机车用某型柴油机曲臂结构强度评估报告.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n产品分析机车用某型柴油机曲臂结构强度评估报告王强,魏玉文,张小勇,王新飞,姚刚华,田越(河南柴油机重工有限责任公司,河南 洛阳 )摘要:为准确评估四冲程电力机车柴油机在安装时曲轴挂重的静态特性,结合C r e o D软件和AN S Y S软件对电力机车柴油机曲轴、连杆、活塞等部件进行三维实体建模,利用W o r k b e n c h完成静力学分析.挂重结构强度评估是综合考虑曲轴结构特点,对其进行受力、变形分析,为柴油机性能提升、安全性提高提供保证.关键词:曲轴;挂重;静力学分析中图分类号:T K 文献标识码:A文章编号:X()S t r e n g t hE v a l u a t i o nR e p o r t o fAT y p eD i e s e lE n g i n eB e n dA r mS t r u c t u r e f o rL o c o m o t i v eW a n gQ i a n g,W e iY u w e n,Z h a n gX i a o y o n g,W a n gX i n f e i,Y a oG a n g h u a,T i a nY u e(H e n a nD i e s e lE n g i n e I n d u s t r yC o,L t d,H e n a nL u o y a n g )A b s t r a c t:I no r d e r t oa c c u r a t e l ye v a l u a t e t h e s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c so f c r a n k s h a f t l o a d i n go f f o u r s t r o k e e l e c t r i c l o c o m o t i v ed i e s e l e n g i n e d u r i n g i n s t a l l a t i o n,t h r e e d i m e n s i o n a l s o l i dm o d e l i n go f c r a n k s h a f t,c o n n e c t i n g r o d,p i s t o n a n do t h e r c o m p o n e n t so f e l e c t r i c l o c o m o t i v ed i e s e l e n g i n ew a s c a r r i e do u t b yc o m b i n i n gC r e o Ds o f t w a r e a n dA N S Y Ss o f t w a r e,a n ds t a t i c s a n a l y s i sw a s c o m p l e t e db yW o r k b e n c h T h e s t r e n g t he v a l u a t i o no f t h e h a n g i n g s t r u c t u r e i s t o c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e c r a n k s h a f t s t r u c t u r e a n da n a l y z e i t s f o r c e a n dd e f o r m a t i o n,s oa s t op r o v i d e ag u a r a n t e ef o r i m p r o v i n g t h ep e r f o r m a n c e a n ds a f e t yo f t h ed i e s e l e n g i n e K e yw o r d s:C r a n k s h a f t;H a n g i n gw e i g h t;A n a l y s i so f s t a t i c s作者简介:王强(),男,汉族,河南洛阳人,工程师,学士,主要从事柴油机研发及成套应用.引言随着电力机车工业的发展,柴油机功率和尺寸越来越大,因机车内空间受限,柴油机与发电机之间采用单支撑结构,使得曲轴的工作条件越来越苛刻,曲轴的强度计算是柴油机设计中的一个关键问题.本报告以机车某型柴油机为研究对象,采用C r e o建立柴油机曲轴总成模型,应用W o r k b e n c h软件建立有限元模型,施加受力载荷,设置边界条件,开展电机挂重作用下曲臂变形特性计算.计算目的曲轴为柴油机的重要部件之一,它承受着周期性不断变化燃气冲击力、往复运动质量的惯性力、旋转质量的离心惯性力等复杂的交变载荷.当曲轴在围绕其轴线旋转时,由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生的离心力.这种不平衡离心力作用在曲轴轴承上会引起振动,产生噪声和加速轴承磨损.