船用柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)組件動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析及壽命計(jì)算

李香梅

摘要：配氣機(jī)構(gòu)作為柴油機(jī)的兩大機(jī)構(gòu)之一，其組件的工作條件比較惡劣。本文以TBD234V6型柴油機(jī)作為動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和壽命計(jì)算方法的驗(yàn)證對(duì)象，基于多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/Views和疲勞壽命分析軟件MSC.Fatigue，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)中推桿、搖臂、氣門(mén)等建立剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和壽命計(jì)算，并作出相應(yīng)判斷。

關(guān)鍵詞：配氣機(jī)構(gòu)；強(qiáng)度；壽命

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Calculation on Dynamic Strength and Life of Valve Train for Marine Diesel Engine

LI Xiangmei

（China Maritime Police Academy， Ningbo 315801）

Abstract： Valve train is one of the two diesel engine frameworks and the working condition of it is very poor. This paper establishes the dynamic models of push rod， rocker arm and valve of valve train of a diesel engine TBD234V6 with the software ADAMS/Views and MSC. to calculate the dynamic strength and life of them. The results indicate that the dynamics performance of the valve train meets the needs of diesel engines.

Keywords： Valve train； Strength， Life

1 引言

機(jī)械零件的破壞有靜強(qiáng)度破壞與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度破壞兩種：靜強(qiáng)度破壞是由于靜載荷使得零件的危險(xiǎn)截面上應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致斷裂失效，或大于屈服點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)大殘余變形導(dǎo)致最終失效；動(dòng)強(qiáng)度破壞的一種典型形式是疲勞破壞，是由于零件局部應(yīng)力最大處在循環(huán)應(yīng)力作用下形成裂紋，然后逐漸擴(kuò)大成宏觀(guān)裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。如何消除這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，確保設(shè)備質(zhì)量和提高壽命，采用動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和壽命計(jì)算是其中的主要技術(shù)手段。本文以TBD234V6型柴油機(jī)作為驗(yàn)證對(duì)象，進(jìn)行初步的探索和總結(jié)。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及壽命計(jì)算方法

2.1動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析方法

基于多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，是在建立的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算出柔性體各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值，借助于ADAMS. Post Processor后處理模塊中的動(dòng)畫(huà)顯示工具和Durability工具，顯示柔性體應(yīng)力云圖和各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線(xiàn)。結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度計(jì)算流程如圖1所示。

2.2疲勞壽命計(jì)算方法

基于多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/Views和疲勞壽命分析軟件MSC.Fatigue的結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算方法，不僅能夠快速、準(zhǔn)確的計(jì)算出結(jié)構(gòu)的疲勞位置和壽命長(zhǎng)短，而且能夠獲得結(jié)構(gòu)的壽命云圖，直觀(guān)的反映結(jié)構(gòu)的壽命分布，且能夠快速找到結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)。運(yùn)用MSC. Fatigue軟件，根據(jù)S-N曲線(xiàn)進(jìn)行全壽命分析，是最傳統(tǒng)的全壽命分析法，它以材料或零件的應(yīng)力為基礎(chǔ)，用魚(yú)流循環(huán)計(jì)數(shù)法和Palmgren-Miner線(xiàn)性累計(jì)損傷理論進(jìn)行全壽命分析。全壽命（S-N）分析選擇諸如平均應(yīng)力修正方法和置信參數(shù)等不同的分析參數(shù)，可以應(yīng)用材料或零件的S-N曲線(xiàn)。這種方法能夠預(yù)測(cè)有較大損傷或破壞為止的總壽命，對(duì)材料各部位的損傷度、剩余壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)。疲勞壽命計(jì)算流程如圖2所示。

3 配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和壽命計(jì)算

3.1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

本文將配氣機(jī)構(gòu)中推桿、氣門(mén)以及搖臂做柔性化處理，建立柴油機(jī)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型。運(yùn)用Hypermesh軟件將需要柔性化的實(shí)體離散成比較規(guī)則的細(xì)小網(wǎng)格，以BDF格式導(dǎo)入到有限元分析軟件Patran中進(jìn)行前處理，包括定義材料屬性、單元屬性、外部連接點(diǎn)、求解參數(shù)等，然后提交Nastran計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算，獲得包含模態(tài)信息的模態(tài)中性文件。

