发动机活塞热分析 1
摘 要
零部件的热负荷是发动机进一步强化受到限制的主要因素之一，直接影响到发动机的耐久性、可靠性和经济性，因此在设计发动机时，计算零件的热负荷，考虑影响热负荷的因素，是一个十分重要的问题。通过准确的对发动机活塞的热负荷分析可以改善活塞的换热条件，避免因热负荷造成的破坏提供基本的分析依据。因此,对活塞进行理论研究和有限元分析具有重要意义和实用价值。
关键词：活塞、热负荷、有限元分析
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ABSTRAC
Parts of the engine heat load further strengthen one of the main factors is restricted, directly affects engine durability, reliability and economy, and therefore in the design of the engine, the heat load calculation parts, considering factors affecting the thermal load, is a very important issue. Heat load through accurate analysis engine piston can improve heat transfer conditions, to avoid damage caused by the heat load to provide basic analytical basis. Therefore, the piston and finite element analysis theory significance and practical value.
Key words: piston,, analysis theory
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目 录
1 绪论--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
1.1研究背景及意义---------------------------------------------------------------------------------------------1 1.2国内外研究现状---------------------------------------------------------------------------------------------1 1.3本文研究内容------------------------------------------------------------------------------------------------1
2发动机活塞失效分析与实验调研---------------------------------------------------------------------2
2.1 发动机活塞失效分析-------------------------------------------------------------------------------------2 2.2 发动机活塞热分析实验调研---------------------------------------------------------------------------2 2.3 内容总结------------------------------------------------------------------------------------------------------2
3活塞的测绘与三维模型的建立-------------------------------------------------------------------------4
3.1活塞几何尺寸测量与二维图绘制---------------------------------------------------------------------2 3.2活塞三维模型的建立--------------------------------------------------------------------------------------2 3.3 内容总结------------------------------------------------------------------------------------------------------2
4 发动机活塞热分析--------------------------------------------------------------------------------------------4
4.14.24.34.4
