一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法技术

本发明专利技术涉及活塞冷却技术领域，尤其涉及一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，包括步骤S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；S2，根据发动机的具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴的基本结构；S3，采用析因设计方法，筛选出对活塞冷却喷嘴性能影响显著的关键结构参数；S4，采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化。本发明专利技术采用析因设计方法，能够全面且充分地分析各结构参数对活塞冷却喷嘴性能的影响，保证了筛选出的关键结构参数的正确性；采用优化设计方法即能够使活塞冷却喷嘴的总流量达到目标值，又能使打靶效率达到最大值，是在当前活塞冷却喷嘴结构下能够达到设计目标的最优方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及活塞冷却
，尤其涉及一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法。
技术介绍
当活塞需要强制冷却时，会在活塞头部铸出冷却通道或铸入冷却油管，同时采用某装置将机油以一定的压力注入活塞的冷却油道，使机油在其中流动以冷却活塞，该装置即为活塞冷却喷嘴2。活塞冷却喷嘴2的多种结构参数可能对喷嘴的性能产生影响，活塞冷却喷嘴2的性能指标主要包括总流量及打靶效率，如图1所示，通过打靶试验(模拟活塞位于上止点时，活塞冷却喷嘴2将机油喷入活塞冷却通道的试验，用于评价活塞喷嘴是否符合设计要求)进行检验，首先将冷却喷嘴安装在试验台1上，喷嘴的管口正对集油口3，集油口3接集油管4，试验台1内有流量计可以实时监测活塞冷却喷嘴2的总流量，集油管4后有量杯可以称量喷入活塞内冷油腔的流量，H等于活塞位于上止位点处时活塞冷却喷嘴安装面与活塞内冷油通道入口的距离。目前活塞冷却喷嘴2在设计时常基于经验确定各个结构参数，第一步，根据活塞冷却需要，明确设计目标，也就是在指定的机油压力和机油粘度下，活塞冷却喷嘴2的总流量为(Raim±W)L/min，且打靶效率≥Saim；其中总流量是指在指定的机油压力和机油粘度下，单位时间内从活塞冷却喷管喷出的机油量。因为加工制造误差，所以活塞冷却喷嘴2的实际总流量不是一个固定的值，而是在一定许可范围内波动。打靶效率是指活塞位于上止点处时(距离喷嘴最远位置)，在指定的机油压力和机油粘度下，单位时间内喷入活塞内冷油道的机油量与活塞冷却喷嘴2的总油量的百分比。第二步，根据发动机具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴2的基本结构及结构参数初始值(A0、B0、C0、D0、E0……)；第三步，跟据活塞冷却喷嘴2的具体结构，首先通过主观经验判断对活塞冷却喷嘴2的性能影响较大的关键结构参数(K1、K2……)；第四步，采用CAE分析方法或试制样件做试验，调整关键结构参数(K1、K2……)，观察关键参数的变化对活塞冷却喷嘴2的总流量R和打靶效率S的影响，如果影响较大，转至第五步；如果影响不大，转回第三步重新选择关键结构参数；第五步，采用“试错法”不断尝试调整关键结构参数(K1、K2……)，在指定的机油压力Pbar和机油粘度Qcst下，使活塞冷却喷嘴2的总流量R与目标值Raim相当，打靶效率≥Saim。上述方法在使用过程中具有很多缺陷，首先活塞冷却喷嘴2的结构形式多种多样，而主观经验往往是对某些常见喷嘴结构的经验积累，对于某些结构的喷嘴可能不适用。而且经验选择往往会忽略各结构参数间的交互作用，导致关键结构参数的选择偏离实际情况。其次采用“试错法”调整关键结构参数，需要通过不断尝试和评价逐渐使喷嘴的总流量达到设计目标值，这种方法难以得到最优设计方案。有可能导致无法达到设计目标；即使达到了设计目标，活塞冷却喷嘴2的打靶效率通常还有进一步提升的空间。再者，关于打靶效率的CAE(ComputerAidedEngineering的简称，是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法)分析方法较为复杂，分析时间长。而通过试制样件进行试验验证，时间较长、成本较高。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是解决现有的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法造成的关键结构参数选择不准确，难以达到最优设计方案，成本较高的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，包括步骤S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；S2，根据发动机的具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴的基本结构；S3，采用析因设计方法，筛选出对活塞冷却喷嘴性能影响显著的关键结构参数；S4，采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化。