第9期(总第391期)
内燃机车
2006年9月
大功率机车柴油机气缸盖热负荷研究
楼狄明,万品力,周岳敏,陈 龙
(同济大学汽车学院,上海201804)
摘要:对R16V280ZJ型柴油机额定工况和部分负荷工况气缸盖底板的温度分布进行了试验研究,并对气缸盖进行了额定工况下温度场、热流量场、热变形和热应力的有限元分析。结果表明,温度场计算结果与试验结果基本吻合,排气门过桥处存在较大的热负荷。
关键词:大功率;机车柴油机;气缸盖;热负荷
中图分类号:TK422 文献标识码:A 文章编号:1003-1820(2006)09-0009-04
1 问题的提出
提速、重载和安全是铁路运输的发展趋势,这一趋势要求内燃机有更高的功率、速度和可靠性。气缸盖是柴油机燃烧室的重要组成部件,结构复杂,要承受气缸、紧固螺栓与气门机构等机械负荷和热负荷的复合作用,载荷大而受力状态复杂。如果气缸盖设计不完善,使其经常工作在临界状态下,加上制造工艺上的问题,实际使用中就会有较高的故障率。其中热负荷是影响气缸盖可靠性的一个重要因素,对气缸盖热负荷的研
[1]
究十分必要。气缸盖的热负荷研究主要是气缸盖的温度分布和热流量分布,并确定气缸盖底板上的最高温度、最大局部热流量和最大应力的数值及其所在部位,以及改善措施。
本文对R16V280ZJ型大功率柴油机在额定工况(4705kWP1000rPmin)和部分负荷工况(1970kW,720rPmin)时气缸盖底板的温度分布进行了试验研究,并对额定工况下的热负荷进行了有限元计算,温度场计算分析与试验结果吻合良好。
[2]
2 气缸盖底板温度分布测量与分析
气缸盖最常见的失效形式是底板火力面疲劳裂纹,多发生在排气门过桥和喷油嘴附近,主要由热应力和高温蠕变所致,属于拉应力形式的破坏。有关气缸盖疲劳寿命的试验表明,热疲劳特别是低循环热疲劳对气缸盖的损伤是最主要的,由于机车柴油机工作时间较长,高温蠕变的影响也不可忽视,约占总损伤的1P3。而气缸压力引起的机械应力的破坏很小,只是热应力损伤的1P5~1P8,因此,底板温度及其分布是决定火力面裂损最重要的因素,在柴油机上通过实测底板温度场来评估气缸盖的可靠性,是十分有效和必要的。211 测点布置和测量方法
气缸盖底板温度场测点布置如图1所示,另有测点22、23布置在排气门阀盘底面上,分别沿径向距阀盘中心10mm和40mm。
试验中同时采用硬度塞和热电偶两种测量方法。硬度塞安装方便,体积小而不会破坏温度原始状态,更适用于/场0的测量;热电偶则便于多工况连续测量,测量精度也较好,但所测温度需折算到火力面,有一定的误差。为提高测量准确度,测点10、11和12用热电偶测量,其余均
收修回稿日期:2006-02-15
作者简介:楼狄明(1963)),男,浙江东阳人,教授;万品力(1982)),男,
湖北云梦人,在读硕士;
周岳敏
(1982)),男,江苏无锡人,在读硕士;陈 龙(1982)),男,山东枣庄人,在读硕士。
为硬度塞测点,试验使用的硬度塞尺寸为M3@015@4,材料为GCr6轴承钢;采用了HXD-1000TC型显微硬度计。外径<1的E型镍铬-铜镍(康铜)铠装热电偶,测量准备时将其热端旋
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入锥形闷头孔内,确保与孔底可靠接触,把闷头铆在气缸盖底板的测点上,随后将热电偶的另一端从水腔密封堵引出,与测温仪器相连。
较均匀,除个别测点外,大部分测点的温度都在300e以下,R型气缸盖底板的温度状态较好,排气门孔周边区域温差为88e,有利于气门与气门座之间的密封。
在720rPmin,1970kW部分负荷工况试验时,由于气缸内燃烧剧烈,排气温度较高,有一些测点的温度略高于额定工况,但总体来看,还是额定工况时,底板温度更高一些。
表1 气缸盖底板温度场计算值与实测值的对比
测点123
额定工况实测温度Pe246241349301269276259228197)))286261241267254222310272558551据。
ANSYS计算结果Pe240~261260~275350~368300~320270~290271~291270~285251~271201~220220~238272~290220~238274~293268~301251~270290~310250~268234~253302~321280~303
测点11b233b4710111213141517181920212223
部分负荷工况下的实测温度Pe
254231216335307302247211207184(1)259(2)252(261)281284)257249216304261609591
图1 气缸盖底板温度测点位置
4567101112131415171819
图2 R16V280ZJ型柴油机气缸盖底板实测温度
20212223
212 试验工况和试验结果分析
气缸盖底板温度场测试了两种工况:¹额定
工况4705kW,1000rPmin;º部分负荷工况1970kW,720rPmin。
为准确把握柴油机的热状态,除了监测记录柴油机各项工作参数外,还在被测气缸盖上加装了两个冷却水温度传感器,检测气缸盖的进水和出水温度。根据硬度塞试验要求,每个工况都应稳定运行2h,同时观察记录各热电偶所测的温度数据。
试验实测了额定功率和排气温度较高的部分负荷工况下的气缸盖底板温度,如图2所示。图2中把温度数据附在各测点位置旁边,以便更直观地了解底板温度的分布情况。
试验结果见表1。从表1可看出全部测点温度均在350e以下,最高温度在两排气门过桥的测点3处,额定工况时为349e。底板温度分布比
注:测点10、11、12为热电偶所测,()内为修正到火力面的数
3 气缸盖热负荷有限元计算分析
311 计算模型
采用CAD软件UG建立几何模型,并用Hy-permesh对几何模型进行网格划分,有限元模型中包含62061个单元,15625个节点。为保证计算精度,选择精度较高的四面体单元SOLID70做热分析。有限元分析模型如图3所示。312 计算边界条件31211 热边界条件
