基于ANSYS的气缸套铸件冷却过程分析与研究_林岚.pdf

内燃机与配件 基于 的气缸套铸件冷却过程分析与研究林岚，王春荣，阎涛，兰道潘，刘栋，陈磊，谢浪生（福建龙生机械有限公司，福建 闽侯县 ；三明学院 机电工程学院，福建 三明 ；河南中原吉凯恩气缸套有限公司，河南 孟州 ；中原内配集团股份有限公司，河南 孟州 ；福建荣建集团有限公司，福建 龙岩 ；福建西南建设有限公司，福建 龙岩 ）摘要：为了使气缸套的冷却过程中能获得有益的金相组织、提高气缸套的性能，本文以某一型号气缸套为研究对象，对其铸件冷却过程进行分析研究。首先，利用 软件建立气缸套的三维模型，并将其导入 软件中构建其有限元模型。其次，分析了气缸套铸件在自然冷却与风冷炉快速冷却时的温度场分布情况。结果表明，气缸套在风冷炉快速冷却过程的温度下降的速度比自然冷却的快。此外，可将气缸套铸件放入风冷炉中进行快速的冷却，再放入保温炉中进行自然冷却，延迟贝氏体产生时间，通过缓慢的冷却，达到气缸套铸件的整体贝氏体，使得气缸套的综合力学性能、强度、刚度、塑形以及韧性得到明显提高，提高气缸套的使用寿命。关键词：气缸套；冷却过程；温度场中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，；，；，）：，：；作者简介：林岚（一），女，福建武平，福建龙生机械有限公司总经理，研究生，主要从事缸套新材料，新工艺的研发，生产和应用。汽缸套是汽车发动机的重要的零件之一，同时也影响着发动机的性能指标。通常来说，气缸套的加工时首先进行离心铸件，然后再经过一系列的车、磨等工序。在离心铸造加工时，防止冷却过程中奥氏体向珠光体的转变，对气缸套的性能有着重要的影响。传统的对气缸套冷却过程的研究主要通过实验测试和经验法，这些方法在处理复杂问题的时难以得到理想的解，且精度较低。近年来数值分析方法发展迅速，为气缸套的冷却过程研究提供了一种新思路。本文以某一型号气缸套为研究对象，利用 软件分析气缸套铸件在自然冷却与风冷炉快速冷却时的温度场分布情况。首先建立了该型号气缸套的三维模型和有限元模型，然后进行初始化设置，最后获得了两种冷却方法的温度场变化数值模拟结果。本文的研究结果，能为获得较好的气缸套力学性能提供了一种有效的冷却方法。气缸套模型的建立图气缸套DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.009 年第期本文以某一型号的气缸套为研究对象，如图所示，其长为 、大端圆外径为 、内径为 、外端圆径为 。利用 与 的接口，直接将在 软件建立的气缸套三维模型导入 中，并对其进行网格划分，得到如图所示的有限元模型，其单元总的单元格数是 ，关键节点的总数是 。图气缸套有限元模型数据定义及其前处理气缸套的质料是为贝氏体的合金铸铁，其材料密度是 ，泊松比是，其他的关键系数可以通过表查询。表气缸套铸件材料的热物性参数温度弹性模量线性膨胀系数导热系数比热容 在 软件中定义气缸套各种的材料属性，如泊松比、弹性模量等。此外，还需进行以下定义：（）在“”菜单中定位瞬态热分析参数：最大时间载荷步、时间载荷步间隔大小；（）在“”菜单中，输入温度的初始值；（）在“”菜单中点击 ，后可以在文本框中输入个对流换热系数。汽缸套自然冷却与快速冷却分析 汽缸套自然冷却分析气缸套的自然冷却在保温炉进行，设置环境温度为 度，选择的温度场分布的时间为 ，以及 不同时间的温度场进行比较，仿真结果如图所示。图 秒时温度场分布图 秒时温度场分布图 秒时温度场分布图 秒时温度场分布分析以上结果可以知道，在保温炉 度时气缸套冷却过程是缓慢的，在 ，中比较当中，气缸套大部分由暗黄色向黄色转变，暗黄色温度高，内表面比外表面暗黄色多且深。在 ，中可以看出，内外表面逐步接近为黄色部分，内外表面的温差小，不足度，这是因为在保温炉自然冷却过程中，内外表面的换热系数相差不大。气缸套上端部分以及内表面的外部为红色，这是由于气缸套直立在保温炉中，气缸套上端接触炉面，形成半封闭或者在冷却过程中接触气流少，这样换热系数低，随着时间推移，红色部分逐渐减少到消失。在气缸套局部少数出现低温点 度，主要出现在气缸套两端外围角，因为网格节点接触面大，相对冷却快。