温度场分析的有限元理论基础------------------------------------------------------------------------2 活塞有限元模型的建立与边界条件的确定-------------------------------------------------------2 活塞温度场有限元分析----------------------------------------------------------------------------------2 内容总结------------------------------------------------------------------------------------------------------2
5 结论--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4 参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 致谢------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6
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1 绪论
活塞是发动机中处在非常不利的条件下工作的一个重要零件。活塞受高温燃气的周期性加热作用，做为发动机最主要的受热零件之一，长期工作在恶劣的环境下，承受很高的热负荷。一般情况下，发动机活塞的工作温度在300℃以上，因此对活塞进行必要的热分析就显得很有意义。
1.1 研究背景及意义
随着科技的飞速发展，各种新技术、新成果在发动机设计中的应用，以及客户要求的提高、政府严格的排放法规、石油资源的危机等因素的限制，发动机必然要向着高转速、高功率和低油耗、低排放的方向不断发展。零件的热负荷是发动机进一步强化受到限制的主要因素之一。因此，在设计发动机时，考虑影响热负荷的因素以及如何定量计算和采取减小热负荷的措施，是一个十分重要的问题。随着发动机功率的提高，必然会使发动机缸内燃气温度的升高，将导致组成发动机燃烧室受热零件热负荷的增加，并且使受热零部件的材料强度和硬度急剧下降，严重的将产生烧蚀或熔化现象，这极大的影响了发动机运行的可靠性和寿命。
活塞被称为发动机的心脏，它是发动机中最重要的零部件之一，其功用是承受气体压力，并通过活塞销把燃气爆发压力传给连杆驱使曲轴旋转做功。活塞热负荷和机械负荷问题的解决是提高整个发动机机械部件技术水平的关键。活塞的工作环境十分严酷，活塞顶面要承受瞬变高温燃气的作用，这使得活塞顶部乃至整个活塞的温度都很高，而且分布很不均匀，各部位温度梯度大，造成活塞很大的热应力，严重时还会导致活塞顶面开裂。
因此，对活塞进行温度场分析，了解活塞的温度场分布状态，进而对活塞进行改进，降低热负荷，提高其工作可靠性和寿命具有积极意义。目前，有限元法数值模拟技术的快速发展为解决复杂的发动机零部件的分析计算问题提供了有效的途径，特别是有限元软件与CAD系统的无缝结合，有效地缩短了发动机产品设计和分析的周期，降低了产品的成本，提高了发动机产品的可靠性和寿命。有限元分析技术在活塞设计开发中的应用非常广泛，它可以为发动机设计人员提供比较详细的活塞温度场的分布，为活塞开发设计人员提供了便利的手段与方法 [1]。
1.2 国内外研究现状
经过近20年的努力,国内对活塞的热分析理论与应用有了飞速的发展。现代热分析通常采用有限元分析方法，并采用经验公式计算活塞传热系数，确定边界条件，进行有限元分析。而早在1994年哈尔滨工程大学的姜任秋先生就利用Galerkin法原理，建立
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了轴对称热冲击问题的有限元方程，以PA6-280发动机活塞为例进行了数值分析，对其热冲击期间应力变化现律做了分析和讨论，其结果为研究活塞的热冲击及热损伤机理提供了数值今析方面的基础[2] 。
2004年山东大学田永祥硕士利用Pro/E软件建立某天然气发动机活塞的几何模型，并借助有限元分析软件ANSYS对活塞进行温度场分析计算出活塞的三维温度场分布情况（见图1.1）。
图1.1
活塞温度场等值面分布图（单位：℃）
得到活塞的最高温度在活塞顶面燃烧室的边缘位置，其火力岸区域是受热最为严重的地方，活塞的轴向温度差大约在165℃，而且沿轴向的分布是非线性的。
图1.2
稳态活塞顶部温度分布图（单位：℃）
所以在设计活塞时，要考虑活塞在受热时产生的轴向的非线性的热变形[3]。
2005年合肥工业大学机械与汽车工程学院的王虎博士与桂长林教授应用COSMOS/M参数化有限元程序语言及Delphi面向对象高级语言，以4105 490型发动机活塞的类型和结构为基础，编制活塞参数化三维有限元计算分析程序(见图 1.3) 。
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图1.3
参数化有限元程序结构流程
建立其数据输入输出处理接口，对活塞温度场及其影响因素(见表 1.1)
表1.1
