分会场

设计制造润滑与可靠性

摘要

冷起动过程中活塞温度剧烈波动，从而在冷起动过程中会造成较大的热应力，尤其是在高原环境下热负荷加剧，影响活塞的可靠性寿命，进而会使得发动机的可靠性寿命大幅度降低。为此，需要研究钢活塞在高原冷起动工况下的瞬态热状态，降低钢活塞热负荷并进一步降低钢活塞重量。针对无法实时获取活塞温度场数据的变化规律的问题，自主开发了一套钢活塞温度场实时测试系统，测试系统最大误差均控制在3℃内。目前钢活塞仅在大缸径柴油机上有较为成熟的应用，在小缸径柴油机的基础上自主开发了全新的钢活塞动力部件，钢活塞的压缩高度、火力岸高度相比铝合金活塞可分别降低19.16%、30.75%。内冷油腔的体积相比铝合金活塞可以增大978.51%。将测温系统应用到钢活塞上，研究钢活塞在冷起动工况下温度场、热应力、热变形的变化规律。研究结果表明，在发动机冷起动过程中钢活塞温度场发生了剧烈的变化，在启动前期呈现指数型增长，随后约在44s时刻后活塞各个测点的温度值趋于稳定。冷起动温度越低、钢活塞各监测点越靠近高温燃气，温度上升速率越快。钢活塞的热应力在冷起动过程中呈现先急速升高，再降低，随后再度升高直至达到稳定的变化趋势。钢活塞在整个冷起动过程中最大热应力出现在第一环槽，冷起动后期稳定阶段，最大热应力出现在喉口位置。钢活塞的热变形量的变化情况与活塞温度场的变化趋势相同。为进一步实现钢活塞的轻量化，采用多目标优化算法对钢活塞的火力岸高度及内冷油腔的位置和形状进行了寻优，最后获取了以体积与热应力控制的结构设计方案，优化设计方案相比钢活塞的原始设计，质量可最大减小10.87%，热应力可最大降低16.90%。这为钢活塞设计开发及优化设计提供了理论依据和技术支持。

关键词

无线通讯;钢活塞;高原环境;冷起动;热状态;轻量化

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