张帅帅 李永超 代忠惠 李衍涛 李鲁春
滨州渤海活塞有限公司，山东省滨州市，256602
摘要：本文对活塞应力与活塞结构温度进行研究，分析其在不同荷载下的行为差异，以及不同时期活塞动态行为差异。本文简述了活塞在发动机中的功能作用，并对活塞温度变化和载荷特性予以重点分析。
关键词：活塞；稳态工况；载荷特性；温度荷载
前言：活塞在发动机占据较为关键的载荷角色，承载的载荷作用包括机械类、热效应类，其载荷承载能力，作为活塞疲劳强度平稳性的判定依据。在活塞运行期间，在大气、热应力的共同作用下，在发动机服役期间表现出多变性，活塞承载特性呈现出繁杂性。
1活塞作用概述
在柴油机中，活塞是关键部件，柴油机运行中活塞需要进行热载荷和机械载荷，活塞疲劳强度与自身承载特性密切相关，直接影响活塞使用可靠性。在设备运行时，热应力与交变气体作用力耦合影响活塞。此外，发动机工作环境复杂多变，导致活塞具有复杂的承载规律。稳态工况中，活塞受到气体力作用和高频温度载荷，因而易出现高周疲劳失效，此种失效表现集中于销孔内侧上沿部位。工况波动幅度较大时，也易出现低频波动热应力，喉口区受此影响出现低周疲劳失效。技术发展推动下，现代发动机具有更高的功率密度，同时热性机械负荷对活塞产生更大压力，进行发动机设计时，应重点控制疲劳强度。
2活塞温度变化
2.1边界条件
在分析边界条件时，主要对顶面、环区、冷却油腔内部进行边界条件分析。直接和高温燃气相接处即为活塞顶面区域，在进行换热时，通常采用稳态对流换热模式。使用AVL BOOST软件中的应用模型进行计算，可获取运行状态中瞬时传热系数，还可根据燃气介质温度变化绘制变化曲线，结合相关公式分析当量传热系数以及燃气温度。对活塞顶面进行分区，并分别设置换热边界参数，不同区域中，分析半径方向传热系数分布情况，可了解活塞直径的相对比值，还可了解当量平均传热和局部传热的系数比值。数据分析显示，喉口区传热系数为峰值。经过CFD瞬态数值分析后，可获得相对理想的冷却油腔参数和不同曲轴转角中的传热系数。经过串联热阻模型分析，可计算出环区传热系数。
2.2模拟试验
温度场测试选择热电偶方法，对其仿真模型进行标定。在顶面钻孔以引出热电偶，科学分布测点。试验工况中测试温度场。试验数据显示，喉口区出现最高温度点，计算值和实测数据差值＜10℃。模拟试验显示，仿真模型可有效计算温度场相关数据，也可利用模型科学分析热边界分布情况。此外，还应在工作循环环境中观察温度波动情况。经过研究，可知温度波动为朝内传播，传播1~2mm阶段，可见波动趋于消失，此时出现瞬变温度层。通过瞬态边界计算，可了解单循环中温度波动情况[1]。
3载荷特性
3.1稳态工况载荷
在热机械荷载作用下，研究其对活塞应力形成的作用，研究方法以有限元仿真分析为主，稳态工况类型包括高温状态的荷载T、高温燃烧状态下的压力荷载P、T+P的组合态荷载三种类型。
建立仿真分析模型，确定活塞承载的应力情况。在机械载荷作用下，针对活塞底部，开展应力检测工作时，确定的监测位置有：活塞下方区、销座孔表面等。在应力检测完成时，进行测定结果与仿真结果的对比。在测定期间，选择了16个测试位置，并予以节点标记，在6号位置检测时，并未发现活塞存在损坏情况，7号位置的检测结果与仿真结果之间的差距大于10%，其余位置检测结果无异常，符合检查误差要求。经查：7号、6号两个位置的应变片，处于相互连接状态。在对6号、7号两个应变片安装时，存在磕碰情况，引起6号位置应变片发生质量破损问题。同时7号位置的应变片对应测试节点为2号，2号与7号两个位置应力检测结果并未形成较大出入[2]。
在分析完成时，确定6号位置的应变片质量受损，同时对7号位置应变片性能产生了不利作用，引起7号位置测定应力结果发生较大偏差问题。因此，7号测定节点的应力数据，不具参考价值，剩余节点位置测定应力结果，具有可信度。因此，借助仿真计算模型，对其他应力开展有效分析。
在有限元开展应力测算基础上，成功获取了热效应、气体应力两类载荷结果，同时获得了活塞应力环境。以温度、压力等条件为视角，开展应力测定，应力节点分别选择：活塞顶端、冷却位置、销座孔表面等。在进行应力测定节点设计时，应以危险点位为测定主要位置。测定结果发现：燃烧区入口位置的热载荷效应，以向下压应力为主要表现，同时在机械载荷作用下，改变为拉应力现象。热机耦合形成的载荷作用：将会以销孔方向为基准，呈现出一定拉应力；以主副作用力方向为基准时，同样表现出拉应力。活塞在各位置承受的应力，温度对其产生的影响不大，以机械载荷作用为主。销座表面、油腔输出两个位置承受的应力，在温度载荷作用，受到了一定干扰。其他位置的应力干扰，以机械载荷为主因。
3.2变工况载荷
在稳态工况荷载研究完成时，以变工况视角，开展荷载研究，确定气体应力、热效应载荷两类因素，对活塞应力产生的作用。在分析期间，借助工作循环体系中动态变化的温度情况，获取了高频热效应的变化状态，继而发现：在温度效应有所波动时，直接影响因素为瞬时状态的温度浮动，同时，在高频率热效应载荷作用下，活塞温度浮动表现出相反现象，即在温度增涨时，活塞受到的热效应应力作用有所减少，在温度达到最大值时，活塞受到的热效应作用为最小值。
在工作循环区范围内，热应力变化的干扰条件为循环区深度。活塞入口位置，对其热效应受力变动区间进行测定时，获得变幅大小为35MPa，在循环区深度为2毫米位置，热效应受力浮动区间控制在5MPa以内。因此，高频浮动的变工况热效应载荷作用，以循环区内2毫米深度位置为影响主要范围。
针对活塞燃烧区入口位置，进行取样分析，分析发现：在气体变工况作用下，压应力变化幅度有所提升。由此确定：高频变工况下，温度应力作用，会干扰活塞表层范围的疲劳性。
结论：综上，稳态工况中，活塞顶薄层中可见瞬态温度波动，温度瞬态变化影响高频热应力，此种热应力只在顶面薄层中可见，影响该处高周疲劳强度数据。变工况中，喉口区可见显著温度波动，降温速率可达9℃/s，升温速率可达到7.5℃/s。温度变化影响喉口区温度，低周疲劳主要发生于燃烧室喉口区。
参考文献：
[1]曹睿鑫. 高强化柴油机气体流动及缸内燃烧过程模拟研究[D].中北大学,2020.
[2]刘涛. 高强化柴油机喉口重熔活塞设计与试验研究[D].山东大学,2019.