【摘 要】
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近年来,随着各类新技术在柴油机上应用,柴油机的强化程度随之提高,导致柴油机的热负荷和机械负荷急剧升高。活塞是柴油机的核心部件之一,承受着较高的热负荷,是最容易失效的零部件之一,因而需要对活塞采取足够的强化冷却,以确保其可靠性。为了提高某大型高功率密度船用柴油机的活塞冷却能力,本文搭建了活塞振荡实验台,基于可视化技术,研究了不同状态下大功率柴油机活塞冷却油腔内润滑油的振荡形态,揭示了活塞振荡冷却腔内
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近年来,随着各类新技术在柴油机上应用,柴油机的强化程度随之提高,导致柴油机的热负荷和机械负荷急剧升高。活塞是柴油机的核心部件之一,承受着较高的热负荷,是最容易失效的零部件之一,因而需要对活塞采取足够的强化冷却,以确保其可靠性。为了提高某大型高功率密度船用柴油机的活塞冷却能力,本文搭建了活塞振荡实验台,基于可视化技术,研究了不同状态下大功率柴油机活塞冷却油腔内润滑油的振荡形态,揭示了活塞振荡冷却腔内多相流的流动规律,主要内容以及相应结论如下:设计并搭建活塞振荡冷却试验台主体,用于模拟真实发动机的活塞运动规律。试验台包括透明活塞、曲轴连杆机构、二阶平衡机构、机架、润滑系统和振荡腔上油机构,台架运行可靠,可以进行相关试验的进行。设计了振荡试验台的测量系统的硬件架构,具体包括可视化测量系统和试验台测控系统,以实现试验台架各类工作参数的测量和高速摄像机的精确触发,进而清晰地拍摄不同工作参数下的活塞冷却油腔内润滑油的振荡形态。根据活塞振荡试验台的功能要求和测控系统硬件架构,基于u C/OS-III实时操作系统,在STM32单片机进行了相应的测控系统软件开发;并在上位机上进行了测控软件的开发。具体完成了活塞冷却油腔的进油压力、进油流量、试验台转速以及曲轴相位的测量;精确地按曲轴相位触发高速摄像机进行振荡形态的拍摄;以及下位机和上位机之间的无线通讯功能。基于上述软件开发,试验台测控系统可以实时地采集各个传感器的数值,通过无线局域网发送到上位机,并可以根据上位机指令,精确地按照曲轴相位触发高速摄像机,实现目标曲轴相位下的振动形态采集。上位机上的Lab VIEW程序还能实现采集数据的显示、保存以及移动设备监测等功能。进行试验台不同工作状态下的振荡形态采集后,基于MATLAB进行了振荡形态图像的数字处理。基于Canny算法提取了透明活塞的边界,去除与振荡形态分析无关的背景及噪音,并以透明活塞边界为坐标系,作为后续振荡形态分析的基点。使用Labelme标注工具,进行了气液相界面的识别和划分,进一步根据气液相边界,使用Image-Pro Plus计算了气相的面积和中心点,并据此计算了最大气相相对面积、总气相占比、气相整体相对中心、气相运动速度等参数。基于SIFT算法提取了图像的特征点,根据特征点的匹配情况计算了各个曲轴转角下图像序列的相似比,用于度量气液相振荡流动的强度。根据图像信息,具体分析了试验台转速和进油压力对气液相分布的影响规律,具体包含不同工况下外油腔填充率的变化规律,气相的破碎与聚合规律,单循环内气液相的振荡规律以及气相运动速度变化规律;进一步总结了转速和进油压力对润滑油振荡强度的影响,为内冷油腔的结构优化提供了技术支持和优化方向。
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