在气缸盖三维温度场分析中,传热边界条件的确定十分重要。高温工质向气缸周壁、气缸盖的传热方式主要是对流换热和热辐射,本文采用
第9期(总第391期)楼狄明等:大功率机车柴油机气缸盖热负荷研究
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盖的影响。
(2)此处只计算单纯的热应力,不考虑螺栓预紧力、燃气爆发压力等机械负荷的影响。
根据以上假设,计算时将气缸盖与气缸垫接触面上的节点3个方向自由度约束,同时将与紧固螺栓垫圈相接触面上的节点3个方向的自由度约束。
4 有限元计算结果分析
图3 气缸盖有限元模型
采用ANSYS软件,对R16V280ZJ型大功率柴油机在额定工况下进行了气缸盖温度场、热流量场、热变形和热应力的有限元计算分析。R16V280ZJ型柴油机气缸盖采用RuT350蠕墨铸铁材料制造,材料的部分物理性能参数如表2所列。
表2 材料性能参数
弹性模量PMPa130000
泊松比L0128
密度QPkg#m-37000
膨胀系数A导热系数KPK-11213@10-6
PW#(K#m)-1
4714
传热第三类边界条件,忽略了热辐射的影响。由
于工质与火焰面之间换热过程的复杂性,在确定第三类边界条件时,可以先参照经验或半经验公式,一般采用Eichelberg公式
A=2114
[3][4]
:
3
Pg#Tg@
Cm
式中:Pg为气体压力;Tg为缸内瞬时温度;Cm为活塞平均速度。
得出初始值,利用有限元软件计算温度场,比较若干特征点处的实测值与计算值,反复计算直至得到最终结果。
各表面的传热边界条件分别确定如下。
(1)气缸盖上表面及侧面:气缸盖暴露在大气环境中,与周围环境换热极其微弱,对流换热系数很小,计算中取=25WP(m#K),环境温度取30e。
(2)进气道表面:本次计算取A=150WP(m#K),进气温度由实验测定为60e。
(3)排气道表面:取换热系数为A=350WP(m#K),由试验测定排气道废气温度为605e。
(4)气缸盖底板火力面:因气缸内各处燃烧的差异性,火焰面各处对流传热系数也不尽一样,计
2
算中取平均值A=801WP(m#K),平均温度为616e。
(5)油孔处:对流换热系数为
2
WP(m#K),平均温度为150e。31212 热应力及热变形边界条件
结构内部温度分布不均匀以及结构在温度变形过程中受到阻碍,使结构内部产生热应力。利用温度场的计算结果对气缸盖进行热变形及应力计算,计算时作了如下假设:
(1)计算仅考虑紧固螺栓和机体对气缸盖的约束作用,忽略诸如气门座、缸垫等配件对气缸
[7]
[6]
22[5]
2
411 温度场与热流量场分析
表1表明,R型气缸盖底板实测的温度场与三维有限元计算的分布规律基本相符,从温度值比较,实测值均明显低于计算值,误差在10%以内。说明有限元计算模型基本合理,R型气缸盖底板温度场的实际状况达到了设计水平,能够满足柴油机正常工作的技术要求。从温度场的计算结果及实验结果可知,气缸盖的受热表面主要是火力板下表面,排气门口以及排气道表面,在排气门过桥区处温度最高,达350e(计算结果约为370e),且此处的表面和厚度方向温度梯度都比较大。如图4所示,若能降低排气门过桥处温度,底板的热状态将比较理想,气缸盖将有更高的可靠性。
气缸盖的热负荷一般可用单位时间单位面积上的热流量即热流密度q(WPm)来表示,q愈大,气缸盖的热负荷愈大,当q超过临界值时,气缸盖的温度迅速上升,会导致气缸盖烧毁。如图5所示,在气缸盖底板排气门过桥处,高温废气流速较快,对流换热比较强烈,此处热流量较大。
412 热变形及热应力分析
利用温度场自动耦合计算,得到的热变形及
2
A=2326
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图4 气缸盖温度场分布
图7 热变形云图
5 结论
(1)R型气缸盖底板最高温度为349e,位于两排气门过桥的测点3处。除个别测点外,多数测点温度低于300e,R型气缸盖底板温度分布较均匀,排气门孔四周区域的温差仅为88e,有利于气门与气门座之间的密封。
(2)气缸盖底板温度分布规律与三维有限元计算结果基本吻合。从温度值比较,实测值明显
图5 气缸盖热流量分布
低于计算值,气缸盖的热状态较好,底板温度分布较均匀,具有必要的安全可靠性。
(3)为降低排气门过桥处的热负荷,可以将气门过桥区域的壁厚减薄,或者优化冷却水流组织,如提高冷却水流速和流量。
参考文献:
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热应力的分布如图6和图7所示。从图6、图7中
可以看出,气门座鼻梁处有较大的热应力,应力大小在217~253MPa之间,这主要是由温度梯度和此处的结构变形引起的。在喷油孔附近,由于存在较大的温度梯度及附近变形的挤压作用,有较大的热变形,约为0125~0128mm。
ABSTRACTS
GK2Cdiese-lhydraulicshuntinglocomotive
GUANMin-wei,ZHANGJ-iming
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Moreover,aseriesoffiniteelementanalysisfortemperaturefield,heatfluxfield,thermalstrainandthermalstressaremadeforthecylinderheadwhenitrunningunderratingcon-dition.Itisdemonstratedthatthecalculatedresultoftem-peraturefieldareinaccordancewithexperimentaloneingeneral,andheavythermalexistsatthebridgebetweentwoexhaustvalveseats.
