DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.11.010

活塞航空煤油发动机活塞销孔变形分析

潘钟键^{1, 2}，何清华^{1, 3}，邓宇^{1, 2}

(1. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083

2. 中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙，410083

3. 山河智能装备股份有限公司，湖南 长沙，410199)

摘要：建立某型活塞航空煤油发动机活塞销受力数学模型，分析活塞顶部与活塞裙部连接螺纹位置对活塞销受力的影响。在温度场、热应力和机械应力多场耦合条件下，利用ANSYS软件分析活塞销孔的变形。对螺纹位置改变前后的燃烧室、活塞裙部重要位置点的温度进行模拟和测量。研究结果表明：螺纹位置改变后，活塞销孔变形减小50 mm，活塞销磨损状况得到改善；螺纹位置改变前后燃烧效率没有改变，但在多场耦合作用下，燃烧室中间略有凸起。

关键词：活塞航空煤油发动机；活塞销；销孔变形；多场耦合；燃烧室

中图分类号：V234             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)11-4044-05

Deformation analysis on wrist pin bore of aero-piston kerosene engine

PAN Zhongjian^{1, 2}, HE Qinghua^{1, 3}, DENG Yu^{1, 2}

(1. School of Mechanical and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Key State Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University,

Changsha 410083, China;

3. Sunward Intelligent Equipment Co, Ltd, Changsha 410199, China)

Abstract: By establishing mechanics-mathematical model of wrist pin bore installed in aero-piston kerosene engines, the force created by thread connection position between piston crown and piston skirt was analyzed. Under the condition of temperature, thermal stress and mechanical stress coupling, the deformation of the wrist pin hole was analyzed by using ANSYS software. The important point temperatures of combustion chamber and piston skirt after changing thread position were simulated and measured. The results show that deformation decreases 50 mm after changing thread position, and that the wear and tear condition of the wrist pin is improved. The combustion efficiency is not changed, but the center of combustion chamber rises a little under the condition of multi-field coupling.

Key words: aero-piston kerosene engine; wrist pin; deformation of wrist pin bore; multi-field coupling; combustion chamber

活塞航空煤油发动机是国际上先进技术，使用煤油作为燃料，该技术对军事和通用航空领域具有重大意义。目前国内活塞航空发动机都是使用航空汽油，还没有活塞航空煤油发动机样机研制的报道^[1]。活塞航空汽油发动机目前主要使用于无人机、轻型运动飞机等通用航空领域，和传统的活塞航空汽油发动机相比，活塞航空煤油发动机需要较高的功重比和紧凑的结构尺寸才能替代现有的活塞航空汽油发动机，为此，轻量化前提条件下的可靠性技术，成为活塞航空煤油发动机研制的技术难题^[2]。活塞是发动机的心脏，工作条件极为苛刻，销孔变形、销轴磨损问题更是受到研发人员的关注。国内外学者对车用、船用发动机活塞销受力疲劳、销座孔变形进行了研究^[3-7]，但对于活塞煤油航空发动机的研究国内还处于理论方面，国外也只对其性能进行简单介绍，研发内容报道极少。王春丰等^[8-9]在汽油机的基础上改用煤油作为燃料，对发动机的点火提前角和整机性能进行了研究，莫胜均^[10]利用小型柴油机，对重油的燃烧特性、扫气效率进行了分析。Mattarell等^[11-12]对活塞航空煤油二冲程煤油发动机的性能、优势进行了介绍，并对扫气过程做出了模拟。Bhaumik等^[13]从设计、制造误差的角度对航空发动机的销孔的磨损进行分析，Lee等^[14-15]从材料性能角度对轻型飞行器的活塞销磨损、销孔变形进行预测和分析。本文作者以某型活塞航空煤油发动机活塞销孔为研究对象，从力学角度出发，建立活塞受力模型，研究在燃气压力、热负荷和侧向推力等多场耦合条件下，活塞销孔变形与活塞内部螺纹位置之间的规律，为解决活塞煤油航空发动机活塞销孔变形提供理论依据。