3.2推桿強(qiáng)度計(jì)算和疲勞壽命分析

（1） 推桿強(qiáng)度計(jì)算

推桿處于挺柱和搖臂之間，其功能是將挺柱傳來(lái)的運(yùn)動(dòng)和作用力傳給搖臂。挺桿是細(xì)長(zhǎng)桿，傳遞的力很大容易產(chǎn)生彎曲，同時(shí)柴油機(jī)工作時(shí)推桿受到周期性變化的力作用容易產(chǎn)生疲勞。圖3是推桿的應(yīng)力云圖，其應(yīng)力最大值出現(xiàn)在推桿的中間，越靠近邊緣的應(yīng)力值越小，這是因?yàn)橥茥U工作時(shí)推桿兩端受力使得推桿產(chǎn)生彎曲，挺桿中間應(yīng)變最大，應(yīng)力也最大，其最大值位于節(jié)點(diǎn)5446處，。圖4是節(jié)點(diǎn)5446處的應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)，圖中應(yīng)力最大值出現(xiàn)在0.6397s，氣門(mén)處于開(kāi)啟時(shí)刻。從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，每一個(gè)工作循環(huán)，節(jié)點(diǎn)5446應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在一個(gè)相對(duì)固定的時(shí)間。圖5是一個(gè)循環(huán)周期節(jié)點(diǎn)5446應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)與氣門(mén)升程曲線(xiàn)，氣門(mén)升程最大時(shí)，節(jié)點(diǎn)5446應(yīng)力值也為最大。這是因?yàn)闅忾T(mén)升程最大時(shí)推桿彎曲變形最大，故應(yīng)力最大。這一結(jié)果與實(shí)際相符，計(jì)算結(jié)果可靠。

（2）推桿疲勞壽命分析

結(jié)構(gòu)或材料受到周期性的載荷作用，即使承受的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，結(jié)構(gòu)或材料也可能會(huì)失效。推桿經(jīng)受著典型的交變載荷的作用，容易出現(xiàn)疲勞破壞。本文采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS和MSC.Fatigue，對(duì)推桿進(jìn)行壽命計(jì)算，獲得挺桿的疲勞壽命云圖，如圖6所示。

圖中推桿壽命最短位置出現(xiàn)在中間位置附近，這是由于該位置挺桿變形較大、應(yīng)力較大的緣故。推桿最小循環(huán)次數(shù)為 ，以柴油機(jī)額定工況計(jì)算挺桿至少能安全工作5.1×107小時(shí)，所以在柴油機(jī)工作過(guò)程中，配氣機(jī)構(gòu)推桿不會(huì)出現(xiàn)疲勞失效。endprint

3.3搖臂強(qiáng)度計(jì)算與疲勞壽命分析

（1） 搖臂強(qiáng)度計(jì)算

搖臂作為配氣機(jī)構(gòu)中的重要組成部分，它將推桿和凸輪傳來(lái)的運(yùn)動(dòng)和作用力，改變方向傳給氣門(mén)使其開(kāi)啟和關(guān)閉。搖臂在擺動(dòng)過(guò)程中承受很大的彎矩，因此需要有足夠的強(qiáng)度和剛度。隨著柴油機(jī)的工作過(guò)程，搖臂承受周期性變化的作用力，因此搖臂強(qiáng)度與壽命值得關(guān)注。

圖7為搖臂應(yīng)力最大時(shí)應(yīng)力云圖，搖臂最大應(yīng)力位于長(zhǎng)臂臂身處，這是由于搖臂工作過(guò)程中短臂端受到推桿的推力、長(zhǎng)臂端受到氣門(mén)彈簧的反推力，使得長(zhǎng)臂端彎曲變形較大所致，應(yīng)力最大處節(jié)點(diǎn)號(hào)為15098。圖8為柴油機(jī)起動(dòng)至穩(wěn)定工況整個(gè)過(guò)程中15098號(hào)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)，圖中最大應(yīng)力出現(xiàn)在“模擬”起動(dòng)過(guò)程中。圖9為穩(wěn)定工況一個(gè)周期最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)間曲線(xiàn)，圖中搖臂最大應(yīng)力出現(xiàn)在氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻，也就是說(shuō)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻的沖擊對(duì)搖臂的影響最大。

