3.3.2.I. Thuật toán tính toán trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt
Sơ đồ thuật toán tính toán trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt như trên Hình 3.8 ^ B ắ t đ ầ u ^ ) ị Nhập mô hình hình học, a, T ị Tính: [D], [Ke], [Ce] T = To, 8 = 80 T = Tn+i; 8 = 8N+1 S — c i >= n :> ị Đ In kết quả
Hình 3.8. Sơ đồ thuât toán xác đinh trường nhiêt đô và biến dang nhiêt• • o • • • o • Sau khi khởi động chương trình bắt đầu nhập mô hình hình học của ống lót hoặc pít tông và các điều kiện biên là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt
độ. Tính toán các ma trận hệ số dẫn nhiệt [D], hệ số dẫn nhiệt phần tử [Ke], nhiệt dung phần tử [Ce]. Gán các giá trị nhiệt độ và biến dạng nhiệt ban đầu và tính toán. Sau khi tính toán đạt yêu cầu bước tính thì xuất kết quả.
3.3.2.2. Điều kiện biên trao đổi nhiệt của cặp p ít tông - xi lanh
Từ các công thức tính điều kiện biên ở phần 3.3.1 ta tính toán được các điều kiện biên của cặp pít tông, xi lanh ở các chế độ tải khác nhau. Trong Bảng 3.4 đến Bảng 3.7 là hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán của ống lót xi lanh và pít tông ở chế độ 1GG% và 6G% tải. Hệ số trao đổi nhiệt và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán ở các chế độ (SG, 4G, 2G)% tải được trình bày trong Phụ lục 2.
Bảng 3.4. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán của ống lót xi lanh động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 1GG% tải
Bê m ăt 1 2 3 4 5 6 7 axl, [W/m2.K] 292,7 27G,7 3G6 172,S 144,4 2G1,4 1GG,7 Txl, [K] 1G66 916 S51 731 69G 66S 534 Bê m at 8 9 10 11 12 13 14 axl, [W/m2.K] 5GG 5GG 55GG 55GG 9G7 2GGG 2GG Txl, [K] 45G 3SG 457 46S 3G3 313 343
của pít tông động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 1GG% tải
Bê m at 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 a, [W/m2.K] 293 146 421 G 47S6 9S 421 G 47S6 9S 421 G Tm, [K] 1G66 S53 3S2 3S2 3S2 567 37S 37S 37S 5S9 375 375 Bê m at 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 a, [W/m2.K] 47S6 9S 421 G 47S6 9S 421 G 47S6 9S 9G 72 Tm, [K] 375 537 373 373 373 34S 352 352 352 34S 335 335
của ống lót xi lanh động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 6G% tải
Bê m at 1 2 3 4 5 6 7 axl, [W/m2.K] 272,4 253 294 177,S 151 2GS 1G4 Txl, [K] S39,9 755 739 639 6G3 577 461 Bê m at 8 9 10 11 12 13 14 axl, [W/m2.K] 5GG 5GG 55GG 55GG 1199,S 2GGG 2GG Txl, [K] 45G 35G 397 4G3 313 313 343
Bảng 3.7. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và nhiệt độ tại các bề mặt tính toán của pít tông động cơ 6^12/14 ở chế độ 60% tải
Bê m ặt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 a, [W/m2.K] 272 136 421 0 4786 91 421 0 4786 91 421 0 Tm, [K] 840 672 364 364 364 447 360 360 360 464 357 357 Bê m ặt 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 a, [W/m2.K] 4786 91 421 0 4786 91 421 0 4786 91 90 72 Tm, [K] 357 423 355 355 355 348 340 340 340 348 343 343
3.3.2.3. Kết quả tính toán trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt
Từ các điều kiện biên đã xác định, sử dụng phần mềm ANSYS Workbench để chia lưới phần tử hữu hạn và tính toán xác định trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt. Trên Hình 3.9 là mô hình chia lưới PTHH cặp pít tông xi lanh động cơ 6 ^ 12/14.
0.Ũ0 (r>ỊỊ& 70,00 * L
Hình 3.9. Mô hình chia lưới phần tử hữu hạn cặp pít tông - xi lanh động cơ 6H 12/14
Với xi lanh sau khi chia được: 205.248 nút; 118.628 phần tử, pít tông có: 10.804 phần tử và 19.619 nút.
Kết quả tính toán trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt của ống lót xi lanh và của pít tông ở chế độ 100% và 60% tải được giới thiệu trên như trên Hình 3.10 đến Hình 3.13. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt của ống lót xi lanh và của pít tông ở chế độ (80, 40, 20)% tải được giới thiệu trong Phụ lục 3.