参数化有限元分析模型参数表
活塞类型 4105 490 几何参数 19 20 物性参数 4 4 网格参数 4 4 边界参数 43 45 分析参数 4 4 进行了定量分析,计算并分析了发动机活塞环岸高度、冷却水温度对温度场的影响，为整机的动力性、经济性、排放指标与可靠性的综合优化设计提供了依据[4]。
2008年辽宁省花彩虹先生和贾正宇先生对发动机活塞进行一定的热分析,应用ANSYS软件,采用三维有限元法计算发动机活塞在热载荷作用下的温度场和换热情况,并在此基础上分析活塞的热变形及热应力场(见图 1.4),
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图1.4
活塞顶面与底面温度场云图
确定了活塞失效的主要位置,为活塞以后的改进工作提供了重要参考[5]。
2008年合肥工业大学机械与汽车学院的王庆生先生与刘焜先生建立了某轿车用高速汽油机活塞的几何模型，然后应用有限元分析软件，对活塞温度场和热变形进行了三维有限元分析计算，得到了活塞三维温度场分布和热变形数据（见 图1.6）。
a）温度分布云图
b）温度随节点变化图
图1.6 横截面温度分布图
得出的结果为进一步准确分析其润滑特性提供了基础[6]（见 图1.7）。
a）垂直于销座轴线剖面
图1.7
b）通过销座轴线剖面
活塞受热变形图
2009年陕西孙俊先生论述了活塞有限元分析的理论基础，建立活塞三维有限元模型，采用经验公式1-1计算活塞换热系数，并对其进行了温度场分析计算（见表1.2）。
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（1-1）
表1.2
特征点温度计算值与实测值的对比
测点编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 实测温度 218.1 218.4 286.5 271.1 227.9 251.9 319.4 294.7 301.8 273 289.7 280.6 280.1 287.6 273.1 计算温度 238 240 258 283 288 286 284 287 286 294 283 241 241 232 231 误差 19.9 21.6 -28.5 11.9 60.7 30.1 -35.4 -7.7 -15.8 21.0 -6.7 -38.4 -39.0 -55.6 -42.1 得到了活塞的三维温度场分布特征，表明了有限元分析及采用经验公式计算活塞换热系数可以用于活塞温度场的计算[7]。
2010年沈鼓集团研究院的侯秀丽女士利用ANSYS的瞬态和稳态热分析功能开发和模拟研究热载荷引起的温度场。利用稳态热分析结果作为瞬态热分析的初始温度。瞬态热分析则是时间随温度变化，在这一过程中系统的温度、热流率以及热边界条件随时间都有明显变化，通过准确的模拟实际瞬态热工况，确定泵体温度在不同部位以及不同时间有着不同的分布及变化规律，保证设备结构设计的可靠性和准确性将热分析的温度梯度最大的时间点的节点温度作为体载荷施加到结构上进行结构应力分析，并对分析结果进行弹性分析热应力评定以及热棘轮效应评定[8]。
2010年昆明理工大学发动机实验室的程丁丁硕士对2D25柴油机活塞进行了温度场测试并对其进行有限元分析，该团队采用了硬度塞测温法实测了2D25柴油机活塞标定功率工况下表面的40个特征点的温度值（见图1.9）。
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图1.9
活塞表面温度测点布置
并结合有限元法对其温度场、热应力场机热变形进行分析（见图1.10与图1.11）。
图1.10 活塞顶部温度场分布
图1.11 活塞温度场等温线
采用边界条件换热公式，将有限元计算结果与关键点实测温度值进行比较，获得了2D25活塞准确的换热边界条件，为该系列发动机活塞温度场的有限元分析提供了参考
[9]
。
2010年解放军炮兵学院的陈刚教授结合虚拟样机技术和有限元分析技术，使用
Solid Works建立活塞的虚拟样机后，通过Solid Works与ANSYS的接口，将温度载荷
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施加在活塞的有限元模型上，得到温度场分布；在对某发动机活塞组进行了结构介绍和理论分析的基础上，采用ANSYS软件建立了活塞组三维有限元模型；基于有限元理论对有限元模型进行仿真计算，确定了热应力和变形集中部位。通过对有限元仿真结果进行分析，验证了分析的可行性和准确性，能够为活塞进一步的优化设计提供理论依据[10]。
2012年中北大学机械工程与自动化学院的谢现龙硕士运用有限元方法对发动机活塞进行热分析。根据热负荷的性质，发动机的热负荷大致可分为以下三类：稳定热负荷、低频热负荷和高频热负荷。对于活塞一类的机件，由于其所受的热负荷可仅计其稳态热负荷。因此，在进行活塞温度场分析时，要考虑的主要问题是分析活塞的稳态温度场。具体针对某型号发动机，再分析其活塞稳态温度场和热变形[11]。
