摘 要

柴油机活塞在气缸中做着往复运动，在做功冲程承受着高温高压燃气的冲击，活塞内部会产生热变形与热应力,高温下材料硬度和强度会下降，影响活塞与其缸套摩擦副的正常润滑,造成柴油机运行过程中摩擦力的产生较大变化、磨损的加剧,甚至可能会导致活塞环的胶接、活塞与气缸咬合以及拉缸等故障发生。活塞的热应力取决于活塞表面温度及其温度梯度,故对柴油机的活塞温度场测试方法及试验测试进行研究，可为精确获取活塞传热边界条件和放热系数提供精确边界条件；对柴油机的活塞整体进行三维温度场模拟仿真分析，获悉活塞的温度以及温度梯度的分布,可为降低活塞整体热负荷,改善热应力分布和优化改进设计,提升柴油机的性能与可靠性提供必要的理论依据。

本论文主要是通过对柴油机活塞温度测试技术研究现状的分析，总结国外内的主要测试方法，通过对比分析它们的优缺点，选择并设计合适的柴油机活塞温度测试方法，主要内容有：

1. 结合所研究的国内外的论文，阐述活塞测试技术研究的发展历史和背景，对现阶段的活塞测试技术现状进行概要分析。
2. 分析研究国内外主要的活塞温度测试方法，对各测试方法原理进行探讨和对比分析。
3. 以某柴油机为对象，进行了系统的组成结构、测温传感器选择、活塞测温点布置、系统各组件安装布置、电能互感供应与采集信号的传输、系统的模块化与绝热方面分析研究，设计出一套适应该柴油机活塞温度测试系统。

关键词：柴油机活塞；测温方法；温度场；遥测系统

Abstract

Diesel engine piston in the cylinder doing reciprocating motion, in the work of the stroke to withstand the impact of high temperature and high pressure gas, the piston will produce thermal deformation and thermal stress, high temperature material hardness and strength will decline, affecting the piston and its cylinder liner friction normal lubrication , Resulting in the operation of the diesel engine friction in the process of a greater change in wear and tear, and may even lead to the piston ring glue, piston and cylinder bite and pull the cylinder and other failures. The thermal stress of the piston depends on the surface temperature of the piston and its temperature gradient. Therefore, the test method and test of the piston temperature field of the diesel engine can provide accurate boundary conditions for accurate access to the piston heat transfer boundary conditions and the exothermic coefficient. The whole temperature of the piston and the distribution of the temperature gradient can be used to improve the overall heat load of the piston, improve the thermal stress distribution and optimize the design to improve the performance and reliability of the diesel engine to provide the necessary theoretical basis The This paper mainly analyzes the current situation of diesel engine piston temperature test technology, summarizes the main test methods in foreign countries. By comparing and analyzing their advantages and disadvantages, the appropriate diesel engine piston temperature test method is selected and designed. The main contents are as follows:

1. Based on the research papers at home and abroad, the development history and background of Piston test technology research are expounded, and the present situation of Piston test technology is analyzed.
2. Analyze the main piston temperature test methods at home and abroad, and discuss and analyze the principle of each test method.
3. With a diesel engine as the object, the structure of the system, the choice of temperature sensor, the arrangement of the piston temperature, the installation of the components of the system, the supply of energy mutual inductance and the transmission of the collected signal, the modular and adiabatic aspects of the system, Designed to adapt to the diesel engine piston temperature test system.