Hình 3.10. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh động cơ 6H 12/14 ở chế độ 100% tải
Hình 3.11. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tông động cơ 6H 12/14 ở chế độ 100% tải
Hình 3.12. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt ống lót xi lanh động cơ 6H12/14 ở chế độ 60% tải
3 5 ,0 0 40 ,00
Hình 3.13. Trường nhiệt độ và trường biến dạng nhiệt pít tông động cơ 6Ч12/14 ở chế độ 60% tải
Từ kết quả tính toán được ta thấy nhiệt độ của ống lót có giá trị cao nhất nằm ở vùng buồng cháy và sau đó giảm dần về phía dưới đáy ống lót, tương tự đối với pít tông, nhiệt độ cao nằm ở phần đỉnh và giảm dần về phái đuôi. Biến dạng nhiệt của ống lót lớn nhất tại khu vực phía dưới phần dẫn hướng trên (do tại phần dẫn hướng và vai tựa trên giả thiết không biến dạng nhiệt). Biến dạng nhiệt của pít tông lớn nhất tại phần đỉnh và giảm dần. Kết quả tính toán biến dạng nhiệt sẽ được sử dụng để tính toán khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh tại các chế độ phụ tải tương ứng.
3.3.3. Xác định khe hở nhiệt của cặp p ít tông - xi lanh З.З.З.1. Các mặt cắt cần xác định khe hở nhiệt
Từ các kết quả tính toán biến dạng nhiệt ở trên, tiến hành xác định khe hở nhiệt tại ba vị trí là mặt cắt 1 đi qua phần trên nơi bắt đầu của thân pít tông, mặt cắt 2 đi qua tâm chốt pít tông, mặt cắt 3 đi qua đáy là nơi kết thúc thân pít tông (Hình 2.5). Ba mặt cắt 1, 2, 3 cách đỉnh lần lượt là 51, 85, 150 mm. Khi hành trình bằng không, ba mặt cắt này có vị trí tương ứng với ống lót xi lanh tính từ đáy lần lượt là 207, 173, 108 mm. Lí do lựa chọn ba mặt cắt này đại diện cho việc xác định khe hở nhiệt để phục vụ cho việc tính toán chuyển động ngang của pít tông trong khe hở xi lanh và tính toán lực va đập của pít tông lên ống lót xi lanh như đã trình bày ở phần 2.3.6.
Đối với cặp pít tông - xi lanh động cơ 6Ч 12/14, ở trạng thái nguội (200C) có khe hở nhiệt ở phần thân Лгн = 0,З2 mm [5].
3.3.3.2. Kết quả tính toán
Từ các kết quả xác định trường nhiệt độ và trường biến dạng ở phần 3.3.2.3, ta xác định được khe hở nhiệt của pít tông và xi lanh tại ba mặt cắt như trên Hình 3.14 đến Hình 3.16. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khe hở giữ a pít tông và ống lót xi lanh động cơ 6M 12/14 theo hành trình ở m ặt cắt 1 2 5 ¥ E 2 0 H 1 5 ô' í j 1 0 _c 5 ---Chế độ ìo o t ả i Chế độ 8 0 tả i ---Chế đ ô 6 0 % tải ---Chế độ 4 0 % tải 0 , 0 0 2 0 , 0 0 4 0 , 0 0 6 0 , 0 0 8 0 , 0 0 1 0 0 , 0 0 1 2 0 , 0 0 1 4 0 , 0 0 H à n h t r ì n h p í t t ô n g , [ m m ]
H ình 3.14. Khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6H 12/14 tại vị trí m ặt cắt 1
Tại mặt cắt 1, do vị trí ở gần khu vực buồng cháy và giả thiết vai tựa trên không biến dạng nhiệt nên biến dạng nhiệt của ống lót xi lanh có hình tang trống, vì vậy khe hở nhiệt theo hành trình pít tông sẽ tăng dần rồi sau đó mới giảm. Ở các chế độ phụ tải lớn, biến dạng nhiệt tăng lên do đó làm giảm khe hở nhiệt. K 3 0 2 5 Ẽ ' ầ 2 0 â 1 5 - ì 1 ! 1 0 -E 5 h e h ở g i ữ a p í t t ô n g v à ố n g l ó t x ì l a n h đ ộ n g C O ' 6 M 1 2 / 1 4 t h e o h à n h t r ì n h ở m ặ t c ắ t 2 --- c h ế độ 1 0 0 tả i C hế độ 8 0 tả i --- C hế độ 6 0 % tả i C h ế độ 4 0 % tả i --- C hế độ 2 0 % tải 0 , 0 0 2 0 , 0 0 4 0 , 0 0 6 0 , 0 0 8 0 , 0 0 1 0 0 , 0 0 1 2 0 , 0 0 1 4 0 , 0 0 H à n h t r ì n h p í t t ô n g , [ m m ]
H ình 3.15. Khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6H 12/14 tại vị trí m ặt cắt 2
Trên Hình 3.15 là khe hở nhiệt tại mặt cắt 2 đi qua tâm chốt pít tông, đây là khu vực ống lót xi lanh biến dạng giảm đều, nên khe hở nhiệt cơ bản là một đường giảm dần theo hành trình.
