漏气模型和磨损模型。漏气模型考虑了活塞环开口间隙影响下的漏气对性能参数的影响,并基于当量开口间... 详细信息

为了研究缸内燃气通过活塞环组窜入曲轴箱后对整机性能的影响,基于内燃机热力学理论,建立了相关的数学模型,包括柴油机性能计算模型、漏气模型和磨损模型。漏气模型考虑了活塞环开口间隙影响下的漏气对性能参数的影响,并基于当量开口间隙,研究了气缸套-活塞环磨损对内燃机性能的影响。基于Archard模型,由性能衰退规律,预测了柴油机的大修期。计算结果表明,在气缸套最大磨损400μm,第一环磨损200μm时,功率衰退7.52%,标定工况下,有效燃油消耗率增加7.73%。

关键词：漏气气缸套活塞环磨损性能衰退大修期

高强化柴油机活塞环-气缸套边界润滑模型研究

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车用发动机 2023年第6期 84-89页

作者：张利敏袁晓帅吕步高王延荣强慧刘旭康中国北方发动机研究所(天津) 天津300406 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

高强化柴油机活塞环-气缸套在上止点处的工作环境恶劣,多处于边界润滑状态,该润滑状态对摩擦副的摩擦磨损性能具有较大影响,然而目前仍缺少相应的数值模型。本研究建立了考虑摩擦膜影响的活塞环-气缸套边界润滑模型,并对其关键参数进行... 详细信息

高强化柴油机活塞环-气缸套在上止点处的工作环境恶劣,多处于边界润滑状态,该润滑状态对摩擦副的摩擦磨损性能具有较大影响,然而目前仍缺少相应的数值模型。本研究建立了考虑摩擦膜影响的活塞环-气缸套边界润滑模型,并对其关键参数进行了试验标定,在此基础上,对典型工况下该摩擦副摩擦系数及磨损量进行预测,并与往复摩擦磨损试验机试验结果进行对比,二者偏差小于10%,验证了该模型用于工程评价的有效性。

关键词：活塞环气缸套边界润滑摩擦磨损数学模型

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活塞环和气缸套表面形貌对润滑性能的影响

车用发动机 2023年第3期 1-7,16页

作者：孔令春白书战李国祥山东大学能源与动力工程学院山东济南250061

综合考虑缸套热变形、缸套温度场、弹性变形以及润滑油变黏度等因素影响,建立活塞环-缸套摩擦副的瞬态流体动压润滑计算模型,分析发动机工况、活塞环-缸套接触面粗糙度方向和粗糙度大小对摩擦功耗和窜气量的影响。研究发现,当转速升高时... 详细信息

综合考虑缸套热变形、缸套温度场、弹性变形以及润滑油变黏度等因素影响,建立活塞环-缸套摩擦副的瞬态流体动压润滑计算模型,分析发动机工况、活塞环-缸套接触面粗糙度方向和粗糙度大小对摩擦功耗和窜气量的影响。研究发现,当转速升高时,摩擦功耗升高,影响发动机效率;活塞环采用横向粗糙度方向和缸套采用纵向粗糙度方向的组合,能够同时使窜气量和摩擦功耗处于较低的水平;综合粗糙度一致时,采用活塞环表面粗糙度低于缸套表面粗糙度的组合,能有效降低摩擦功耗。

关键词：柴油机活塞环气缸套摩擦功耗表面形貌润滑特性

缸套碳氮/渗硫层在含FeS微粒润滑油下的摩擦学性能

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车用发动机 2022年第5期 35-43页

作者：齐俊平雷艳华王新华周口职业技术学院河南周口466000 河南警察学院河南郑州450046

针对大功率柴油机缸套较为苛刻的工况,采用离子碳氮/渗硫工艺对CrMoCu合金铸铁缸套试样内表面进行复合处理,将粒度为0.5μm的FeS微粒按1%~4%的比例添加到润润滑油中,在试验载荷为300 N时考查FeS微粒添加量对复合改性层耐磨性的影响,在... 详细信息

针对大功率柴油机缸套较为苛刻的工况,采用离子碳氮/渗硫工艺对CrMoCu合金铸铁缸套试样内表面进行复合处理,将粒度为0.5μm的FeS微粒按1%~4%的比例添加到润润滑油中,在试验载荷为300 N时考查FeS微粒添加量对复合改性层耐磨性的影响,在载荷为20~300 N范围内考查复合改性层与复合油协同作用的摩擦学性能,并探讨了其协同作用机理。结果表明:制备的复合改性层主要由Fe_(3)N,Fe_(2)C,FeS和FeS_(2)组成,较基体硬度提高了1.6倍;FeS微粒的最佳添加比例为2.5%,添加到润滑油中的FeS微粒可以不断地吸附到摩擦副表面上,形成吸附层并起固体润滑作用,弥补了渗硫层厚度较薄的缺点和润滑油单一润滑方式的不足;复合改性层表面渗硫层的疏松多孔结构有利于FeS微粒的吸附、储油和分子扩散等;摩擦化学反应生成的氧化物、硫化物、磷酸盐等边界薄膜,提升了试样表面的减摩、抗磨能力;高硬度的碳氮共渗层可对渗硫层、润滑油膜、边界薄膜以及吸附层等提供有效支撑,延长其减摩抗磨作用时间;轻载时,吸附和留存在摩擦副表面上的FeS微粒数量较少,复合改性层与含FeS微粒润滑油协同作用效果不明显;重载300 N时,协同作用优良,相对于润滑油润滑,缸套试样表面耐磨性提高了53.1%,环试样表面的耐磨性提高了49.9%。

关键词：合金铸铁气缸套离子碳氮/渗硫固体润滑摩擦学