Keywords: heavy-duty;locomotivedieselengine;cylinderhead;thermalload
Strengthanalysisofthewheelconsideringwhee-laxlecontactbasedonthestaticsubstructuringtechnologyZHOUZhang-yi,MICa-iying,LIFu
(SchoolofMechanicalEng,SouthwestJiaotongUn-iversity,Chendu610031,China)
Abstract: Inthispaper,withtheapplicationofthestaticsubstructuringtechnologyinthefiniteelementanalys-is,fastsolvingofthestrengthofthewheelwhenconsideringthecontactnonlinearofthewhee-laxleinterferencefitjointwasachievedwithlimitedcomputationresources.Thecalcu-latingresultshowsthatusingthismethod,thestressdistr-ibutionofthewheelwiththeapplyingofthemult-iloadcanbedeterminedmoretrulyandprecisely.
Keywords: staticsubstructuring;finiteelementmethod;interferencefirjoint;wheel;strength
Modalanalysisoflocomotivewheelset
equippedwithcouplingcollarWENHan-yun1,2,MOY-Imin1,HUANGJ-ixiong1,ZHANGWei1
(11InstofMechandElecEngin,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;21InstofCom-puterScience,YangtzeUniversity,Jingzhou434025,China)
Abstract: Basedonfiniteelementanalysis,takingtheassemblypre-stressandrotationalspeedintoconsider-ation,thetrainwheeløsmodalanalysishasbeenoperated.
(11SchoolofMechanicalandPowerEng1,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China;21QishuyanLocomotiveandRollingStockWorks,Qishuyan213011,China)
Abstract: Maincharacteristics,generalarrangementandtechnicalparametersaregivenforGK2Cdiese-lhydraulicshuntinglocomotive.Thetestresultforitisdescribed.
Keywords: GK2C;shuntinglocomotive;hydraulictransmission;generalarrangement;technicalparametersReasonanalysisofcrackinginDPU-30locomotive
underframeanditsimprovement
LIANGSheng-tong
(DalianLocomotive&RollingStockCo.Ltd.,Dalian116022,China)
Abstract: DPU-30locomotive,exportedtoPakistanRailways(PR)byDalianLocomotive&RollingStockCo.Ltd.,haslocalcrackdevelopedinitsunderframemaingird-er.Basedonathoroughfieldsurveyandtheoreticalanalys-is,animprovingschemewasputforwardtobeadaptedonPRfield.FEcalculationisperformedtovalidatetheimprov-ingschemeandthedynamicstressontherestoredunder-framemeasuredinsite.Theresultshowsthattheimprove-mentissuccessful.
Keywords: DPU-30;locomotive;underframe;analysisofcrack;improvement;restore;FEcalculation
Thermalloadanalysisforcylinderheadofhigh-powerlocomotivedieselengine
LOUD-iming,WANPin-li,ZHOUYue-min,CHENLong(SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)
Abstract: AresearchabouttemperaturedistributionismadeexperimentallyonthefiredeckofcylinderheadofR16V280ZJlocomotivedieselenginewhenitrunningunderratingloadingandpartialloadingconditionrespectively.
Ó