2013年中北大学机电工程学院的孟继祖先生为满足高功率密度(HPD)发动机发展的需要，设计了一种薄壁大冷却油腔钢结构活塞，利用ANSYS的参数化设计语言APDI。对该活塞进行参数化几何建模、加载以及温度场求解，并计算分析新型发动机钢活塞结构对活塞温度场的影响，为活塞产品的系列优化设计提供了参考[12]。
在国外，1887年法国科学家勒夏利埃(Lecharlier)就开创了热分析学科，1905年德国科学家塔曼（Tammann）首次使用“热分析”这一名称。1965年G.Woshni对四冲程型柴油机进行瞬态传热与热负荷问题研究，再到现在发动机领域相关研究人员对进行整机热负荷仿真计算模拟研究等，发动机热负荷问题研究历史经过将近一个世纪的发展历程，科研工作者在发动机热负荷问题研究方面取得了丰硕的理论成果。经过不懈努力和不断积累，在20世纪，国外科学家和发动机厂商总结推导得出了许多关于发动机传热与热负荷计算的经验公式和半经验公式，并在热负荷计算分析中得到广泛的应用。近年来，由于计算机技术的飞速发展，国外研究者在对活塞的热负荷问题研究过程中，大多采用仿真计算分析与台架试验数据测量进行对比分析的研究方法，利用计算机进行建模和仿真模拟计算等来分析研究热负荷对活塞结构的影响，从而评估活塞的安全可靠性。在试验研究方面，国外研究人员早在上个世纪70年代左右就己经开始着手缸内传热及活塞热负荷问题的研究[13~16]。
美国Saeed Moaveni论述了有限元基本理论和通用有限元程序ANSYS在有限元分析中应用，精辟地讲解了有限元分析的理论，同时还给出了建模过程中的一些实际问题。涉及到有限元分析的基本思想、析架、热传导和流体问题分析，并介绍了用ANSYS软件进行优化设计的方法和参数化编程[17]。
由此可见，发动机活塞热分析不仅仅在活塞的强度分析，结构改进等方面有着显而易见的优势，并且在参数化的活塞设计上也有很大的帮助。因此，进行发动机活塞热分析对发动机活塞具有重要意义和实用价值。
1.3 本文研究内容
1.3.1发动机活塞失效分析与实验调研
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针对常见的活塞故障：活塞顶面烧蚀、活塞顶面开裂、活塞环岸和环槽的损伤和活塞裙部损伤、相关件断裂及活塞破碎进行关于活塞失效发生的原因、造成的危害、避免故障发生的方法的分析。结合本次工作，查找有关活塞热分析的试验。
1.3.2建立活塞三维模型
对活塞进行几何尺寸的测量：活塞的直径、头部高度、裙部高度、活塞壁厚度、活塞环槽的深度等进行测量，绘制活塞的二维三视图，使用CATIA软件的CAD设计模块进行活塞的三维建模，为发动机活塞热分析做好准备。
1.3.3发动机活塞热分析
将活塞三维模型导入到ANSYS软件，先定义分析的类型，然后定义材料的属性，再确定表面传热系数，之后确定几何模型参数，划分网格，确定载荷并施加载荷，最后计算出活塞的温度分布云图和最高温度位置，然后根据最高温度的位置进行结构的改进。
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2 发动机活塞失效分析与实验调研
2.1 发动机活塞失效分析
发动机作为各种机械，尤其在汽车领域中最主要和重要的动力装置，活塞是其主要配件之一，由于它在气缸内以高速度作不匀速往复运动，且又在高温、高压和必须有液体润滑困难等工况条件下工作，所以是一种容易磨损而发生故障或失效的配件。在一般正常使用情况下，只有在发动机大修时才更换新活塞。
针对发动机活塞失效进行调研，得出发动机活塞失效的形式有：头部或环岸断裂，严重时整圈脱落；环槽、销座和裙部的严重磨损；销座内侧上部出现裂纹以及燃烧室边缘烧蚀等。可以具体为：1. 活塞顶面烧蚀与烧穿；2. 顶部热裂纹；3. 裙部拉伤；4.环岸损坏、5.气门顶撞活塞或活塞顶撞气缸盖；6.四点划伤；7.销孔内侧压裂等。
这其中大部分断裂、烧蚀、磨损和裂纹是由于活塞在受热之后活塞的机械性能——包括高温引起的活塞硬度，强度，刚度等因素发生改变引起的；以及发动机燃烧室内部温度过高引起的活塞烧损，烧蚀和几何形变等几何破坏；并且活塞温度过高引起润滑油性质的改变同样会造成活塞的严重磨损。因此，活塞的失效是多种原因引起的破坏性的综合，针对活塞失效进行调研并分析很有必要。
2.1.1活塞顶面烧蚀与烧穿
活塞顶面烧蚀与烧穿的主要特征为：活塞顶面烧熔甚至烧穿，或在顶边缘及火力岸出现局部蜂窝状烧蚀坑。造成活塞顶面烧烧蚀与烧穿的原因有：1、喷油器故障，如喷射不良，喷油量过大，喷油器安装不当等。2、喷油或者点火过早。3、非正常燃烧如爆燃、早火、激爆等。4、燃烧压力过大。5、超负荷运行。6、使用燃油不当（辛烷值或十六烷值低）。
活塞顶面烧蚀与烧穿是一种严重的活塞失效形式。活塞烧蚀呈现在活塞顶部，轻者有疏松状麻坑，重者有局部烧熔现象。活塞顶面烧蚀将导致高温燃气窜入曲轴箱，加速润滑油的氧化变质、气缸密封性变差、压缩比下降、燃油燃烧过程变坏、发动机的动力性和经济性下降;严重时活塞开裂破碎，损坏缸套、连杆、曲轴、机体等零部件。
