Tính toán và phân tích ứng suất cụm piston xylanh của động cơ không trục khuỷu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ THÁI VĂN HIỆP TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT CỤM PISTON - XYLANH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ THÁI VĂN HIỆP ĐỀ TÀI : TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT CỤM PISTON- XYLANH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU NGHÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN TRẠNG Tp.Hồ Chí Minh Tháng 10 Năm 2022 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ Tên : THÁI VĂN HIỆP Giới tính: Nam Ngày,tháng, năm sinh: 08/08/1995 Nơi Sinh :Cà Mau Quê quán :Xã cát thành, Huyện phù cát , Tỉnh Bình Định Dân tộc :Kinh Chỗ riêng địa liên hệ : Khóm ,TT Sơng Đốc , Trần Văn Thời ,Cà Mau Điện thoại quan: Điện thoại riêng : 0857602345 Fax: Email: thaivanhiep1995@gmail.com II.QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại Học Hệ đào tạo : Đại Học quy Thời gian đào tạo từ 09/2013 đến 03/2019 Nơi Học: Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM Ngành Học : Cơ khí tơ Tên đồ án, luận án mơn thi tốt nghiệp: “QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SỬA CHỮA ĐỘNG CƠ DIESEL 4M40 TRÊN XE TẢI MISUBISHI CANTER GUTS XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ XE TẢI NHẸ” Ngày nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp:24/03/2019 Người hướng dẫn : Th.S TRẦN ĐỨC KẾT III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 12/2019-8/2020 Cao đẳng công nghệ cao Giảng viên Đồng An Từ 8/2020 đến Cao đẳng giao thông Giảng viên (thỉnh giảng) vận tải Tp.hcm i lưới cằng mịn tốt tùy thuộc vào cấu hình máy tính mà ta chọn phương pháp, độ mịn lưới cho phù hợp Hình PL Import geometry vào phần mềm ansys Hình PL Chọn đặc tính vật liệu cho chi tiết 96 Hình PL 4:Chia lưới tự động Ansys Bước 5: Thiết lập điều kiện biên nhiệt độ cho chi tiết ta chọn vào Steady- State Thermal sau ta insert vào q trình trao đổi nhiệt chọn Convection, nhập thông số hệ số dẫn nhiệt, nhiệt độ mơi trường tính tốn lựa chọn Bảng 3.4 Bảng 3.6 - Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu đỉnh piston nhiệt độ môi trường 863.4 (K) hệ số dẫn nhiệt 831 (W/m2.K) Hình PL1.5 - Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu bên mặt bên đỉnh piston, nhiệt độ môi trường 573,15 (K) hệ số dẫn nhiệt 230 (W/m2.K) Hình PL1.6 - Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu khuc vực rãnh piston, nhiệt độ môi trường 383,15 (K) hệ số dẫn nhiệt 200 (W/m2.K) Hình PL1.7 - Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu khu vực thân piston, nhiệt độ môi trường358,15 (K) hệ số dẫn nhiệt 400 (W/m2.K) Hình PL1.8 -Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu khu vực váy piston,nhiệt độ môi trường 358,15 (K) hệ số dẫn nhiệt 400 (W/m2.K) Hình PL1.9 97 Hình PL Quá trình trao đổi nhiệt khu vực đỉnh piston Hình PL Quá trình trao đổi nhiệt bề mặt bên đỉnh piston 98 Hình PL 7Quá trình trao đổi nhiệt vực rãnh piston Hình PL Quá trình trao đổi nhiệt khu vực thân piston 99 Hình PL Quá trình trao nhiệt độ khu vực đáy piston Chạy mơ trích xuất kết thơng qua liệu dạng số, bảng, hình ảnh thành nhiều cách graph, worksheet, sau ta sử dụng thơng số liệu để phân tích ứng suất nhiệt cho chi tiết Ta chọn Modul Static structural dựa vào dự liệu phân bố nhiệt để phân bố chi tiết thiêt lập ứng suất ứng suất học lên chi tiết để phân tích ứng suất