30 25 E £ 20 ầ 15 b " ỉ 10 -C 5 Che h ở g iữ a p ít t ô n g v ở ỉ ố n g [ó t x i la n h đ ộ n g c ơ 6 H 1 2 / 1 4 t h e o h à n h t r ìn h ở m ặ t c ắ t 3 --- Chê'độ 100 tải --- Chế độ 80 tải Chể độ 60% tải Chế độ 40% tải ch ể độ 20% tải 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 H ành trìn h p ít tô n g , [m m ]
Hình 3.16. Khe hở nhiệt của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6H 12/14 tại vị trí m ặt cắt 3
Trên Hình 3.16, mặt cắt 3 đi qua khu vực vai tựa dưới của ống lót xi lanh. Với giả thiết vai tựa không biến dạng nhiệt nên khi pít tông dịch chuyển đến gần vùng này thì trị số khe hở lúc đầu giảm xuống, sau khi qua khu vực vai tựa khe hở lại tăng lên. Ngoài ra cần chú ý, khi hành trình đi được 110 mm (tương ứng với khoảng 1180 góc quay trục khuỷu) thì pít tông bắt đầu ra khỏi ống lót nên khe hở giữa pít tông và ống lót xi lanh là không xác định.
Trên các đồ thị, khe hở thay đổi theo một hành trình pít tông tương ứng với 1800 góc quay trục khuỷu rồi sau đó bắt đầu thay đổi ngược lại đến 3600. 3.4. Tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6H 12/14
Việc tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh được thực hiện trong hai trường hợp: trường hợp thứ nhất là chế độ giả thiết khi động cơ làm việc nhưng các chi tiết của cặp pít tông - xi lanh không có giãn nở nhiệt (không có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt), lúc này khe hở giữa pít tông và xi lanh là một hằng số bằng khe hở khi ở trạng thái nguội A = 0,32 mm; trường hợp thứ hai là chế độ làm việc bình thường, các chi tiết của cụm pít tông - xi lanh có giãn nở nhiệt (có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt), lúc này khe hở A phụ thuộc vào hành trình pít tông như đã tính toán ở phần 3.3.3. Đây là cơ sở để đánh giá sự ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 khi so sánh kết quả tính toán của hai trường hợp.
3.4.1. Xây dựng sơ đồ thuật toán
Từ sự phân tích lí thuyết ở phần 2.2, ta thấy để tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh gồm có hai phần là tính toán chuyển động phụ và tính lực va đập. Thuật toán tính chuyển động phụ như trên Hình 3.17.
Tính dN(i+2), Pk(i+2) S Tính dN(n), Pk(n) ________________ Ỷ________________ Tính: - toi(1), t02(1), t03(1), V0l(1), V02(1), V03(1), yo(1) - t1(1), t2(1), t3(1), V1(1), V2(1), v3(l), Y(1) S
Hình 3.17. Sơ đồ thuật toán tính toán chuyển động phụ của pít tông động cơ 6H 12/14
Trong đó: y1, y2, y3 là khoảng cách từ trọng tâm O1 đến mặt cắt 1, 2, 3; H là khoảng cách từ trọng tâm O1 đến mép dưới thân pít tông; lc là khoảng cách từ trọng tâm O1 đến tâm chốt pít tông O. Các kích thước này xác định như trên Hình 3.18. 1 1— 1 /T T \ Mãt cắt CM > ■ r / W \ V i ' u . ^ lV Mặt cắt 2 Mặt cẳt 3
Hình 3.18. Tọa độ trọng tâm và các khoảng cách y đến m ặt cắt 1, 2, 3 của hệ pít tông động cơ 6H 12/14
Sử dụng phần mềm Solid Works 2013 xác định được các giá trị này của pít tông động cơ 6 ^ 12/14 như trong Bảng 3.8.
Bảng 3.8. Các thông số của hệ pít tông động cơ 6 ^ 12/14 để tính chuyển động phụ m1 [kg] Io1 [kgm2] lc (x10-3) [m] H (x10-3) [m] y (x10-3) [m] y1 y2 y3 4,396 0,99148 13,49 78,49 - 20,91 13,49 78,49
Sử dụng phần mềm Matlab để lập trình tính toán chuyển động phụ. Chương trình tính được trình bày tại phụ lục 4.