1  活塞销受力数学模型

为保证活塞航空煤油发动机轻量化和可靠性，活塞能在较高的热负荷和机械负荷条件下稳定工作，活塞顶部和活塞裙部采用不同的材料制成，二者之间采用螺纹进行连接。活塞在汽缸内往复运动时，活塞销、螺纹连接处受力如图1所示。

发动机工作时，活塞在汽缸内做高速往复运动，在垂直于活塞销平面内，由于活塞的二阶运动，活塞裙的底端和顶端分别产生e_b和e_t的偏心距。图1中：F_gas为煤油燃烧过程中产生并直接作用在活塞顶面上的力；F_fring和F_fskirt分别为两道环和活塞裙在活塞主次推力边上的摩擦力；F为由流体动压润滑作用形成并作用在活塞主次推力边上的油膜压力；F_screw-x和F_screw-y分别为作用在螺纹连接处在X和Y方向的受力；F_i-x和F_i-y分别为活塞质心在X和Y方向的受力；F_rod为活塞作用在连杆上的力；F_pin-x和F_pin-y分别为活塞销在X和Y方向的受力。根据力学平衡方程，活塞销处受力方程如下式所示。

    (1)

式中：r为连接螺纹的半径；c为质心到螺纹的距离；b为销轴中心到第2道活塞环的距离；a为质心到第2道活塞环的距离；c_p为活塞销偏心距；M为作用在活塞销上的力矩；L为活塞裙部长度；M_i为质心处力矩；M_fring为活塞环摩擦力作用在活塞销孔处的力矩。

图1  活塞受力分析

Fig. 1  Force analysis of piston

建立坐标系，活塞销和质心在X和Y方向受力如下式所示：

         (2)

式中：m_pin为活塞销和连杆小端质量；m_piston分活塞组件质量；I_piston为活塞相对质心的转动惯量。

由式(1)和式(2)可知：活塞在汽缸内往复运动时，销和活塞质心在X和Y方向的受力均与活塞二阶运动过程中产生的偏心距有关，与螺纹连接位置无关。但活塞运动过程中，活塞销所受的力矩与螺纹位置有关。当螺纹半径增大，螺纹处形成的力矩增大，即F_screw-y(r-c_p)该项数值增大，可更多的消耗活塞销处自身形成的力矩，在恶劣的工况条件下，减小活塞销自身的疲劳，减缓活塞销对销孔的磨损。

活塞顶在设计过程中，为减小高速往复运动惯性力，减轻活塞顶质量，其结构设计如图2所示，活塞顶和活塞裙之间的连接螺纹有2种方案。由数学模型推导可知：螺纹半径增大可减小销孔磨损，为此将螺纹位置移到图1中1处，即螺纹半径从r增加到d，见图2中方案2。

图2  活塞顶部剖视图

Fig. 2  Sectional view of piston crown

2  仿真与实验分析

通过数学模型的推导，将螺纹从半径r处调整到半径为d处，能减少销孔的变形。设定与活塞相接触的介质温度，按Eichelberg公式^[16]修正燃烧室平均换热系数。由于发动机采用液冷，汽缸套和活塞裙、活塞环之间多采用多层平壁传热模型，所以活塞裙部、环部换热系数变化小，直接由经验公式可得。在有限元仿真时，边界局部换热系数变化10%时，引起温度场变化1%，而燃气温度变化10 ℃时，温度场误差为2 ℃左右。故边界换热系数误差在一定范围，也能得到符合工程要求的温度场。设定边界条件后施加约束和多种载荷，通过ANSYS对位置改变前后活塞销孔变形量进行分析对比，结果如图3所示。