cơ-nhiệt cho chi tiết  Quy trình phân tích ứng suất Cơ – Nhiệt chi tiết piston Sau phân tích thơng lượng nhiệt nhiệt độ phân bố chi tiết piston ta sử dụng kết phân tích để phân tích ứng suất nhiệt cho chi tiết Bước 1: Chọn Modul Static Structural để phân tích ứng suất cơ- nhiệt trạng thái tĩnh Hình PL1.10 Bước 2: Nhấn chuột phải vào Modul Static Structural > import load > Steady state thermal vào chi tiết phân tích Hình PL1.11 100 Bước 3: Nhấn chuột phải vào Modul Static Structural > insert > Pressure để chèn áp suất khí cháy vào đỉnh piston Hình PL1.12 Hình PL 10 18 Modul Static Strutural phân tích ứng suất – nhiệt Hình PL 11 Chèn tải nhiệt cho chi tiết Piston 101 Hình PL 12 Đặt tải áp suất cho chi tiết Piston Bước 4: Nhấn chuột phải vào Modul Static Structural > insert > Pressure để chèn áp suất khí cháy vào đỉnh piston Hình PL1.13 Hình PL 13 Cố định chốt piston mô Fixed Support Bước 5: mục chọn sau chọn để tiến chạy mô Tương tự ta thiết lập điều kiện để mơ hình phân tích ứng suất cơ- nhiệt cho chi tiết xy lanh phần mềm ANSYS 102 TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT CHI TIẾT PISTON CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU CALCULATION AND STRESS ANALYSIS OF PISTON OF FREE PISTON ENGINE Nguyen Van Trang1, Thai Van Hiep2 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TĨM TẮT Phân tích điều kiện làm việc động không trục khuỷu thông(FPE - Free piston engine) qua tải - nhiệt tác dụn piston để so sánh với động hai kỳ truyền thống từ cải tiến lại chi tiết Phương pháp tính tốn tải tác dụng chi tiết lựa chọn điều kiện biên hoạt động động cơ.Mơ hình Piston dựng phân mềm Inventor Phân tích ứng suất nhiệt phần mềm Ansys.Kết mô cho ta thấy với điều kiện làm việc động không trục khuỷu phương pháp cải tiến vị trí chiều dày bệ thành chốt piston, chiều dày thân piston, chiều dày đỉnh piston vật liệu piston để giúp piston giảm khối lượng hồn tồn khả thi Từ khóa: Động không trục khuỷu ; Tải nhiệt ; Piston ; Ứng suất ; Ansys… ABSTRACT Analyze the working conditions of the free piston engine through the mechanical load - the heat acting on the piston to compare with the traditional two-stroke engine, thereby improving the piston The method of calculating the load effect on the piston and selecting the operating boundary conditions of the engine The model of the piston is built on the Inventor software and the mechanical and thermal stress analysis on the Ansys software The simulation shows that under the working conditions of the free piston engine, the method is improved at positions such as piston pin wall thickness, piston body thickness, piston top thickness and piston material to help reduce pistons is workable Keywords:Free piston engine; Mechanical and thermal loads; Pistons ;Stress ; Ansys… 103 GIỚI THIỆU FPE thay đầy hứa hẹn cho động đốt thông thường (ICE) có khả hoạt động với hiệu suất cao tạo lượng khí thải độc hại thấp Sự vắng mặt cấu trục khuỷu điểm khác biệt FPE ICE thông thường đổi theo tải, dẫn đến trình cháy giản nở động FPE diễn nhanh miêu tả cháy vùng, điều làm giảm tổn thất truyền nhiệt truyền xylanh hình thành khí thải phụ thuộc nhiệt độ Sử dụng mơ hình mơ dự đốn tốc độ truyền nhiệt nhiệt độ lòng xy lanh so sánh cho động FPE động hai kỳ thơng thường thể qua hình Hình 1: Cấu tạo động FPE Mơ hình cấu tạo động FPE tương tự sử dụng động hai kỳ truyền thống nhóm nghiên cứu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM phát triển Các nghiên cứu Đặc tính q trình nạp động FPE [1] Nguyên lý hoạt động động FPE chuyển động tịnh tiến Điều cho thấy có khác biệt tải tác dụng lên piston Hiện chưa có báo đề cập đến phân tích điều kiện làm việc động FPE cải tiến chi tiết piston sử dụng lại từ động hai kỳ truyền thống Việt Nam Nghiên cứu tập trung vào phân tích điều kiện làm việc động FPE cấu hình kép.Tính tốn tải nhiệt tác dụng lên chi tiết giới hạn dựa điều kiện biên kế thừa Đánh giá Ứng suất biến dạng phân bố piston phần mềm Ansys đưa phương pháp cải tiến lại chi tiết piston PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU 2.1 Nhiệt độ buồng đốt động Tỷ số nén động hai kỳ thay đổi không đáng kể q trình cháy diễn khơng nhanh cháy nhiều vùng, Hình Nhiệt độ cháy lòng xylanh nhiệt mát động FPE động hai kỳ [2] Mô dự đoán động FPE 17,4% nhiệt lượng nhiên liệu bị thất cho q trình truyền nhiệt xy lanh Đối với động hai kỳ thông thường giá trị 18,7% Q trình cháy cịn ảnh hưởng trình nạp hỗn hợp động xăng, ảnh hướng đến cơng suất, tính tiêu hao nhiên liệu, đặc biệt đến độ bền chi tiết piston trực tiếp, tiếp xúc với nhiệt độ trình cháy động Nhiệt lượng sinh buồng đốt động tính theo định luật nhiệt động thứ nhất: Qc  mb H c c (1) Trong đó: Qc :Nhiệt lượng chát (J), mb :khối lượng nhiên liệu (kg), H c :Nhiệt trị thất (MJ/kg),  c : Hiệu suất trình cháy (%) động FPE tỷ số nén động thay 104 Khối lượng nạp hỗn hợp nạp vào phụ thuộc nhiều yếu tố: góc đóng, mở sớm cửa quét xả , chuyển động dịng khí, độ nhớt hỗn hợp…đối với động hai kỳ thông thường chuyển động dịng khí phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu tốc độ dịch chuyển piston diễn nhanh dẫn đến độ trễ chuyển động dịng khí nhỏ làm hiệu suất q trình nạp tăng.Nhưng với động FPE chuyển động piston tương đối chậm độ trễ dòng khí lớn làm cho hiệu suất nạp động giảm Hình 4.Đồ thị thể thay đổi tỷ lệ hỗn hợp đến hiệu suất nhiệt động cơ[1] Mô hiệu suất động FPE so sánh với động hai kỳ truyền thống với tải thay đổi Vì khơng có giả định đưa hiệu suất học động thông thường, nên việc so sánh thực sở giá trị thị (trong xylanh) Hiệu suất nhiệt động FPE toàn chế độ tải lớn động hai kỳ truyền dẫn đến giảm tổn thất truyền nhiệt, tổn thất ma sát thấp động piston tự Hình Quá trình nạp động FPE Hỗn hợp nạp vào toàn buồng đốt tính theo lý thuyết: (2) m a   nap p 0V s Trong đó: m a : Khối lượng khơng khí nạp vào 2.2 Tải trọng tác dụng lên chi tiết piston Chi tiết Piston phải chịu lực lớn từ áp suất khí thể, nhiệt độ cháy Khi piston chuyển động có lực chống lại chuyển động piston gồm lực nén piston đối diện, tải trọng, ma sát (kg),  nap : Hiệu suất trình nạp (%), p :Áp suất mơi trường (Pa), V s : Thể tích quét (m3) Những thành phần hỗn hợp khí nạp vào buồng đốt ảnh hưởng nhiều yếu tố, chế độ làm việc động cơ, áp suất, mật độ khơng khí, ma sát dịng khí…Hiệu suất q trình nạp động hai kỳ  nap  79.49% động FPE  nap  78.40% [3] Ảnh hưởng tỷ lệ nhiên liệu-khơng khí đến cơng suất hiệu suất động Do để động hoạt động liên tục với công suất thay đổi mà giữ cho nhiệt độ động bình thường tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu- khơng Hình Lực tác dụng chi tiết piston Áp dụng định luật Newton cân chuyển động cụm chi tiết hình  Fx  mp khí phải thay đổi liên tục phù hợp với chế độ tải, tốc độ hoạt động động 105 d 2x   Pc  Pr  Apis  Ff  FL (3) dt Trong : m p : Khối lượng chuyển động (kg), dQh  hg At (Tg  Ts ) dt Pc : Áp suất khí cháy (N/m2), Pr : Áp suất nén nhiệt (hg): xác định công [4] (N/m2), A p is :Diện tích bề mặt đỉnh piston(m2), 0,8 F f : Lực ma sát (N), FL : Tải học (N) 0,8  p  0,4 hg  130V   Tc  v p  1,  (8)  10  Trong : V: thể tích tức thời (m3), p: áp suất buồng đốt (Pa), Tc; Nhiệt độ buồng đốt (K), v p : vận tốc trung bình piston (m/s) 0,06 TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG PISTON 3.1 Mơ hình động FPE Mơ hình động FPE cải tiến từ động hai kỳ truyền thống ECO2EHR Hình Kết cấu piston động ECO2EHR Bảng 1.Thông số kỹ thuật Piston STT Thơng số Đường kính Piston(mm) Khoảng cách từ cửa xả tới nắp máy(mm) Thể tích động cơ(cm 3) Tỉ số nén động Giá trị 34 1,5 Chiều dày phần thân 19 Hình Đồ thị nhiệt độ trung bình tiếp xúc bề mặt buồng đốt Thơng qua phương trình truyền nhiệt cơng Ta có nhiệt độ áp suất lòng xy lanh:  1 1,4  pc  Q  20,386 Vc 2,155 106 Tc  Hình Đồ thị truyền nhiệt buồng đốt theo chuyển vị piston Nhiệt độ trung bình tiếp xúc với bề mặt buồng đốt: Q (9) Ts  Tg  h hg At 172,41 3.2 Tải tác dụng lên piston Nhiệt lượng tỏa trình cháy chu kỳ: Qc  mb H c  c  15,10  10 7  43,  0,85 (4)  55, 70  106 ( MJ )  55, 70( J )  3,783(MPa) (7) Hệ số dẫn thức(8) Hohenberg [3] cho động xăng hai kỳ truyền thống cho động FPE (5) điều kiện làm việc, hệ số truyền nhiệt Qc 55,  7 mb cv 15,110  20,785 103 (hg) lớn giới hạn Hệ số truyền nhiệt động hai kỳ nhỏ động FPE  1774,71( K ) (6) Quá trình trao đổi nhiệt buồng đốtvà lượng nhiệt truyền tải từ buồng đốt đến bề mặt chi tiết piston xác định 0,13% đuợc thể đồ thị Hình nhiệt độ trung bình tiếp xúc khí cháy tới bề mặt lòng xy lanh động hai kỳ lớn 106 động FPE (hình 8.) Điều cho thấy Nhiệt độ khu vực rảnh xéc măng piston nhiệt (B) Nhiệt độ bề mặt bên đỉnh piston (C) Nhiệt độ bề mặt đáy piston (D) tổn thất nhiệt động FPE nhỏ động kỳ dẫn đến tải nhiệt chi tiết Piston động FPE thấp động hai kỳ Bảng 2.Hệ số dẫn nhiệt nhiệt độ tiếp xúc bề mặt động giới hạn Hệ số dẫn Nhiệt độ TB 383 200 TC 573 230 TD 358 400 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG nhiệt (hg) tiếp xúc bề (W/m2.K) mặt (K) Động hai kỳ 829,9 877,9 Động FPE 831 863,4 3.3 Mơ hình mơ Bảng Đặc Tính vật Liệu Piston Vật liệu chế Đơn vị tạo Piston AlSi Hệ số dẫn nhiệt 155 (W/m0C) Trọng riêng Nhiệt riêng 2770 (kg/m3) 875 (J/kg0C) lượng dung Hệ số Poisson Hình 9.Điều kiện biên nhiệt piston 0.28 Hệ số dãn nở 21 nhiệt (10-6/0C) Modul đàn hồi 80 (GPa) Giới hạn chảy 270 (Mpa) Độ bền kéo 480 (Mpa) Hình 10 : Nhiệt độ phân bố đỉnh piston Bảng Điều kiện biên mô phỏng[5] Hệ số Nhiệt Ký trao đổi độ hiệu nhiệt (K) (W/m2.K) Nhiệt độ bề mặt thân piston TA 358 400 (A) Hình 11 : Nhiệt độ phân bố bề mặt bên piston 107 Nhiệt độ cao piston tâm định piston nơi tiếp xúc trực tiếp với mơi chất cháy, nơi có nhiệt độ lớn piston Nhiệt độ lớn khoảng 545(K) tâm đỉnh piston Do đặc tính vật liệu hợp kim nhơm có tính dẫn nhiệt cao, nhiệt lượng truyền từ tâm đỉnh piston tới rảnh xéc măng thân piston Nhiệt độ giảm dần từ tâm đỉnh đến viền đỉnh piston nơi có nhiệt độ thấp 530,47(K) thể đồ thị hình 10 Sự chênh lệnh nhiệt vùng cao với thấp bề mặt đỉnh piston 15,47 (K) tương đương 2,66% Bề mặt đỉnh piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy ngồi phân bố nhiệt bề mặt đỉnh piston, truyền xuống thân piston bề mặt lòng piston để trao đổi nhiệt bên chi tiết, nhiệt độ bề mặt bên thân piston thể thơng qua hình 11 Nhiệt độ cao bề mặt gần