重载机车柴油机活塞可靠性关键技术的研究与应用

论文摘要

活塞是柴油机的心脏，活塞的可靠性和寿命直接关系到机车柴油机的效率、可靠性和寿命，提高活塞的可靠性是提高机车柴油机可靠性的重要环节。实施“提速重载”战略以来的一个时期内，我国铁路主型内燃机车的240／275、280／285系列柴油机活塞发生了批量的疲劳裂损和活塞环槽磨损超限故障。活塞的质量一度成为铁路运输安全的瓶颈。因此，提高活塞可靠性确保铁路运输安全意义重大。 为了解决制约柴油机可靠性的上述2个突出问题，本文以既有活塞的改进和新型活塞的研制为主线，着眼于柴油机乃至机车系统，从理论研究、试验研究和仿真分析三个方面对提高重载机车柴油机活塞可靠性的关键技术进行了五项研究。 1．活塞的基础试验研究和动力学仿真分析 开展了重载机车柴油机活塞工作负荷测试、机车柴油机轴系运动学动力学仿真分析、活塞失效模式及原因分析和活塞裙铝合金材料疲劳寿命测试研究等4个方面基础研究，掌握了活塞的工作条件，为活塞可靠性研究的开展奠定技术基础。 2．组合活塞仿真分析与试验协同验证研究 针对铁路机车提速、重载后，机车柴油机钢头铝裙活塞出现的批量的活塞裙裂损事故，进行了多接触体、多耦合场的基于有限元的数值方法研究，其中包括组合活塞的热传导、热-机耦合、接触等，进行了多品种多方案的机车柴油机组合活塞系统有限元数值仿真分析。并利用活塞裂损失效分析结果、活塞工作条件测试结果对有限元数值仿真的结果进行了试验验证和理论验证。组合活塞仿真分析与试验协同验证结果表明，活塞裙疲劳裂损失效的结构原因是活塞裙局部区域疲劳强度裕度不足。据此，优化了活塞结构，设计了新的组合活塞并付诸实施，解决了影响机车运营安全的活塞疲劳寿命低下的实际问题。据此改进和新设计的2种活塞获得了二项专利。 3．机车柴油机活塞环槽抗磨损技术研究 针对我国机车柴油机活塞环槽严重磨损超限问题，通过深入的调研分析、理论探讨和试验验证，研究了我国机车柴油机摩擦学研究现状及其磨损特性，系统地进行了活塞环槽异常磨损失效机理研究和失效原因分析，基于提高环槽耐磨性表面处理方法的优劣对比及国外经验和应用效果的综合，进行了活塞环与活塞环槽耐磨性快速磨损模拟试验，定量地比较了各种表面强化工艺的优劣，提出了一种综合解决活塞环槽异常磨损的方法。通过本方法筛选出了可行方案，进行了装车运用考核和推广应用，迅速提高了活塞环槽的耐磨性和使用寿命。 4．活塞加速寿命试验方法的研究及其热疲劳寿命的测定 以活塞为对象，研究分析了国内外机车柴油机活塞可靠性试验技术现状，对英国铁路柴油机验收试验规范和Mahle、KS等国际知名活塞企业的热疲劳加速试验关键环节的理论背景进行了综合和反求分析，在国内首次论证了柴油机负荷、活塞热应变和活塞温度之间的内在联系、证明了提高活塞温度模拟柴油机超负荷进行加速试验的合理性、建立了循环试验次数与活塞热疲劳寿命间的联系，提出了机车柴油机活塞热疲劳寿命试验与寿命评价新方法，并进行了试验验证。在此基础上，制订了机车柴油机活塞加速寿命试验规范，在

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 国内外机车柴油机可靠性现状
• 1.3 机车柴油机可靠性研究技术现状
• 1.4 机车柴油机活塞可靠性研究现状
• 1.5 本文拟作的工作
• 第二章 活塞试验测试和动力学仿真
• 2.1 活塞试验测试技术及实例
• 2.2 曲柄连杆机构动力学分析方法
• 2.3 机车柴油机轴系动力学仿真实例
• 2.4 活塞裙铝合金材料性能试验研究
• 本章小结
• 第三章 机车柴油机组合活塞有限元仿真分析
• 3.1 机车柴油机组合活塞裂损失效原因分析
• 3.2 组合活塞结构仿真分析路线
• 3.3 组合活塞仿真分析实例
• 3.4 仿真结果的检验和验证
• 本章小结
• 第四章 活塞环槽抗磨损技术研究与应用
• 4.1 活塞环槽抗磨损技术研究现状
• 4.2 活塞环槽磨损过快原因分析
• 4.3 活塞环槽与活塞环耐磨损试验
• 4.4 活塞环槽抗磨损技术研究与应用
• 4.5 其他方面的研究与应用
• 本章小结
• 第五章 机车柴油机活塞可靠性寿命试验研究
• 5.1 加速寿命试验原理
• 5.2 机车柴油机热疲劳寿命试验研究现状
• 5.3 活塞加速热疲劳寿命试验原理研究
• 5.4 活塞加速热疲劳寿命试验实例
• 本章小结
• 第六章 组合活塞可靠性研究的技术路线及应用
• 6.1 活塞新产品开发流程
• 6.2 活塞可靠性研究的技术路线
• 6.3 应用实例
• 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及完成的科研成果