活塞顶部烧蚀的原因主要是不正常燃烧造成的，使顶部接受过多热量或者是活塞环卡死和断环故障之后再大负荷情况下运转而烧顶的。当活塞冷却不良时，在活塞顶上如喷嘴油束对应区域，以及顶部突出的形状如活塞顶部W形凹坑等处产生局部过热，当温度超过一定值后，金属表面出现烧蚀。烧蚀较轻的活塞，允许继续使用，烧蚀严重时必须更换品质更高的活塞，同时对发动机整机进行维修保养，重点检查燃油喷射系统和正时齿轮链条，保证燃油喷射的精准；调整点火提前角，检查冷却系统，抑制发动机爆震等可以大大减少活塞顶面烧蚀与烧穿的几率。同时，由于发动机温度过高，进行温度场测量，是量化分析的重要手段。提高活塞品质，使活塞在更高的温度场内温度工作也是
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减少活塞顶面烧蚀烧穿的重要手段。
图2.1
活塞顶面烧蚀
2.1.2顶部热裂纹
活塞顶部出现热裂纹的特征为在活塞顶面，主要在燃烧室边缘出现裂纹。造成活塞顶部出现热裂纹的主要原因有：1、喷油量过大。2、超负荷运行。3、发动机负荷波动大，负荷波动频繁。4、增压压力过高。
图2.2
活塞顶部热裂纹
活塞顶面裂纹的方向一般与活塞销孔的轴线方向垂直，主要是热应力引起的疲劳裂纹。在发动机超负荷运转情况下，造成活塞变形量过大，而导致活塞顶面的疲劳开裂。燃烧系统工作不正常或发动机负荷过大时，造成活塞顶面的温度梯度增大，从而导致活塞顶面的热开裂。活塞材质不合格，导致高温强度降低。燃料中含有硫、钒等元素，则会引起高温腐蚀，从而加速裂纹的发展。
形成活塞顶面热裂纹的主要因素是活塞品质不高，必须进行温度场测试，根据测试
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结果改用品质合适的活塞，使活塞在高温环境下能够稳定工作。
2.1.3活塞裙部拉伤
裙部拉伤的主要特征为活塞裙部一侧或两侧出现大面积拉伤。造成裙部拉伤的主要原因有：1、气缸或活塞变形或缸垫损坏。2、冷却系统故障，冷却不良。3、缺油、机油不洁或品质不好。4、长期大负荷运行或超速超负荷运行。5、不适当的连续冷启动或启动后马上加大负荷。6、新活塞与气缸未良好磨合立即投入大负荷运行等。
活塞裙部拉伤是比较常见的发动机故障。活塞裙部在活塞工作中是起导向作用的，活塞裙部与缸壁之间的磨损无法避免。并且随着使用时间的增长，二者之间的间隙不断增大，当间隙大到一定程度，将出现敲缸现象。二者之间磨损的主要原因是材质不好，热膨胀系数太高，高温的情况下造成涨缸。由于在活塞裙部这个部位的润滑方式是飞溅式润滑，润滑油好坏也是一个关键因素。因此在长时间高温高速的工况下应该让发动机适当地休息冷却。
图2.3
活塞裙部拉伤
发生活塞裙部拉伤的同时一般也伴有气缸壁拉伤。因此如果发生活塞裙部拉伤的情况，必须要对气缸壁进行检查，如果气缸壁拉伤严重或有较大的变形则必须连同气缸一起更换。如果气缸壁拉伤不严重且没有明显变形，则在保证润滑的前提下更换活塞，同时进行温度场试验，验证活塞能否在正常工况下温度工作而不发生严重的形变，如果发生形变，必须更换材质更优的活塞。
2.1.4 活塞环岸损坏
活塞环岸损坏的主要特征为环岸损伤或断裂。造成环岸损伤的原因有：1、喷油或点火定时不当（过早）。2、燃烧不合要求，十六烷值或辛烷值低。3、积碳严重压缩比增大。4、环与环槽严重磨损，侧隙过大。5、活塞环断裂撞击环岸。6、不正确装配或更换活塞环时未修去缸肩使环受力过大。7、在低温下频繁冷启动。
活塞环岸损伤也是常见的活塞失效的形式之一。在活塞上下运动时，活塞环随气缸的形变要做径向伸缩，尤其第1道环槽处温度高，且受到燃气的“冲击”和油楔的作用，
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因此环在环槽里发生摩擦和振动，引起磨损。有时机油或燃气中含有微粒杂质会引起磨料磨损和机油或燃气的腐蚀作用，加剧了环槽的损坏。活塞环槽的磨损通常发生在高度方向上，第一道活塞环槽磨损最严重。活塞环槽磨损后使活塞环侧隙增大，如不及时修理或更换活塞，会导致发动机工作时烧机油和气缸压力下降等后果。
活塞环槽侧壁磨损程度可通过活塞环侧隙的检查来确定。活塞环侧隙是指活塞环与活塞环槽在高度方向上的配合间隙。测量时，将一新活塞环放入环槽，用塞尺测量环的侧隙。若更换新活塞环后侧隙过小，可将活塞环平放在细砂布上研磨;若侧隙过大，说明环槽磨损，可将活塞环与活塞一起更换。
图2.4
活塞环岸损伤
2.1.5活塞顶部碰撞
活塞顶部碰撞主要有两种情况——气门顶撞活塞和活塞顶撞气缸盖。
气门顶撞活塞的特征为活塞顶受气门顶撞形成深坑。造成气门顶撞活塞的原因是由于配气相位紊乱造成的，或者是由于气门间隙调整不正确造成气门顶撞活塞。
在正常情况下，发动机机活塞运动到上止点时，活塞顶端与气缸盖之间仍有1mm左右的压缩余隙，所以活塞与气门一般是不会发生撞击的。发动机工作过程中，如果在气缸位置听到沉重而有节奏的“当、当”金属敲击声，当改变转速时异响更为明显，则多为气门撞击活塞所引起。此种故障危害极大，会产生气门杆弯曲或折断、活塞撞坏、连杆弯曲和气缸盖损坏等严重后果，最终使柴油机无法工作。导致活塞撞击气门的根本原因，是由各种因素引起活塞位移、气门升程超过原设计值、配气相位发生错乱，因此应分别从活塞、气门和相关方面查找故障原因。
