活塞热负荷模拟试验机方案设计及冷却系统优化

发布时间：2017-08-02 07:29

  本文关键词：活塞热负荷模拟试验机方案设计及冷却系统优化

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【摘要】：随着内燃机不断向高强化方向发展,其整机及主要受热零部件的可靠性受到了严峻的考验,特别是长期工作在高温高压环境下及承受交变机械载荷作用的活塞,热疲劳损伤的概率很大。要解决活塞的热疲劳损伤问题,就必须系统的研究热损伤机理,利用计算机仿真分析法可以较为形象地模拟活塞的温度分布,但是其精确性依赖于边界条件,仿真结果需要试验验证,因此需要设计一台能够模拟活塞热负荷的试验机。其不仅可以为计算机仿真分析提供边界条件,还能对仿真结果进行试验验证。首先对试验机进行总体方案设计。在研究国内外现有热疲劳试验台的基础上,结合本课题的实际情况和现有条件,设计了两种总体方案。通过分析两种方案的优缺点,最终确定使用第二种方案。其次对试验机的加热系统、冷却系统、温度检测系统和安全报警系统进行了设计。主要内容有:(1)在对活塞加热方式对比分析后,综合考虑决定采用火焰直接加热活塞;(2)在对冷却系统的工作原理分析后,对换热设备的使用条件和优缺点进行分析,选择板式换热器作为换热设备;(3)根据测温元件的使用环境和测量精度,选择K型热电偶作为该试验机的测温元件;(4)为了保证人身财产安全,设计了六种安全报警提示。然后采用传统理论估算方法对试验机冷却系统进行设计计算。通过设计计算得到了冷却系统中主要元件如换热器、泵、管子的选型参数。最后在软件AMEsim和Matlab中建立了试验机冷却系统热液压仿真模型。通过仿真计算得到,冷却系统可以适用于不同功率的活塞,但是系统稳定时间较长,活塞冷却水和机油进口温度稳定时间不一致。针对这一问题,分析了总水管压力、换热器的换热效率和换热面积对系统稳定时间的影响,根据仿真结果发现增大总水管压力、增大换热效率和增加换热面积可以减小系统稳定时间和稳定时间差。根据这一结论对冷却系统的参数进行优化,并提出三种优化方案。仿真计算后得到在总水管压力为0.19 MPa,机油换热器的换热面积为0.92m时满足优化指标。由于优化方案是在活塞最大功率下提出的,改变活塞的功率进行仿真计算后得到优化方案可以适用于不同功率的活塞。
【关键词】：活塞 模拟试验机 设计 仿真 优化
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK407;TP391.9
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 本文的研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-22
• 1.2.1 热模拟试验机12-21
• 1.2.2 优化设计的发展及应用21-22
• 1.3 本文的研究目的22
• 1.4 本文的研究内容22-23
• 1.5 本文的研究技术路线23-24
• 第二章 试验机的总体方案设计24-31
• 2.1 活塞的工作情况24-25
• 2.2 活塞的冷却方式25-27
• 2.3 总体方案的确定27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 试验机各系统的设计31-44
• 3.1 加热系统31-34
• 3.2 冷却系统34-38
• 3.3 温度检测系统38-41
• 3.4 安全报警系统41-42
• 3.5 本章小结42-44
• 第四章 冷却系统的设计计算44-60
• 4.1 传入活塞顶热量的计算44
• 4.2 机油冷却系统的计算44-51
• 4.2.1 机油循环量的计算45
• 4.2.2 油管管径的计算45-47
• 4.2.3 机油换热器的计算47-50
• 4.2.4 机油泵扬程的计算50-51
• 4.3 水冷却系统的计算51-56
• 4.3.1 冷却水循环量的计算51
• 4.3.2 水管管径的计算51-52
• 4.3.3 水换热器的计算52-55
• 4.3.4 水泵扬程的计算55-56
• 4.4 外部水冷却系统的计算56-59
• 4.4.1 水-水管路计算56-57
• 4.4.2 油-水管路计算57-58
• 4.4.3 总水管路计算58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 冷却系统模型建立及仿真优化分析60-85
• 5.1 软件介绍60-61
• 5.1.1 AMEsim软件简介60-61
• 5.1.2 Simulink简介61
• 5.2 建立模型61-63
• 5.3 子模型的选择63-64
• 5.4 参数设置64-65
• 5.5 冷却系统的可用性分析65-68
• 5.5.1 加热功率与活塞冷却水进口温度的关系65-66
• 5.5.2 加热功率与活塞机油进口温度的关系66-68
• 5.6 冷却系统的分析与优化68-84
• 5.6.1 总水管压力对冷却系统稳定时间的影响68-72
• 5.6.2 换热器换热效率对冷却系统稳定时间的影响72-76
• 5.6.3 换热器面积对冷却系统稳定时间的影响76-79
• 5.6.4 冷却系统的优化79-84
• 5.7 本章小结84-85
• 第六章 结论与展望85-87
• 6.1 结论85-86
• 6.2 展望86-87
• 参考文献87-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果92-93
• 致谢93-94

【参考文献】

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本文编号：608201