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基于动力学的船用柴油机气阀热机接触特性及磨损研究.pdf

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基于动力学的船用柴油机气阀热机接触特性及磨损研究

摘要

进排气阀是柴油机配气机构的关键部件,控制新鲜空气进入气缸并排出燃烧后的废

气,其密封性和可靠性直接影响到柴油机的工作效率和寿命。随柴油机强化程度不断提

高,排放标准升级低硫油及清洁燃料的广泛应用,气阀长期工作于高温、高压环境下,

气阀与阀座之间润滑恶化,进而产生干摩擦。此外,气阀还承受缸内燃烧压力的周期循

环作用以及频繁开启闭合所带来的交变冲击载荷。热负荷和机械负荷的共同作用致使气

阀产生异常磨损,密封性能降低,导致燃油效率降低、排放增加以及噪音等问题,进一

步诱发气阀杆、阀座等其他相关部件的损坏,直接影响柴油机性能。为此,本文以柴油

机配气机构气阀为研究对象,考虑柴油机热载荷的影响,建立基于配气机构动力学的船

用柴油机气阀磨损预测模型,揭示气阀与阀座的磨损机理,为柴油机气阀的设计和磨损

预测提供理论指导。本文主要研究内容如下:

建立柴油机配气机构单阀系动力学模型,获取柴油机额定工况下进排气阀的升程、

速度、加速度随凸轮转角的变化规律,得到了进排气阀的运动状态和动力学特性。

以动力学计算结果为边界条件,建立气阀落座以及闭合时与阀座接触的有限元模型,

考虑气阀热载荷和机械载荷耦合作用,分析了气阀与阀座接触的应力场分布规律,获得

了热机耦合作用对气阀与阀座接触的影响规律。

基于气阀落座以及闭合时与阀座接触的热机耦合有限元分析,分析气阀磨损机理,

考虑气阀冲击磨损和滑动磨损,建立气阀磨损计算模型,对比热机耦合作用和机械载荷

作用下气阀磨损量大小,热机耦合作用下气阀磨损量增大。研究了表面涂层改性对气阀

磨损的影响,对比不同表面涂层材料下气阀与阀座接触应力场以及磨损量大小,氮化物

涂层有效改善气阀磨损。

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开展了销盘摩擦磨损基础试验。对比了工况参数以及表面材料对销盘磨损量的影

响,将试验结果与磨损模型计算得到磨损量进行对比,验证本文气阀磨损计算模型的合

理性和准确性。

本文针对船用柴油机气阀的热机接触特性及磨损问题,采用动力学建模、有限元分

析和实验验证等相结合的研究方法,对气阀磨损机理进行了探讨,揭示了热机耦合作用

下的磨损特性,为船用柴油机气阀的设计和维护提供了新的理论依据和技术支持。

哈尔滨工程大学硕士学位论文

关键词:气阀磨损;配气机构动力学;热机耦合;磨损机理;表面涂层

基于动力学的船用柴油机气阀热机接触特性及磨损研究

Abstract

Theintakeandexhaustvalvesarecriticalcomponentsofthevalvetrainindieselengines,

controllingtheentryoffreshairintothecylindersandtheexpulsionofburntgases.Their

sealingperformanceandreliabilitydirectlyaffecttheworkingefficiencyandlifespanofdiesel

engines.Asthelevelofdieselengineenhancementincreases,emissionstandardsareupgraded,

andtheuseofcleanfuelsbecomeswidespread,valvesoperateunderhigh-temperatureand

high-pressur

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