活塞顶撞气缸盖的特征为活塞顶部变形、顶面有缸盖气门口凸台。造成活塞顶撞气缸盖的原因是由于活塞顶部余隙过小，设计不合理造成的。或者是由于曲柄连杆机构故障导致活塞上止点上移，造成活塞行程加长形成撞击气缸盖。
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图2.5
活塞顶部碰撞
2.1.6销孔内侧压裂
销孔内侧压裂的特征为销孔内侧出现裂纹，严重时裂纹沿销座扩展至活塞顶部。造成销孔内侧压裂的原因有：1.供油量过多，点火或供油提前角过大。2.不适宜的燃油。3.增压压力过高。4.超负荷运行等因素引起过大机械负荷将销孔压裂。
活塞顶所承受的气体压力通过活塞销孔和活塞销传给连杆，由于结构上的限制，活塞销直径不可能超过活塞直径的40%。活塞销的承压面积还要在活塞销孔与连杆小头衬套之间合理分配，结果不论在活塞销孔与活塞销之间，还是活塞销与连杆之间，承压面积都极为有限，表面上的比压是内燃机所有零件中最高的。加上活塞销与活塞销孔或活塞销与连杆小头衬套之间的相对运动速度很低，液体润滑的油膜不易形成，容易在活塞销孔表面产生干摩擦，造成损坏。
图2.6
活塞销孔损伤
销孔内侧压裂主要是由于作用在活塞销孔处的机械应力过大，超过了活塞材料的抗拉强度及屈服疲劳强度，同时过大的机械应力也破坏了活塞销孔表面的润滑油膜，活塞销孔表面先被拉毛，失效继续扩展，直到活塞销和销孔之间咬死，再在顶部压力的作用下，销孔开裂并发展到整个销孔座破碎。这是活塞销孔失效模式中最严重的一种，也是危害最大的，严重时活塞销子失去控制，轴向窜出打碎缸套以至缸体，导致整个发动机
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报废。
2.1.7销孔两侧四点划伤
销孔两侧四点划伤的主要特征就是活塞销孔两侧裙部拉伤。造成四点划伤的原因：1.冷却故障，冷却液温度过高或过低。2.超负荷运行。3.不适当的连续冷启动。4.大负荷工作后马上停车。5.长期低负荷运行。6.全浮式连接活塞销，销与销孔配合过紧或在连杆衬套中卡住。7.半浮式连接活塞销，销与销孔配合间隙过小。
销孔拉伤卡死的故障会严重影响发动机的正常运行。销孔与活塞销配合间隙小，销孔直径有在下差的情况，如果活塞销正好在上差，两者配合间隙小，运行时会因摩擦产生过热抱死。润滑不良造成活塞销与销孔形成的油膜不充分，运行时干磨，造成销孔划伤。
随着发动机功率的提高，必然会使发动机缸内燃气温度的升高，将导致组成发动机燃烧室受热零件热负荷的增加，并且使受热零部件的材料强度和硬度急剧下降，严重的将产生烧蚀或熔化现象，这极大的影响了发动机运行的可靠性和寿命。故而针对发动机活塞的热分析及试验成为研究发动机活塞的重要课题。
2.2 发动机活塞热分析实验调研
发动机活塞是在气缸中做往复运动，不断接受燃气爆发的能量，从而使功率不断输出的重要零件。活塞直接接触高温燃气，顶部表面工作温度高达300~ 360度，高温使活塞受热膨胀而在内部产生热变形和热应力，使活塞材料，硬度和强度降低。热应力和热变形将影响活塞与缸套摩擦副的正常润滑，造成摩擦力增大、磨损加剧, 甚至导致活塞环胶接、活塞与气缸咬合以及拉缸等。而活塞的热应力首先取决于活塞温度和温度梯度的分布, 因此对发动机活塞温度的正确实测, 获得精确的活塞传热边界条件和放热系数，从而对活塞进行三维温度场分析，了解活塞的热负荷状态和热应力分布情况，进而为降低热负荷，改善热应力分布和改进设计，提高内燃机的性能与可靠性提供必要的理论依据，具有十分重要的意义。
迄今为止,要实际测试活塞在各个工况下的温度，是比较困难的。目前在活塞温度场的测试中，测试方法有易熔合金法、硬度标定法、接触式热电偶测温法、非接触互感式测试法、红外遥感测试法和存储测试技术等。
2.2.1 接触式热电偶测温法（精度：最高可至±0.01℃）
热电偶法是利用热电效应（将两根不同的金属导线的两端分别连接起来，形成一个闭合回路。若在其一端加热，另一端冷却，则导体中将有电流流过）来测试活塞温度的一种方法，这种方法不仅可靠、精度高、响应快、寿命长，而且可以方便地测试各种工况下的活塞温度。
通过热电偶导线把活塞温度传至发动机外，属于接触式测量，需要有专门的机构把热电偶导线引出发动机。在该测试方法中, 热接点要求尽量靠近被测表面，与接触表面
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热接触良好，热阻抗要小，并且有气密性。当然, 热电极除了在热接点处有良好的电接触外，其它地方不应有短路现象。热接点的形成最常见的有压接法和焊接法。
该方式具有测量可靠，寿命长，体积小，精度高（单热电偶的静态标定精度可达±0.01℃），体积小对温度场的干扰小（热接点d<0.1mm）的特点，但是也存在着信号引出困难造成的结构复杂，容易发生故障，且有冷端补偿问题。
2.2.2 非接触互感式测试方法（精度：±1.5% or ±1.5℃）
该方法采用互感耦合原理, 利用感温元件的阻值随温度的变化而变换的特性而进行测量运转在不同工况下的发动机活塞温度。
