某型柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真分析

張曉，蘇明亮，王娟，李明海

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)*

某型柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真分析

張曉1，蘇明亮2，王娟1，李明海1

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)*

為滿足某型柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的油壓及流量等參數(shù)要求，以柴油機(jī)的三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，利用AMESim仿真軟件進(jìn)行建模，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的深入分析，確定了適合此柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的機(jī)油泵油壓和流量等關(guān)鍵參數(shù)，最終選定一款出口流量為736.6 L/min，出口壓力為0.804 MPa的機(jī)油泵，這一款機(jī)油泵能夠滿足柴油機(jī)內(nèi)各個(gè)零部件的潤(rùn)滑需要.

柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng);油壓;機(jī)油泵;仿真

0 引言

跟以往的內(nèi)燃機(jī)相比，近年來對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，對(duì)零部件的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的工作原理[1]都要有一個(gè)更深的了解.現(xiàn)階段通過各種仿真軟件可以將整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)建模并且對(duì)其進(jìn)行仿真運(yùn)算，從而得出我們想要的結(jié)果，并且根據(jù)這些結(jié)果對(duì)內(nèi)燃機(jī)做出相應(yīng)的改進(jìn).

本文通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)某型柴油機(jī)的整個(gè)機(jī)油潤(rùn)滑系以及其中的每個(gè)零部件進(jìn)行建模，畫出相對(duì)應(yīng)的二維模型，然后在此模型中輸入已知的以及后來計(jì)算出的參數(shù)并設(shè)置好邊界條件，進(jìn)行仿真運(yùn)算并得出仿真結(jié)果；從而選出最適合這部發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油泵.

1 柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)主要由油底殼、機(jī)油泵、冷卻器、主油道、軸承以及活塞的部件構(gòu)成，另外，還會(huì)有溫度表和機(jī)油壓力表等輔助部件等.其中潤(rùn)滑油的流動(dòng)路徑大致相同，可能會(huì)根據(jù)不同的外部結(jié)構(gòu)或者外部條件等有所不同，某型柴油機(jī)具體的油路如圖1所示[2].

圖1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油流動(dòng)路徑

存儲(chǔ)在油底殼中的機(jī)油被機(jī)油泵吸出來經(jīng)過溢流閥和外部冷卻系統(tǒng)進(jìn)入機(jī)體內(nèi)，機(jī)體內(nèi)有一條主油道貫穿整個(gè)機(jī)體組，然后從主油道上的橫向油管進(jìn)入曲柄連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)，并且對(duì)相應(yīng)的軸承以及活塞組進(jìn)行潤(rùn)滑[3].潤(rùn)滑油經(jīng)過主油道流向曲軸，通過曲軸和連桿內(nèi)的油道流向活塞，對(duì)活塞和氣缸壁進(jìn)行潤(rùn)滑，最后流回油底殼.

2 油膜承載能力分析

內(nèi)燃機(jī)能夠穩(wěn)定工作時(shí)一些重要零部件之間是不能直接接觸的，必須在兩個(gè)零部件的表面添加適量的潤(rùn)滑油，使其能夠在相應(yīng)的零部件表面形成一層薄薄的油膜，這樣就能避免零部件之間的直接接觸，從而達(dá)到對(duì)工作系統(tǒng)以及零部件的潤(rùn)滑.