Key words: Diesel piston; Temperature measurement method; Temperature field; Telemetry system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 研究主要内容 4

第2章 国内外活塞温度主要测试方法 5

2.1 硬度塞法 5

2.2 残留硬度法 6

2.3 易熔合金法 7

2.4 氪化法 8

2.5 示温涂料法 9

2.6 热电偶法 10

2.7 非接触式互感式测量法 12

2.8 红外遥测法 13

2.9 存储式活塞温度测量法 15

2.10 无线射频遥测法 16

2.11 其它测量方法 17

2.12 活塞温度测试方法对比分析与总结 17

2.13 本章小结 18

第3章 无线遥测活塞温度测量技术 19

3.1 无线通讯技术发展与现状 19

3.2 对测试装置的技术要求 19

3.3 遥测系统方案的实施方法 20

3.3.1 系统的组成和总体实施方案 20

3.3.2 传感器的选择 21

3.3.3 无线通讯技术的选择 24

3.3.4 信号调理装置的选择 25

3.3.5 测温点位置的布置 26

3.3.6 感应装置的布置 28

3.3.7 信号传输的布置和信号的采集 30

3.4 本章小结 31

第4章 柴油机活塞温度无线遥测测试方法设计 32

4.1 测试对象 32

4.2 测试系统介绍 32

4.3 测试方案设计 36

4.4 本章小结 37

第5章 结论与展望 39

5.1 结论 39

5.2 展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

柴油机是现阶段广泛应用的产生原动力的机械之一^[1]。如今，柴油机朝着高增压、低排放、低转速方向发展，不可避免的招致了柴油机各部位零部件所承担的热负荷、机械负荷都急剧扩大，由此引发的故障怎多，妨碍了整个柴油机的可靠性的进一步提高，与此同时，一些故障已经不能依靠普通的方式去诠释，需要细致深入的对活塞的损伤机理进行研究，对活塞所承受的热负荷逐渐受到设计者的关注^[2]。对于高强载度的柴油机来说，其所进行的热负荷强度分析在研制新型柴油机的分析工作中占据着非常重要的地位。由于传热过程的复杂性，对于柴油机热负荷研究尚未完全的掌握其内部机理，在柴油机的先期设计阶段中，常常采取理论计算同类比实验相结合的方式进行柴油机的热负荷分析，初略估计具体零部件的温度场。当前的模拟技术与理论计算能在误差允许的范围内进行较精确的体现活塞的实际的温度场，其中关系仿真结果准确性的主要是所选用的热边界条件是否符合实际情况，既符合实际情况必须要通过实机测量才能得到，而且实机设计各方面的性能需求分析最终也只能经过试验测量的数据来验证。故在对柴油机热负荷的研讨分析中，温度的测量则起着承上启下的作用。

燃烧室的组件（活塞、气缸盖、缸套、活塞环等）承受着极高的热负荷，其中活塞的运行状况是最为恶劣的。活塞承受着脉冲的高频的热负荷与机械负荷，活塞头直接接触高温的燃气，而燃气的峰值温度达1900摄氏度^[3]；在接收气体的爆压、系统由于重力的惯性力以及连杆对其产生的侧推力（四冲程），大功率的柴油机具有极高的燃气爆压，极高的惯性冲击力作用在活塞头面，不同类型、方向的机械应力杂乱分布；在遭到部分会由于摩擦生成的热量，在整个活塞上由于热量的传递的独一型，经过活塞的组件热传导或对流的热流量占据整个总的传热量的40%还要多，活塞的表面的温度的持续增加将会造成活塞材料强度的急剧下低，与此同时材料的抗弹性蠕变与抗塑性蠕变的性能会随之下降，活塞组产生极大的热应力；载荷的不匀称、散热环境差、活塞结构的优化差等会再机械力与温度力合力下蠕变很大；磨损严重；高温的腐蚀^[4]。同时，活塞作为柴油机的关键零组件之一，其可靠度几乎直接的判定了柴油机整机的可靠性能。若要提高柴油机的整机的可靠度，就要对活塞的温度分布进行非常完善的考虑，借助具体计算和仿真分析结合等等手段。现代的模拟仿真计算软件ANSYS为模拟活塞整个热分布状况提供了一个强力的手段，假若设计者拿出达到活塞实际的情况的热边界数据，则能够提高活塞的热状态模拟分析的精度，并且活塞温度的测量则为模拟仿真计算提供了一套可信边界初始值。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

在整个活塞的温度测试范围内，不少的国内研究学者在推动活塞温度测试方法进步过程中做出了卓越杰出的贡献。