由式(1)可知：当螺纹半径为r时，活塞销在高速往复运动中受到很大的力矩，加剧销孔的磨损变形，此时活塞销孔中部凸起，以剖面母线两端为参考基准，磨损变形量达60 mm，销孔两端严重变形，如图4中A和B面所示，近似椭圆形。当螺纹半径增大为d，即图2中方案2，在相同的工况条件下，销孔中间磨损最大变形量为10 mm，变形量降低83.3%，销孔两端仍保持圆形，磨损变形达到发动机认证许可要求。由于活塞裙在高速往复运动过程中，销孔两端所受侧推力、摩擦力等外界条件略有不同，导致两端变形量差值在2 mm左右，如图4所示，该差值在检测标准范围之内。

图3  螺纹位置改变前后销孔变形量对比

Fig. 3  Comparison of deformation of wrist pin hole after changing thread position

在某公司内部实验室进行试验，在活塞组件上布置6个测点。由于该发动机属于2冲程活塞煤油航空发动机，在汽缸套上开有进排气孔，利用活塞上下运动进行扫气。测点安装环槽下方、销孔附近以及燃烧室中间部位，如图5和图6所示。测量螺纹位置改变前后活塞组件重要点的温度变化，进而验证是否对发动机燃烧效率产生影响。利用硬度塞法对测点进行测量，对位置改变前后的进排气两侧测点的温度实测值和模拟值进行对比，具体数值如表1所示。

图4  螺纹位置改变前后A和B面对比

Fig. 4  Comparison of A and B slice after changing thread position

表1  各测点实测值和模拟值

Table 1  Measured value and predicted value of each point

在图5中，由于测点分布在进排气两侧，新鲜空气从进气口充入气缸并扫气，离进排气口近的测点温度要低于较远的测点。1和2测点位置在进气口侧，故1和2测点的温度要低于排气口侧的3和4测点的温度。在图6中，燃烧室底部测点5处温度变化较大，螺纹位置改变前后模拟分析温度差24.4 ℃，但实测值发生较小变化。整组实测数据表明，螺纹位置的改变对发动机的燃烧效率没有产生太大影响。

在煤油燃气压力、高速往复运动惯性力、摩擦力等多场耦合状况下，螺纹位置改变后活塞销孔和活塞顶部发生变形。在温度场下，将变形量放大30倍进行观察，如图7所示。

当螺纹半径从r增至d后，图7中1，2和3处发生变形。观察可知销孔1处变形量明显减小，验证理论模型的正确性，疲劳耐久测试达到认证要求，解决了活塞销剧烈磨损问题。因螺纹位置发生改变，在热应力、往复惯性力等多场耦合作用下，燃烧室底部与活塞裙部产生了一定的间隙，见图7中3处，从而导致燃烧室中间凸起，见图7中2处，但目前实验中还未发现这一轻微凸起带来的负面影响。

图5  螺纹位置改变前后活塞头部测点温度

Fig. 5  Measuring temperature of piston head after changing thread position

图6  螺纹位置改变前后燃烧室测点温度

Fig. 6  Measuring temperature of combustion chamber after changing thread position

图7  螺纹位置改变前后重要点位移对比

Fig. 7  Comparison of important point after changing thread position

3  结论

1) 活塞销受力与螺纹连接处位置无关，所受力矩与螺纹位置有关。当螺纹半径从r增至d，可减小活塞销所受力矩，减轻销轴的疲劳，降低活塞销孔的磨损和变形。

2) 活塞销孔最大变形处变形量减小50 mm，同时销孔两端从椭圆形回归圆形，验证理论模型的正确性。

3) 通过测点实测燃烧室底部和活塞裙部温度变化，螺纹位置改变前后，对发动机的燃烧效率没有影响。

4) 在多场耦合作用下，螺纹连接位置改变后活塞销孔变形明显减小，验证该方法的可行性，但燃烧室中间轻微有凸起现象。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-12-13；修回日期：2015-02-20

基金项目(Foundation item)：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2009AA045103) (Project(2009AA045103) supported by the National High-Tech Research and Development Program (863 Program) of China)

通信作者：何清华，教授，博士生导师，从事智能化工程装备制造和轻型飞机开发研究；E-mail: hqh@sunward.com.cn