零部件之間的油楔和相對(duì)運(yùn)動(dòng)是能夠形成油膜必不可少的兩個(gè)條件.另外，機(jī)油泵所提供的機(jī)油量要足夠大才能滿足各零部件的潤(rùn)滑.潤(rùn)滑系統(tǒng)中零部件之間油膜的形成可以用下圖來表示，如圖2所示；當(dāng)內(nèi)燃機(jī)不工作時(shí)軸是不轉(zhuǎn)的，它會(huì)處于最下端的C點(diǎn)，并且是跟軸承接觸的；一旦內(nèi)燃機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，各個(gè)軸也會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)，軸的旋轉(zhuǎn)同時(shí)會(huì)帶動(dòng)軸承間隙中的潤(rùn)滑油一起轉(zhuǎn)動(dòng)，由于軸承和軸頸之間間隙的作用，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油具有一定的壓力，這個(gè)力會(huì)作用在軸上，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，潤(rùn)滑油的油量也會(huì)相應(yīng)的增加，由此產(chǎn)生的力也會(huì)增加，軸就會(huì)與軸承脫離并完全被油膜包圍；這樣就能將摩擦阻力最小化，減少了對(duì)零部件的摩擦損耗，從而達(dá)到潤(rùn)滑的目的.

圖2 潤(rùn)滑油膜示意圖

除此之外，潤(rùn)滑油的選擇同樣對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)有著重要的影響，一般情況下潤(rùn)滑油中都會(huì)含有抗氧化劑、防腐劑等添加劑，目的是為了大大提高潤(rùn)滑油的綜合性能；通過試驗(yàn)可測(cè)出潤(rùn)滑油的低溫流動(dòng)性、黏度等主要性能參數(shù).機(jī)油的黏度會(huì)隨著溫度的升高而下降，導(dǎo)致機(jī)油變稀，流動(dòng)性好；相反的，如果外部溫度降低，機(jī)油的黏度就會(huì)隨之升高，導(dǎo)致機(jī)油變稠.因此，我們要根據(jù)季節(jié)的不同選擇合適的潤(rùn)滑油來保證整個(gè)柴油機(jī)的正常運(yùn)行.

3 仿真計(jì)算分析

3.1 潤(rùn)滑系統(tǒng)模型的建立

通過AMESim軟件對(duì)某整個(gè)內(nèi)燃機(jī)的三維模型進(jìn)行整體建模分析.仿真模型主要有機(jī)油泵、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及缸頭的油路組成[4].另外，還有溫度表和機(jī)油壓力表等輔助部件.表1為某型柴油機(jī)的主要數(shù)據(jù)參數(shù)，表2為受力軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)，表3列出的是選擇的機(jī)油密度以及運(yùn)動(dòng)粘度.

表1 某型內(nèi)燃機(jī)已知數(shù)據(jù)

表2 主要軸承參數(shù)

表3 潤(rùn)滑油主要參數(shù)

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

油底殼中的機(jī)油是通過機(jī)油泵吸出并加壓，然后經(jīng)過一系列的外部輔助系統(tǒng)冷卻過濾后進(jìn)入主油道的，隨著機(jī)油流動(dòng)、管徑變化產(chǎn)生的摩擦阻力等，主油道末端的壓力有所降低，尤其是缸蓋部分的油管比較細(xì)可能會(huì)導(dǎo)致油壓的降低.所以,為了能夠使內(nèi)燃機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就一定要確保油道內(nèi)的潤(rùn)滑油有足夠的壓力.要想滿足這一要求，可以根據(jù)下式[5]:

其中,r代表著曲軸半徑，r=137.5 mm；rmin為離中心最近點(diǎn)，值為0 mm.經(jīng)過計(jì)算得出油道內(nèi)的最低油壓應(yīng)不小于0.058 MPa.

綜合考慮各種因素之后，最終確定機(jī)油溫度為85℃、在轉(zhuǎn)速為標(biāo)定工況下對(duì)柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算.仿真運(yùn)算結(jié)束后，可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，調(diào)用結(jié)果文件，并能生成各種性能圖進(jìn)行分析.應(yīng)用AMESim軟件仿真結(jié)果可以詳細(xì)分析各零部件內(nèi)的油壓和流量.計(jì)算結(jié)果顯示：機(jī)油泵出口處的油壓力約為0.804 MPa，如圖3，經(jīng)過熱交換器之后會(huì)有一個(gè)壓降，所以到達(dá)柴油機(jī)內(nèi)主油道處的油壓為0.48 MPa；圖4所示為主油道入口壓力.