其中，所述步骤S3具体包括S31，进行因子分析，基于设计经验确定各个结构参数的初始值和上下限；S32，根据结构参数的数量，选择相应的二水平分式析因设计方法进行多次打靶试验，得出每次打靶试验中喷嘴的总流量和出口油束喷射角度值；S33，根据步骤S32的结果进行因子筛选，得到关键结构参数。其中，所述步骤S4具体包括S41，建立二阶响应面模型，分别得到喷嘴的总流量关于关键结构参数的函数关系式和出口油束喷射角度关于关键结构参数的函数关系式；S42，确定关键结构参数的初始值、边界条件和优化目标；S43，将关键结构参数代入到二阶响应面模型，计算出喷嘴的总流量和出口油束喷射角度；S44，判断喷嘴的总流量与目标值间的误差是否在边界条件范围以内，若是则转到步骤S46；若不是则转到步骤S45；S45，采用合适的优化算法，在关键结构参数的边界条件范围内，对关键结构参数进行优化，并转到步骤S43；S46，判断出口油束喷射角度是否为最小值，若是则证明是最优方案；若不是则转到步骤S45。其中，所述S32还包括通过CAE计算出喷嘴的总流量和出口油束喷射角度。其中，所述S33中采用半正态概率图法进行因子筛选。其中，所述S41中喷嘴的总流量关于关键结构参数的函数关系式、出口油束喷射角度关于关键结构参数的函数关系式分别为：R=β0+Σi=1mβiKi+Σi=1mβiiKi2+ΣΣi<jβijKiKj]]>S=δ0+Σi=1mδiKi+Σi=1mδiiKi2+ΣΣi<jδijKiKj]]>R为喷嘴的总流量，S为出口油束喷射角度，K1、K2、…Ki…Km分别为各个关键结构参数，β0、β1…βi…βm、β11…βii…βmm、β12、β13…β(m-1)m、δ0、δ1…δi…δm、δ11…δii…δmm、δ12、δ13…δ(m-1)m均为待定系数。其中，所述S42中的关键结构参数初始值具体为：K10、K20…Ki0…Km0；关键结构参数取值范围为：Ki-≤Ki≤Ki+；为使活塞冷却喷嘴的总流量R达到Raim，设定边界条件具体为：ΔR＝|R-Raim|＜α·Wα为误差系数，且α取值范围为0.1-0.5，多数情况取0.2，W为冷却喷嘴的总流量的允许误差，且W≤0.5；为使活本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，其特征在于：包括步骤S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；S2，根据发动机的具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴的基本结构；S3，采用析因设计方法，筛选出对活塞冷却喷嘴性能影响显著的关键结构参数；S4，采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，其特征在于：
包括步骤
S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；
S2，根据发动机的具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞
冷却喷嘴的基本结构；
S3，采用析因设计方法，筛选出对活塞冷却喷嘴性能影响显著的
关键结构参数；
S4，采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优
化。
2.根据权利要求1所述的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方
法，其特征在于：所述步骤S3具体包括
S31，进行因子分析，基于设计经验确定各个结构参数的初始值
和上下限；
S32，根据结构参数的数量，选择相应的二水平分式析因设计方
法进行多次打靶试验，得出每次打靶试验中喷嘴的总流量和出口油束
喷射角度值；
S33，根据步骤S32的结果进行因子筛选，得到关键结构参数。
3.根据权利要求1所述的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方
法，其特征在于：所述步骤S4具体包括
S41，建立二阶响应面模型，分别得到喷嘴的总流量关于关键结
构参数的函数关系式和出口油束喷射角度关于关键结构参数的函数
关系式；
S42，确定关键结构参数的初始值、边界条件和优化目标；
S43，将关键结构参数代入到二阶响应面模型，计算出喷嘴的总
流量和出口油束喷射角度；
S44，判断喷嘴的总流量与目标值间的误差是否在边界条件范围

\t以内，若是则转到步骤S46，若不是则转到步骤S45；
S45，采用合适的优化算法，在关键结构参数的边界条件范围内，
对关键结构参数进行优化，并转到步骤S43；
S46，判断出口油束喷射角度是否为最小值，若是则证明是最优
方案；若不是则转到步骤S45。
4.根据权利要求2所述的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方
法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，董朵，吕顺，韩景峰，贺园玲，
申请(专利权)人：潍柴动力扬州柴油机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32