这种方法没有冷端温度补偿的问题（在热电偶测温法须冷端补偿）。由于铂电阻温度计具有精度高、稳定性好的特点，一般采用铂电阻温度计。且体积较大，对温度场有一定干扰，可靠性相对热电偶测温法较低。因此可以与接触式热电偶测温法协同使用，作为热电偶测温方法的冷端补偿元件，提高温度场测量精度。
2.2.3 红外遥感测量系统（精度：最高可至±0.01℃）
红外遥感测量系统是一种将热电偶信号转换成电信号通过红外遥感装置输出缸外的测试系统。该系统精度高、抗干扰能力强，是比较理想的内燃机活塞温度测试系统。
其工作方式和原理是，在活塞预测部位布置好热电偶，通过热电偶将测点的温度变成电压信号后，再用电压/频率转换器使之转变成为频率信号，频率信号驱动红外发光二极管发送红外光脉冲；在接收端，光敏三极管接收红外光脉冲，经反变换之后，通过接收器记录的电压值反映出测点的温度值。
这种方法依靠38kHz固定频率的红外线进行数字信号的传输，具有极强的抗干扰能力。红外线穿透性高，信号传输可靠，稳态温度场的精度较好。并且能够进行连续信号（例如瞬态信号）的传输。该系统使用热电偶传感器，需要进行冷端补偿。
2.2.4 存储测试技术（精度：最高可至±0.01℃）
活塞温度场存储测试系统包含数据采集、存储模块和数据解读模块两大部分。在数据采集、存储模块中，热电偶将温度信号变换成电压信号，通过放大器进行放大，利用A/D转换器，将模拟信号转换成单片机可以认识的数字信号，进入单片机，单片机将数字量化后的温度值以及通道等其它的信息装配成一个自定义的数据包，存储到专用的存储器中，待停机后读取数据。在数据解读模块中，利用单片机读取专用存储器中的数据，并通过RS232协议和上位机进行串行通信，实现数据的解读和后处理。
这种测试方法不能实现实时测量，存储器在高温、活塞拍击条件下，存储的数据容易丢失，并且完全是一次性使用设备。由于使用热电偶传感器，需要进行冷端补偿。
以上四种方法是非常规的电测量温度场试验方法，这些方法具有精度高，可靠性好，响应速度快等特点，因此成为现代温度场试验的首选方法。同时这些方法也有成本高，设备复杂等缺点。
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2.2.5 易熔合金法（精度：>3℃）
易熔合金法的原理，是利用纯金属或共晶转变的各种不同成分的合金，有不同熔点这一物理特性进行试验。易熔合金的冶炼需要有专门的技术，熔点一般在90~400℃之 间。
利用易熔合金测量温度的关键，是预先估计所测部位的温度大致范围及易熔合金丝 的装配质量。在安装易熔合金时，必须以不破坏原活塞零件的温度场和传热为原则（这 也是其它测试方式的原则）。如果易熔合金丝与活塞零件上的孔之间接触不良、积炭、残留合金、有小变形或者燃气进入缝隙等情况，将导致热阻增大或改变热流方向，都会影响测试的准确性和精度。为了能较准确地测出测试部位的温度，应在欲测部位装入能包含该温度的几个相连续温度的易熔合金丝 。
测温结束之后，检查活塞易熔合金的熔化情况，对个别测温点所装易熔合金丝出现 的全部熔化或不熔化情况，应重新选择易熔合金丝进行试验。此时，应将原测温孔中的积碳和残留合金等清理干净之后，再装入新的易熔合金丝。第二次测试时，发动机工况、冷却水温、油温等试验条件应与第一次相同。应尽量减少重装次数，若重复三次以上，则测试精度很难达到要求。
2.2.6 硬度标定法 ( 又称硬度塞测法 )（精度：约5~25℃）
某些金属在受热后会产生永久性硬度变化，这种硬度的最后变化取决于它所受的最高温度和在此温度下的延续时间，如果延续时间一定，则可建立温度与硬度的关系曲线， 然后按测定的硬度值找出相应的温度。硬度标定法就是利用某些金属所具有的这一特性来测试温度的。
一般情况下利用经过淬火的某种金属材料(例如GCr6，GCr15等)，将金属材料加工成小螺钉，并预先测出其温度一硬度曲线。在测试时，把小螺钉装在被测零件上，当发动机按一定工况运行一定时间之后，取下这些小螺钉，并在硬度计上测出表面硬度，再根据该金属材料的温度——硬度曲线，即可得到温度数据。
此法为目前国际通用的方法。该测试方法精度与硬度塞材料的均匀性、热处理工艺及控制等均密切相关，人为的操作误差影响也较大，需要有一定经验的专业人员来操作，硬度计上测定刻痕长度的光学计量精度也有一定影响。其优点是操作简单，成本较低，只需在待测部位加工出螺纹孔，安装硬度塞即可进行试验，无需热电偶导线和其它试验系统装置。但是，该测试方式只能得到某一工况下的最高硬度。
以上两种测试方法是常规的非电测量方法，具有方法简单的特点。但是在实际应用中仅能指明测点的最高温度，不能测量温度在不同工况下的变化。并且精度相对较低（精度最高的硬度标定法误差也有5~25℃），对零件温度场破坏较大，所测量的温度与零件表面实际温度有差异。此外还有残留硬度法，由于精度更低，现在基本已经基本遭到淘汰。
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2.3 内容总结
本文分析了发动机活塞常见的失效形式，并对活塞温度场试验的方法进行调研。得出以下结论：
（1）发动机活塞因过热而导致的失效是活塞失效最主要的失效形式。进行发动机活塞热分析是为进一步改善发动机活塞性能，优化发动机活塞材质选择的一个重要的量化分析手段。
