内燃机活塞环表面耐磨密封仿生结构设计与试验研究

发布时间：2020-04-16 22:11

【摘要】：内燃机为传统工业产品提供动力保障,近年来,由于石油及矿产资源的不断缩减,内燃机产业发展逐步趋于高效性、节能性、实用性。活塞环与缸套系统作为内燃机动力输入和输出的核心,其工作过程中的摩擦功耗占内燃机摩擦功耗的约50%,活塞环密封性能也直接影响燃料燃烧过程中能量传递效率,系统的工作性能直接影响内燃机整体耗油量、稳定性与使用寿命。因此,提高活塞环与缸套系统内耐磨与密封性能对于提升内燃机整体工作效率起到至关重要的作用。本文通过分析活塞环与缸套系统工作原理与实际工况下的温度场及受力情况,设计具有较好耐磨及密封性能的仿生沟槽形活塞环组。以大众EA2111.4L 66kWMPI低功率版发动机内活塞环组为研究对象,选择沟槽深度、沟槽宽度、沟槽间距为试验因素,利用正交多项式回归设计分析方法,建立27种仿生沟槽形活塞环组有限元分析模型。运用ANSYS Workbench软件对标准活塞环组及仿生沟槽形活塞环组分别进行热一结构耦合有限元分析并求解其外表面及开口处应力分布情况,讨论活塞环组表面沟槽形结构对其耐磨及密封性能影响。通过对活塞环组外表面应力分布有限元分析可知,活塞环外表面最大应力值出现在活塞环开口处对面,活塞环表面仿生沟槽形结构可有效减少活塞环外表面应力集中程度,减小活塞环组外表面应力值,从而提高活塞环组耐磨性能。对仿生沟槽形活塞环组耐磨性能影响从大到小的的因素依次为:沟槽宽度沟槽深度沟槽间距,沟槽深度为3mm、沟槽宽度为0.1mm、沟槽间距为0.1mm的仿生活塞环外表面应力最大,耐磨性能最好。通过对活塞环组第一气环和第二气环开口处应力分布有限元分析可知,仿生沟槽形活塞环组第一气环开口处应力呈现出多点应力集中现象,在仿生沟槽形结构边缘也存在应力集中情况;仿生活塞环组第二气环开口处应力在环内侧呈现出区域性应力集中现象,沟槽端口周围应力较小,活塞环开口处与环槽内侧能够保持比较稳定的应力,防止由于活塞环内侧与环槽内侧壁间产生较大间隙而导致的缸套内部高温高压气体泄漏,从而提高活塞环组的密封性能。对仿生沟槽形活塞环组第一气环密封性能影响从大到小的因素依次为:沟槽宽度沟槽间距沟槽深度,沟槽深度为1mm、沟槽宽度为0.5mm、沟槽间距为0.1mm时仿生沟槽形第一气环密封性能最好;对仿生沟槽形活塞环组第二气环密封性能影响从大到小的的因素依次为:沟槽深度沟槽间距沟槽宽度,沟槽深度为3mm、沟槽宽度为0.5mm、沟槽间距为0.2mm时仿生沟槽形第二气环密封性能最好。为验证仿生沟槽形活塞环耐磨及密封性能,本文设计并搭建活塞环耐磨及密封性能测试试验台,对部分仿生沟槽形活塞环进行摩擦力试验及静密封测试试验,得到沟槽深度为3mm、沟槽宽度为0.1mm、沟槽间距为0.1mm的仿生沟槽形活塞环平均摩擦力最小,减阻率为19.63%,减阻率最大,耐磨性能最好,与前期热一结构(?)合有限元分析结果一致；沟槽深度为1mm、沟槽宽度为0.5mm、沟槽间距为0.1mm的仿生沟槽形活塞环组可以有效减缓活塞顶部气体泄漏速率55.26%,密封性能最好。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK402

【参考文献】