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钢顶铝裙活塞组合的三维关的弹性应力分析

编辑:日照金港动力股份有限公司  时间:2016-10-20

钢顶铝裙活塞组合的三维关的弹性应力分析
钢顶铝裙活塞随着我国铁路向着客运高速和货运重载的方向 发展,用户对大功率机车柴油机的可靠性提出了更高的要求。在运行中钢顶铝裙组合活塞多次发生活塞裙裂纹甚至损坏[1~3],为了保证运行安全,分析其损坏的主要原因,并进行结构上的改进和优化,本文采用三维光弹性应力分析技术,对图1试验方案大功率机车柴油机钢顶铝裙组合活塞体的应力分布进行了试验研究。分析结果对进一步改进钢顶铝裙组合活塞体局部薄弱环节的结构设计提供了可靠的实验依据
钢顶铝裙活塞试验中采用三维光弹性冻结切片法[4],内容包 括:制作光弹性模型;设计加载装置;模型在加载情况下进行冻结;确定分析部位,进行切片、磨片;切片等差线图像采集与应力分析等。 模型与原型尺寸比例为1∶1。由于原活塞体内腔形状复杂,
难以加工,
钢顶铝裙活塞原型为铸造成型,所以模型采用精密浇铸与机械加工相结合的方法,
用硅橡胶混合液浇铸成内腔阳模,作为圆柱形模具的内芯,然后再浇制环氧树脂模型
,外型由机械加工成型。图2为活塞体内腔硅橡胶膜,图3为经过机加工的环氧树脂活塞体模型。环氧树脂混合液是由环氧树脂6101#、顺丁烯二酸酐和二丁酯按一定的配比混合而成。试验中因活塞销与螺栓的材料为合金钢,其弹性模量均较活塞体材料高3倍以上。经试验选择,螺栓与活塞销选用聚四氟乙烯材料加工而成,该材料在冻结温度下的弹模与环氧树脂材料冻结温度下的弹模比为3倍左右,满足试验要求。
钢顶铝裙活塞柴油机运行过程中,活塞受力较为复杂,有气缸 燃烧压力、活塞与连杆往复运动所产生的惯性力、燃烧时引起的热应力、装配时紧固螺栓的预紧力等。 试验仅考虑气缸燃烧压力和螺栓预紧力。试验时最大燃烧压力为15MPa,螺栓拧紧力为43132N,螺栓拧紧力矩为78.5N・m。试验中采用机械加载,使最大燃烧压力均匀施加在活塞顶圈内。在受载区域内加载一个同面积铝质圆环,在圆环下面加一层橡皮垫层,集中力通过分配梁作用于圆环再传递至活塞顶圈,使载荷均布。 在应力冻结试验前,先进行冻结临界温度的测试,得到所用材料的冻结临界温度为95℃,试验采用冻结温度为105℃,可以保证模型中等差线条纹出齐。将模型放在大型烘箱中加载,并按冻结曲线进行冻结。在模型应力冻结的同时,用与模型同样的材料制成的圆盘,在对径向受压加载情况下,同时进行应力冻结,以测试模型的材料条纹值。

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