（2）以红外遥感测量系统为主要测试手段,并以非接触式互感测试方法作为红外遥测的冷端补偿系统的综合系统试验是目前温度场试验中表现最为优异的温度场试验系统，具有寿命长，体积小，精度高，时效性强，稳态、瞬态都可以测量的优点。
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3活塞的测绘与三维模型的建立
3.1 活塞几何尺寸测量与二维图绘制
本次测量的活塞尺寸有以下：直径D：120（mm） 高H：100 活塞壁厚度：10
3.2活塞三维模型的建立
由于活塞是一个平面对称的几何体，因此，只要绘制活塞其中一半的三维模型，然后通过CATIA软件中的镜像模式就可以得到发动机活塞的三维模型。
3.2.1 绘制草图
首先进入CATIA软件的零件设计界面，进入草图设计模式，根据实际测量得到的活塞的几何尺寸，画如下草图：
图3.1
绘制草图
3.2.2 绘制旋转体
画完草图之后跳出草图设计模式，点击旋转体命令得到如下图示旋转体：
将所画的草图旋转180°，
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图3.2
旋转几何体
3.2.3 绘制活塞环槽
选择平面命令，偏移一个平面，平移=6mm，形成plane 1，选择plane 1，进入草图设计模式，画如下草图：
图3.3
挖气环槽草图
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完成之后跳出草图设计，选择挖空命令完成的pocket 1如下：
进行挖气环槽，深度根据测量尺寸选择
深度=3mm，厚度选择厚度=5mm，其余参数选择默认设置。这样就绘制得到第一道气环槽。
图3.4
完成第一道气环槽的几何体
完成第一道气环槽之后，因为第一道气环槽与第二道气环槽几何尺寸完全相同，所以我们选择CATIA软件复制功能完成第二道气环槽的绘制。根据所测量得到的活塞环槽之间的距离绘制第二道环槽，选择阵列命令
，选择参数：实例为2，间距=5mm，其
余参数选择默认，目标选择pocket.1。完成之后如图3.5所示。
图3.5
完成第二道气环槽的几何体
发动机活塞热分析 21
这样活塞的两道气环就绘制完成了。在绘制气环完成之后进行绘制活塞的油环。选择pocket.1再继续阵列，参数选择为实例为2，间距=12mm，目标选择pocket.1。完成之后如图3.6所示。
图3.6
完成环槽后的几何体
3.2.4 绘制活塞头部 进草图界面画如下草图
跳出草图界面 选择挖空命令 完成pocket2
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进入另一草图界面，如图 画如下草图
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推出草图，选择groove
如图， 完成groove1 如图
进入草图设计 花如下草图
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退出草图 选择拉伸命令
完成如下图
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画图下草图
跳出草图选择挖空命令，type 选择 up to the next
画如下草图
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退出草图， 选择挖空命令
完成如图所示
选择平面命令，offset=85 完成plane2
选择plane2， 进入草图设计
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选择挖空命令 type 选择 up to the next 完成pocket 5
选择 part body 在用镜像命令，完成如图所示
进入草图设计 完成如下草图
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推出草图，选择挖空命令。，
单机确定，完成pocket.6 最后完成活塞设计 如下图
表题允许下页接写，接写时表题省略，表头应重复书写，并在右上方写“续表xx”。 发动机活塞热分析 29 续表2-1 组分 A4 A5 A6 A7 A8 ;图名位于图的正下方，用宋体小五号加粗;图表按章编号，例如表2-7为第二章第七个表;图3-1为第三章第1个图。
Hf(kcal/mol) Sf(kcal/mol) Cp(kcal/mol) 100 100 100
图2-1 气缸压力随曲轴转角变化的曲线
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5 结论
正文内容
中文小四号宋体，英文用小四号Times New Roman，首行缩进二个字，1.25倍行距。
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致 谢
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