Sau khi tính được vận tốc tại ba mặt cắt, tiến hành tính toán lực va đập tại mặt cắt số 2 đi qua tâm chốt pít tông bằng phần mềm ANSYS Workbench LS-Dyna với thông số vận tốc ban đầu Vo và lực ngang N tại ba chế độ Vmax, Nmax, v và N đều lớn. Mô hình tính lực va đập như Hình 2.1. Giả thiết mặt bên của vai tựa trên và vai tựa dưới không bị biến dạng do va đập.
3.4.2. Tứih toán sự tưong tác của cặp p it tông - x i lanh động cơ 6 Ч 12/14 k h i không có ảnh hưởng của phụ tả i n h iệt
З.4.2.1. Chuyển động phụ của p ít tông động cơ 6 Ч 12/14
Khi tính toán, giả thiết Pmx và Mmc bằng 0, khe hở giữa pít tông và ống lót xi lanh là một hằng số và bằng khe hở ở trạng thái nguội. Lực ngang N và lực khí thể Pk được xác định từ kết quả tính chu trình công tác của động cơ bằng phần mềm Diesel-RK tại chế độ (20^100)% tải, vòng quay n = 1500 v/ph như trong phụ lục 1.
Chuyển động phụ của pít tông ở chế độ 100% tải khi không có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt như trên Hình 3.19 và Hình 3.20.
Hình 3.19. Vận tốc chuyển động ngang của pít tông trong khe hở xi lanh tại m ặt cắt 1 và 2 của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải
v ậ n tấc ngang của p it tông tại m ặ t cắt 3 ỡ c h ế độ 100% tải khô n g có ản h h ư ỡ ng của p h ụ tâi nhiệt
0,15 I 0,1 ẩ 0,05 Я é 0 Г / / 1 / 40 <«• -0,05 > V / 4 4 -0,15 90 180 270 360 450 540 630 Góc quay trục khuỷu, [độ] 720
Hình 3.20. Vận tốc chuyển động ngang tại m ặt cắt 3 của pít tông trong khe hở xi lanh của động cơ 6Ч 12/14 ở chế độ 100% tải
Theo kết quả tính toán, vận tốc chuyển động ngang tại 3 mặt cắt không chênh lệch nhau nhiều. Vận tốc chuyển động ngang của pít tông trong khe hở xi lanh đạt giá trị lớn nhất tại khu vực 3650 góc quay trục khuỷu. Ở mặt cắt 3, khi hành trình đi được 110 mm (tương ứng với khoảng 1180 góc quay trục khuỷu) thì pít tông bắt đầu ra khỏi ống lót nên vận tốc ở khu vực này không xác định. Giá trị vận tốc ngang vmax của mặt cắt lớn nhất tại mặt cắt 2, v2max = 0,1203 m/s, giá trị này nhỏ nhất tại mặt cắt 1, v1max = 0,0947 m/s, còn tại mặt cắt 3, v3max = 0,1127 m/s. Do khe hở giữa pít tông và ống lót xi lanh là hằng số nên góc quay của pít tông trong khe hở cũng là một hằng số và có giá trị là 19.10-6 rad.
3.4.2.2. Lực va đập của p ít tông lên thành xi lanh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ mô hình hình học trên Hình 2.1 sử dụng chế độ chia lưới tự động trong ANSYS Workbench LS-Dyna ta xây dựng được mô hình PTHH của mô hình va đập pít tông với xi lanh động cơ 6 ^ 12/14 với 44.813 nút, 170.550 phần tử
Hình 3.21. Mô hình phần tử hữu hạn để tính toán va đập của pít tông với xi lanh động cơ 6H 12/14
Trong một chu trình công tác có rất nhiều chế độ vận tốc chuyển động ngang khác nhau tương ứng với nó là các giá trị lực ngang N. Việc tính toán lực va đập của pít tông với xi lanh cho tất các giá trị này mất rất nhiều thời gian và cũng không thực sự cần thiết vì vậy chỉ cần tính toán ở một số trường hợp đặc trưng. Trong luận án này lựa chọn tính toán lực va đập tại ba trường hợp đặc trưng là vận tốc va chạm lớn nhất vmax, lực ngang lớn nhất Nmax và một trường hợp khi v và N đều lớn. Việc tính toán được thực hiện bằng phần mềm ANSYS Workbench LS-Dyna, các giá trị ban đầu để tính toán như trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9. Giá trị ban đầu sử dụng tính lực va đập của pít tông với xi lanh ở chế độ 100% tải không có ảnh hưởng của phụ tải nhiệt
Trường hợp tính Góc quay [độ] Khe hở nhiệt [m] Vận tôc [m/s] Lực ngang [N]
vmax 364 32. 10-5 0,179 1288
v, N đều lớn 375 32. 10-5 0,1439 4480
Nmax 385 32. 10-5 0,046 5254
Kết quả tính toán lực va đập của pít tông lên thành xi lanh như Hình 3.22.