（2） 搖臂疲勞壽命分析

基于建立的柴油機(jī)整機(jī)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，利用Fatigue軟件對(duì)搖臂進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。圖10為搖臂壽命云圖，搖臂壽命較小位置出現(xiàn)在搖臂的長(zhǎng)短臂身處，這是由于搖臂擺動(dòng)過(guò)程中承受較大的彎矩造成的，故在搖臂臂身設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用圓弧過(guò)度。由圖可知，搖臂壽命最短處壽命為 次循環(huán)，按照柴油機(jī)額定工況，一個(gè)循環(huán)的時(shí)間，搖臂最短壽命為 小時(shí)。

3.4 氣門(mén)強(qiáng)度計(jì)算與疲勞壽命分析

（1）氣門(mén)強(qiáng)度計(jì)算

本文忽略溫度對(duì)氣門(mén)熱應(yīng)力的影響，僅從機(jī)械應(yīng)力的角度對(duì)氣門(mén)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。圖11為排氣門(mén)應(yīng)力最大時(shí)應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力位于氣門(mén)桿身2976號(hào)節(jié)點(diǎn)處。圖12為柴油機(jī)起動(dòng)至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定排氣門(mén)應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)、應(yīng)力時(shí)間歷程與進(jìn)氣門(mén)升程曲線(xiàn)。由圖可知，氣門(mén)桿應(yīng)力隨著氣門(mén)運(yùn)動(dòng)周期性變化，在氣門(mén)開(kāi)啟瞬間氣門(mén)桿應(yīng)力最大，這是因?yàn)樵跉忾T(mén)開(kāi)啟時(shí)，搖臂對(duì)氣門(mén)的沖擊力和氣門(mén)彈簧反力的抑制共同作用的結(jié)果。圖13為排氣門(mén)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)、穩(wěn)態(tài)下一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線(xiàn)和氣門(mén)升程曲線(xiàn)。圖中應(yīng)力時(shí)間歷程曲線(xiàn)振蕩強(qiáng)烈，在氣門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉階段應(yīng)力較大，這是由于在氣門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉階段，氣門(mén)受到搖臂和氣門(mén)座的沖擊力，同時(shí)推桿、搖臂、氣門(mén)柔性效應(yīng)共同作用使得應(yīng)力波動(dòng)。

圖11 氣門(mén)應(yīng)力云圖

圖12 氣門(mén)應(yīng)力曲線(xiàn)（啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)）

圖13 氣門(mén)應(yīng)力與氣門(mén)升程曲線(xiàn)

（2） 氣門(mén)疲勞壽命分析

進(jìn)、排氣門(mén)受到周期性變化的彈簧力以及運(yùn)動(dòng)慣性力的作用，圖14是氣門(mén)疲勞壽命計(jì)算云圖。由圖可知，排氣門(mén)壽命較短的位置出現(xiàn)在氣門(mén)桿身中間位置，這是由于搖臂給氣門(mén)的作用力和氣門(mén)彈簧作用力共同作用的結(jié)果，氣門(mén)壽命為 次循環(huán)，以柴油機(jī)工作在額定工況下計(jì)算，排氣門(mén)工作壽命為 小時(shí)，因此該氣門(mén)不會(huì)因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)力出現(xiàn)疲勞失效的故障。

圖17氣門(mén)壽命云圖

4 小結(jié)

本文以建立柴油機(jī)整機(jī)剛?cè)峄旌隙囿w動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS和有限元軟件MSC.Patran以及疲勞壽命分析軟件MSC.Fatigue，對(duì)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)推桿、搖臂、氣門(mén)進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析和疲勞壽命計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知，該計(jì)算軟件完全適用推桿、搖臂、氣門(mén)等強(qiáng)度分析和壽命計(jì)算，滿(mǎn)足工作要求。基于多體動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合有限元和疲勞壽命分析軟件對(duì)柴油機(jī)構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析和壽命計(jì)算，可以方便得到構(gòu)件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布、最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的變化、壽命云圖等，可以為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)以及設(shè)備的使用與維護(hù)提供指導(dǎo)依據(jù)。

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