機車柴油機活塞改進前后曲柄連桿機構(gòu)動力學(xué)對比分析

李明海,王 鵬,牟恕寬

(1 大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,遼寧大連116028;2 大連機車車輛有限公司 企業(yè)技術(shù)中心,遼寧大連116021)

隨著鐵路運輸?shù)奶崴僖约爸剌d,為提高機車用240/275系列柴油機活塞的壽命,通過一系列研究和試驗,設(shè)計了一種新結(jié)構(gòu)鋼頂鋁裙活塞。實際的運行情況說明新型的活塞在自身的性能上非常好。但是新型活塞在應(yīng)用以后與原柴油機的匹配情況如何,是否對柴油機的運行工況起到了改善作用,特別是動力學(xué)性能方面的影響還不是十分清楚。本文從這一點出發(fā),針對這一問題進行分析。希望對柴油機的改進起到一定的幫助作用。

本文以16V 240ZJ型柴油機為研究對象,運用GTCRANK軟件建立比較精確的動力學(xué)虛擬樣機,并且在柴油機虛擬樣機內(nèi)設(shè)定活塞的不同參數(shù),模擬柴油機在不同活塞參數(shù)下的動力學(xué)特性,并作對比分析,進而確定合理的匹配方案。

1 虛擬樣機的建立

柴油機在某一工況下穩(wěn)定工作,可以認為曲軸是以恒定的角速度ω轉(zhuǎn)動;連桿的運動比較復(fù)雜:一方面是隨活塞做上下的往復(fù)運動,另一方面是由曲軸的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生連桿的平面擺動;活塞只是沿著氣缸的上下往復(fù)運動。

用GT-CRANK軟件建立包括氣缸壓力、活塞、連桿、曲軸、機體在內(nèi)的虛擬模型,參數(shù)包括示功圖、零部件的質(zhì)量、幾何尺寸、質(zhì)心位置等,并且還添加零部件之間的接觸及約束邊界條件,最后在軟件內(nèi)部模型區(qū)組裝16V 240ZJ型柴油機的虛擬樣機。

運用GT-CRANK進行動力學(xué)建模,具體16V 240ZJ型柴油機動力學(xué)模型如圖1。

2 樣機正確性的驗證

氣缸內(nèi)氣體燃燒產(chǎn)生的爆發(fā)壓力是柴油機的動力來源,是柴油機正常工作的根本。圖2可以看出計算值曲線與試驗值曲線在數(shù)值的大小和變化趨勢上吻合得很好,誤差在0.2%以內(nèi),驗證了應(yīng)用GT-CRANK軟件進行柴油機動力學(xué)仿真的準確性。

3 設(shè)定參變量

圖1 16V240ZJ型柴油機動力學(xué)虛擬樣機模型(部分)

圖2 氣缸壓力變化曲線

在活塞的改進過程中,最主要的變化就是活塞的質(zhì)量。因此把活塞的質(zhì)量設(shè)為參變量,按照軟件的參變量設(shè)定方法進行。原來的球墨鑄鐵活塞質(zhì)量是32.5 kg,而改進后的鋼頂鋁裙活塞的質(zhì)量比球鐵活塞的質(zhì)量輕,大約是27.5 kg,質(zhì)量減輕大約是15%。那么參變量就設(shè)為32.5 kg和 27.5 kg。

4 計算結(jié)果分析

4.1 活塞質(zhì)量對部件接觸力的影響

由圖3和圖4可以看到,隨著活塞質(zhì)量的減小,活塞銷與曲柄銷的應(yīng)力平均值是變小的;但是它們的峰值變大,在其他情況下都是活塞質(zhì)量小的時候應(yīng)力小。這是因為在峰值情況下,活塞受到燃料的爆發(fā)壓力作用,這個力是向下的,而活塞的慣性力是朝著反方向的,因此,在同樣的爆發(fā)壓力情況下,活塞質(zhì)量小的慣性力小,抵消的爆發(fā)壓力值也就小,作用在活塞銷的上的力就大。曲柄銷也是同樣的情況。

4.2 活塞質(zhì)量對輸出扭矩的影響

由圖5分析得知,活塞質(zhì)量小的情況下,柴油機的輸出扭矩平均值要比活塞大質(zhì)量情況下要大,因為由于慣性力而消耗掉的有效功前者比后者小。但是質(zhì)量大的扭矩峰值要大,這也是因為大的慣性力合成的原因(爆發(fā)壓力峰值與輸出扭矩的峰值有一個角度差)。

4.3 活塞質(zhì)量對機體平衡性能的影響(圖6)

4.4 活塞質(zhì)量對主軸徑軸承的影響(圖7)

圖3 活塞銷載荷對比曲線

圖4 曲柄銷載荷對比曲線

圖5 曲軸輸出扭矩對比曲線

5 結(jié)論

(1)提出了在柴油機虛擬樣機模型的基礎(chǔ)上,對柴油機主軸徑軸承進行分析,模擬結(jié)果證明這種方法是簡便可行的;

(2)活塞質(zhì)量變化之后相應(yīng)的柴油機零部件接觸應(yīng)力和部件的工作狀態(tài)也是變化的,但從曲線上看到,零部件的接觸應(yīng)力并不是隨著活塞質(zhì)量的變化而變化,它們之間不是線性關(guān)系;活塞質(zhì)量的變化對主軸徑軸承的動力學(xué)性能影響也不是很大;(3)總結(jié)結(jié)果可以看出,活塞質(zhì)量的減小對整個柴油機的工作狀態(tài)的改善是有好處的。用鋼頂鋁裙活塞代替球墨鑄鐵活塞從改善柴油機運行狀態(tài),提升柴油機性能是基本可行的,是有好處的。

圖6 機體不平衡力及不平衡力矩對比曲線

圖7 最小油膜厚度對比曲線

[1]王成壽,李柱國.柴油機設(shè)計手冊[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1984.

[2]上海鐵道學(xué)院.機車柴油機動力學(xué)[M].北京:中國鐵道出版社,1983.

[3]段秀兵,郝志勇,岳東鵬.基于虛擬樣機技術(shù)的車用柴油機曲軸系統(tǒng)動態(tài)特性研究[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車.2004,4(2):31-33.