đỉnh piston có nhiệt độ 530,29(K) giảm dần xuống đến rãnh xéc măng số nhiệt độ 505,98(K) bắt đầu giảm mạnh xuống tới bề mặt phân thân piston, nhiệt độ thấp thân piston khoảng 412,99(K) nơi có góc bo Ngay sau rãnh xéc-măng thứ hai có ứng suất nhiệt cao đáng kể (trên 150 MPa) Nguyên nhân khu vực chịu nhiệt độ cao vật liệu mỏng vùng khác Càng xuống cuối piston, ứng suất nhiệt nhỏ nhiệt độ giảm dần chênh lệch nhiệt độ nhỏ Ứng suất vị trí phần dẫn hướng 40 (MPa) Ở cuối phần dẫn hướng, ứng suất đạt giá trị nhỏ (chỉ 0,016998 Mpa KẾT LUẬN Điều kiện làm việc piston động FPE hoạt động 100% công suất với áp suất khí cháy 3,783 MPa, tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ khí cháy 863,4(K) với hệ số dẫn nhiệt đối lưu 831 (W/m2K), nhiệt độ môi trường 297(K) vận tốc trung bình piston 1,65 (m/s) Ứng suất nhiệt lớn tác dụng lên chi tiết piston 928,89 (MPa) chốt pistion nhỏ ứng suất ban đầu chi tiết piston động hai kỳ 939,03 (MPa) nằm giới hạn an toàn ứng suất đàn hồi cho phép 80 (GPa) Chi tiết piston không chịu lực ngang bề mặt phần thân dẫn hướng piston có ứng suất nhỏ dao động từ khoảng 10 (MPa) đến 30 (MPa) Do khu vực quanh bệ chốt piston, thân piston đỉnh piston động FPE dư ứng suất so với ứng suất ban đầu tính tốn chi tiết, cần cải tiến khu vực Hình 12 : Ứng suất phân bố chi tiết piston Ứng suất lớn xảy lỗ bệ chốt piston 928,,89(MPa) khung vực quanh lỗ bệ chốt pis ton dao động 140,73 (MPa) đến 265,92 (MPa) Đa số khu vực khác có ứng suất khoảng (MPa) đến 50 (MPa) Một đặc điểm quan suất lớn trọng ứng suất trục chốt piston thể hình 12 Khu vực có ứng khác mặt đỉnh piston khu vực tập trung nhiệt độ cao, vật liệu bị suy yếu Ứng suất lớn khu vực 309,49(MPa) ngồi rìa mặt piston 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chu Tuấn Anh, Luân văn Thạc sĩ Kỹ Thuật “Đánh giá đặc tính q trình nạp động free piston cỡ nhỏ” Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 5,2020 [2]R Mikalsen,A.P.Roskilly “The design and simulation of a two-stroke free-piston compression ignition engine for electrical power generation” [3] Jinlong Mao,Zhengxing Zuo,Wen Li, Huihua Feng “Multi-dimensional cavenging analysis of a free-piston linear alternator based on numerical imulation” [4] Hohenberg GF.Advanced approaches for heat transfer calculations SAE special publications SP-449; 1979 pp 61–79 [5] Ramazan ŞENER, “Design and Thermal Analysis of Free Piston Linear Generator using In Range Extended Electric Vehicles”,International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249 – 8958, Volume-6, Issue-2, December 2016 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Thái Văn Hiệp Đơn vị: Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh Điện thoại:0857602345 Email: thaivanhiep1995@gmail.com S K L 0 ... hoạt động loại động piston tự - Phân tích Tính tốn nhiệt động lực học tác dụng cụm Piston –Xy lanh - Mơ hình hóa phân tích ứng suất cụm chi tiết Piston - Xylanh phần mềm INVENTOR ANSYS - Phân tích. .. dụng Piston – Xy lanh phải đủ độ bền Để làm điều luận văn “TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT CỤM PISTON – XY LANH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU” đưa kết cấu thông số tối ưu cho cụm chi tiết PistonXylanh... nguyên lý động khơng trục khuỷu- Free Piston Engine Tìm đọc tài liệu tính tốn nhiệt động lực học sau phân tích ứng suất cụm chi tiết Piston- xylanh làm việc điều kiện động không trục khuỷu đưa