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原文传递活塞金相组织对其可靠性影响的研究

论文题名：	活塞金相组织对其可靠性影响的研究
关键词：	活塞;金相组织;有限元分析;可靠性;柴油机车
摘要：	柴油机机车是国家运输业，重型机械等重要领域发展的核心动力。为了满足现代工业的发展，为了适应更高的要求，现代柴油机车的核心部件活塞正承受着前所未有的高热负荷和机械负荷的相互交替作用。目前，柴油机车的活塞所承受的最高爆发压力已经高达20MPa，如此高的爆发压力给活塞可靠性能带来了严峻挑战。铝合金活塞的承受能力也几乎到了极限，高负荷带来了一系列的活塞疲劳失效问题。因此，研究如何提高活塞的材料性能，从而减少活塞疲劳失效问题具有重要意义。　　本文以某型号柴油机活塞为研究对象，通过改善和提高活塞铸造工艺对其材料微观结构进行了改善；测试了1-4各等级金相活塞的物理性能和机械性能；采用有限元分析软件对其在热负荷及热机耦合作用下的温度场、应力场、应变情况进行模拟分析，并采用硬度塞法对活塞温度场进行试验测试；对第4级金相活塞顶部及燃烧室区域进行了局部重熔处理，对局部改善后的活塞进行了有限元热分析，并将其与普通活塞进行了热疲劳对比试验。主要研究内容如下：　　（1）在实验室中对1-4级不同金相组织活塞进行了材料性能测试，得到了各自的线膨胀系数、热导率、极限强度等材料属性随温度变化的情况。测试结果表明材料在高温下的总体性能明显降低，金相等级越高，材料性能的优势越明显。　　（2）在发动机台架上，采用硬度塞法对发动机1、3、5号气缸内的活塞温度场进行试验测试工作，得到了活塞表面各测点处的平均温度。　　（3）从温度场分布可以看出，1-4级金相活塞最高温度值随金相等级下降呈现递增趋势。1-4级金相活塞的温度差值在活塞头部较为明显，活塞燃烧室的高温区域随金相等级降低呈现扩大趋势。从热流密度场研究了活塞热量的传导方向，冷却油腔和第一环槽对活塞头部冷却起到了主导作用。热应力场中，喉口处热应力较为集中，最大热应力值随活塞金相等级下降而增大。1-4级金相活塞的热变形最大值均小于活塞与气缸间隙。　　（4）对1-4级金相活塞的热机耦合场进行分析得出，耦合应力和耦合变形均随活塞金相等级的下降呈现增大趋势。从耦合应力场总体分布来看，热负荷对耦合应力影响区域主要集中在活塞头部，而机械负荷的影响区域则集中在销座。耦合应力值在销座、第二环槽、喉口区域分布较大，3个区域处的许用应力值与耦合应力值的差值随金相等级的下降呈下降趋势，得出活塞金相等级越高其可靠性能越强；通过对比活塞在销座喉口处的第一主应力和第三主应力分布情况，从微观金相层面探讨了拉压应力的作用对活塞局部裂纹产生的重要机理。　　（5）对第4级金相活塞顶部进行局部金相重熔处理，并对改善后的活塞进行了有限元热分析。模拟结果表明，重熔后的活塞相比未经局部处理的活塞最高温度下降了2℃，喉口处的热应力值下降了6.6MPa。重熔活塞在热疲劳试验过程中顶部及喉口区域未发生疲劳开裂行为，相比普通活塞寿命值提高3倍。
作者：	刘延栋
专业：	动力机械及工程
导师：	刘世英
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东理工大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文