圖3 機(jī)油泵出口壓力

圖4 主油道進(jìn)口處油壓

機(jī)油經(jīng)過主油道之后因?yàn)槟Σ恋淖饔靡矔?huì)有壓力損耗；在主油道最遠(yuǎn)端的壓力約為0.47 MPa左右，如圖5所示；搖臂的入口壓力為0.109 MPa，如圖6所示，壓力損失明顯[6].各連桿軸承進(jìn)口壓力值略有差異，約為0.43 MPa左右；凸輪軸軸承進(jìn)口壓力也是略有差異，大約在0.47 MPa左右.由于流動(dòng)的沿程損失，后面的軸承進(jìn)口油壓雖然略有下降，但經(jīng)計(jì)算得出的各處油壓能夠滿足使用要求，潤(rùn)滑系統(tǒng)可以保證整個(gè)內(nèi)燃機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn).

圖5 主油道最末端油壓

圖6 搖臂入口壓力

除了機(jī)油泵的壓力之外，機(jī)油泵出口的流量也是一項(xiàng)衡量機(jī)油泵性能的參數(shù)，機(jī)油流經(jīng)主油道，在主油道的末端連接到凸輪軸，機(jī)油通過凸輪軸上的支管對(duì)凸輪軸軸承以及燃油泵滾輪進(jìn)行潤(rùn)滑.經(jīng)仿真計(jì)算得出機(jī)油泵的出口流量為736.6 L/min，見圖7.這一流量值能夠保證潤(rùn)滑系統(tǒng)內(nèi)有足夠的潤(rùn)滑油，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)內(nèi)燃機(jī)體內(nèi)各摩擦副的潤(rùn)滑.

圖7 機(jī)油泵出口流量

4 結(jié)論

(1)本文根據(jù)柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)以及受力分析，應(yīng)用AMEsim軟件對(duì)某型柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化解決辦法;

(2)分析結(jié)果表明:出口流量為736.6 L/min，出口壓力為0.804 MPa的機(jī)油泵能夠滿足本柴油機(jī)各個(gè)零部件的潤(rùn)滑需要.本款柴油機(jī)在保證性能的前提下同時(shí)能夠滿足各部件的潤(rùn)滑要求而且還能降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損耗.

[1]李明海，徐小林．內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2010：214- 224.

[2]劉峰.柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真及優(yōu)化研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2012：23- 24.

[3]張湘東．解開汽車行走之謎[六]——潤(rùn)滑系統(tǒng)[J]．駕駛園，2007(8)：104- 106.

[4]劉天將．柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的仿真模擬與試驗(yàn)研究[D]．南京：江蘇大學(xué)，2011：28- 50.

[5]曹旭．發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真與試驗(yàn)研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2008：19- 37.

[6]楊躍斌．國(guó)Ⅴ柴油機(jī)正向開發(fā)中潤(rùn)滑系統(tǒng)的分析研究[D]．天津：天津大學(xué)，2012：35- 50.

Simulation Analysis of Diesel Engine Lubrication System

ZHANG Xiao1，SU Mingliang2,WANG Juan1，LI Minghai1

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028，China； 2.Shuo Huang Railway Development Company with Limited Liability,Sunning 062350,China)

To satisfy the requirements of a certain type of diesel engine lubrication system and stable operation of oil pressure and flow parameters.AMESim simulation software is used to construct a three-dimensional entity model of diesel engine.Through in-depth analysis of the calculation results,the oil pressure and flow rate are determined,which provides a theoretical basis and design reference for oil pump selection.

diesel engine lubrication system;oil pressure;oil pump；simulation

1673- 9590(2017)05- 0042- 04

A

2016- 03- 09

張曉(1991-)，男，碩士研究生; 李明海(1962-)，男，教授，碩士，主要從事內(nèi)燃機(jī)仿真與性能優(yōu)化的研究

E-mail:dlminghai@vip.sina.com.