在 秒到 秒之间，总的来说，气缸套在 度到 度之间，处于珠光体温度区域，在长时间中，不可避免产生大量的珠光体。汽缸套快速冷却分析气缸套的快速冷却在风冷炉进行，设置环境温度为 度，选择的温度场分布的时间为 和 不同时间的温度场进行比较，仿真结果如图所示。内燃机与配件 图风冷却下 秒时温度场分布图风冷却下 秒时温度场分布分析以上结果可知，从风冷 以及 的温度场分布图中黄色部分从中间向两端延伸，两端大部分为浅绿色。在 的温度场分布图中，黄色温度为 度，浅绿色为 度，相差 度；在 秒的温度场分布图中，黄色温度为 度，浅绿色为 度，相差 度。在 秒的温度场分布图中，气缸套内表面温度绝大部分为黄色，而外表面浅绿色占据很大部分，特别是在 秒温度场分布很明显。总的来说，在风冷却过程中，在轴向上温度从中间向两端递减，内表面向外表面递减。气缸套上端局部出现小部分红色区域，这是因为上端表面使用经验公式算出对流系数低，换热程度小。随着时间的推移红色区域逐渐减少，甚至消失。在 的温度场分布图中，气缸套总体最高温度小于 ，最低温度为 度，在气缸套两端以及内部面两端。可以看出，在径向、轴向上分布不均匀，温度从中心轴向两端递减，直径方向上从内表面向外部面递减。在风冷中 到 之间，达到贝氏体金相组织，可以出炉，金相自然冷却。两种冷却方式对比从上图中可以看出，在强风冷却过程中，温度下降的速度是比自然冷却较快，在强制风冷情况下，在 秒内下降为 度到 度左右，而自然冷却情况下，在 秒内下降为 左右，相差 度。在强制风冷过程中，大约每 秒下降 度，在大约 秒左右，斜率变陡峭大约每秒下降 度每 秒，自然冷却中，大约每 秒下降 度，在大约 秒左右，斜率变陡峭大约每秒下度每 秒。通过图中还可知道，快速风冷的温度分布不均，表现在中心轴方向和直径方向，温度分布有差异，存在较大的温度差异。在气缸套中心轴横向上，温度从中间向两端逐渐降低，在径向上，从内表面向外表面逐渐的降低，这是因为铸件本身，在快速冷却时间内，不同表面部位的热交换系数是不一样的，因为不同所以造成了这样的结果。铸件在自然冷却下，冷却较为缓慢，而且通过图中，可知道温度差异主要在轴向上体现，径向上同一高度的温度基本保持一样，这是因为铸件在自然冷却过程中，在内外表面温度的换热系数基本上保持一致的。在铸件中心轴平行方向上，从铸件的顶端向低端铸件的降低，上半部分温度冷却较慢，下半部分冷却较为快。这是因为下半部分在自然冷却过程中在风冷炉中是接触金属链板的，热传导，系数较高，自然冷却要在保温炉里自然冷却 秒左右，出炉最高温度 最低温度为 ，相差 度。综上所述，快速风冷却比较自然冷却效果好，自然冷却可以在气缸套铸件在风冷中避开珠光体区域，更有利于贝氏体（度到 度之间）的产生中。在气缸套铸件生产工艺过程中，最佳的温控方法是，气缸套铸件在来离心膜后，放入风冷炉中进行快速的冷却，在达到 度温度以下时候，约在 出炉，再放入保温炉中进行自然冷却，延迟贝氏体产生时间。通过缓慢的冷却，达到气缸套铸件的整体贝氏体，使得气缸套的综合力学性能、强度、刚度、塑形以及韧性得到明显提高，提高气缸套的使用寿命。结论为提高气缸套强度、刚度、塑形以及韧性等力学性能，本文对利用 软件对气缸套铸件冷却过程进行了分析研究。通过计算气缸套铸件在不同时间的整体温度场的分布情况，不同时间的气缸套铸件的温度云图。分析了自然冷却与风冷时气缸套的温度场分布情况，对比两张冷却方法的优缺点，得出最佳冷却方法，为气缸套铸件冷却提供了参考借鉴。参考文献：魏剑，高浩，刘建军，高广东，吴龙发动机气缸套渗陶试验三明学院学报，（）：田晓光 气缸套内表面激光造型珩磨加工 内燃机与配件，（）：高浩，刘建军，高广东，等气缸套离心铸造智能化中央控制系统研究内燃机与配件，（）：陈文滨，王子淳，徐久军 轴向分区冷却方式对气缸套活塞环摩擦功耗影响的仿真研究大连海事大学学报，（）：王耀耀，杨保海气缸套铸件控制冷却过程温度场数值分析兰州理工大学学报，（）：庞浩，袁栋，王飞 发动机气缸套变形对润滑油膜影响的数值分析机械制造，（）：夏冬生，张会臣，张信伟基于 的柴油机气缸套冷却水空 化 特 性 数 值 分 析 内 燃 机 学 报，（）：汤必强基于 的气缸套热传导及强度分析系统开发 合肥工业大学，（）：