由于某型柴油机连接在飞轮端的电机采用单支撑方式,在机车用柴油机曲轴运转过程中发电机作为挂重,同样会导致曲轴质量分布不均匀而产生离心力等复杂载荷,曲臂因受力不均而产生相应变形.因此,针对柴油机电机挂重对曲臂变形的影响,对其进行强度校核.曲轴有限元模型的建立 曲轴三维几何模型柴油机曲轴飞轮端连接部分依次包括飞轮法兰、飞轮、电机连接件、发电机轴系(其中一段由发电机轴承支撑).图为某型柴油机的曲轴三维模型.图柴油机曲轴三维模型(不包含电机轴)网格划分本文采用四面体网格划分方法对曲轴进行网格划分,控制B o d y s i z i n g为 mm,采用s o l i d 单元,保留曲臂的结构细节,提高曲臂网格密度,对于其他影响不大的过渡边缘、圆孔和倒角进行了简化,建立的曲轴有限元模型如图所示,网格单元质量较好,能够比较精确地进行计算.设置曲轴材料为s t e e l,弹性模量为 P a,泊松比为,密度为 k g/m.图划分网格后的曲轴模型理论计算及边界条件的设定 主要输入参数发动机曲轴的受力情况比较复杂,主要受到各气缸气体交变的压力、往复直线运动的惯性力和离心力的作用,年第 期这些载荷使曲轴产生交变的弯曲和扭转应力与变形.由于曲轴的横向变形主要由弯矩产生,因此计算时忽略扭矩.本次计算主要考虑电机挂重对曲轴变形的影响,故可将电机等挂重简化成一个集中力,其中曲轴电机的结构简化模型如图所示.表主要输入参数序号参数名称数值单位转速 r/m i n连杆长度 mm缸径 mm冲程 mm单缸往复质量 k g曲柄连杆比 气缸排列夹角 图曲轴电机结构简化模型及相关尺寸参数表电机部件等效质量参数表序号位置质量(k g)电机转子中心处 联轴器处 飞轮处 飞轮法兰处 曲轴弯矩产生的主要因素有连杆施加给曲轴颈的力和曲轴的惯性力.其中连杆施加曲轴颈的力的组成比较复杂,有气缸内气体压力传递的力、活塞往复运动的惯性力和连杆平面复杂运动等效的惯性力.对于静力条件下的计算,暂不考虑连杆平面复杂运动的惯性力.柴油机各缸发火规律,如下(A/B列),发火顺序:A B A B A B A B A B A B A B A B A B A B,发火间隔角:A B ,B A ,按第一缸曲拐曲柄销处受最大径向力时进行准静态计算.缸内气体压力及往复惯性力计算 缸内气体压力缸内气体压力是随曲柄转角不同而作周期性变化的.气体压力作用在活塞顶上,通过活塞销传递到曲柄连杆机构.由式()计算得气缸压力如图所示:PgpgD(N)()式中,pg随曲柄角变化的缸内气体压力(P a);D气缸直径(m).图气缸压力曲线 图曲柄销作用力分析 往复惯性力在曲柄连杆机构中,活塞组质量mp和连杆小端代替质量mC A都沿气缸中心线作往复运动,因此,集中在活塞销中心作往复直线运动的质量为mjmpmC A(k g)()惯性力的大小等于运动质量和加速度的乘积,而方向则与加速度相反,因此,曲柄连杆机构总的往复惯性力为Pjmja(N)()Pj称为一级往复惯性力,Pj称为二级往复惯性力.由于四级及以上的往复惯性力的影响较小,所以本报告只考虑一级和二级往复惯性力.活塞销受力分析该模型计算系统激励力主要由两部分组成,即气缸爆发压力和往复惯性力,由曲柄连杆动力学得到.受力分析如图所示,理论分析如下:连杆推力Pc沿连杆中心线传递到曲柄销中心B点处,又可分解为互相垂直的二个分力PT和PN(见图):pTpcs i n()ps i n()c o spNpcc o s()pc o s()c o s()pT的作用方向与曲柄圆相切,称为切向力.pN垂直于曲柄圆,是沿曲柄方向的向心作用力,称为法向力或径向力.用式()代入pT表达式中,经整理后得s i ns i nRLs i ns i n()pTps i nc o s c o ss i nc o sps i ns i n s i n()设置载荷及边界条件采用W o r k b e n c h进行静力学分析时,模型设置如图所示,连杆对曲柄销的力以F o r c e的形式加载到各个曲柄销的表面,主轴颈的位置采用B e a r i n g组件模拟主轴承对主轴颈的支撑,轴承刚度设置为 N/m,施加全局重力加速度 m/s,自由端固支,输出端约束轴向位移,将飞轮法兰、飞轮、中间联轴器、电机转子这四部分的集中质量以R e m o t eF o r c e的形式施加在相应位置上.图系统激励力施加情况图曲柄销径向激励力内燃机与配件w w w n r j p j c n根据上述提供数据计算系统的激励力,得到系统的激励力如下图所示,由于曲轴的变形主要由弯矩产生,故仅考虑曲柄销内部平衡问题,仅施加径向激励而忽略产生扭矩的切向力.计算结果 安装状态曲轴变形计算在仅考虑挂重和曲轴自身重力的情况下,对其进行静力学计算,读取安装状态下的曲轴全变形结果,如图所示,其中,曲轴左端为输出端,曲轴右侧为自由端.安装状态下的曲轴全变形局部放大图如图所示.结果表明,安装状态下的曲臂最大变形为 mm.图安装状态曲轴全变形图安装状态曲轴全变形局部放大对曲臂沿轴向的变形结果进行提取,如图 所示.对第一缸的曲臂变形结果进行局部放大,如图 所示,结果表明曲臂的轴向最大绝对变形为 mm,轴向相邻两个曲臂间相对变形量约为 mm.图 安装状态曲轴轴向全变形图 安装状态曲轴轴向全变形局部放大 运行状态曲轴变形计算对运行状态曲臂变形最大的部位进行局部放大,如图 所示.结果显示图示的曲臂绝对变形量为 mm,轴向相邻两个曲臂间相对变形量为 mm.图 运行状态曲轴局部全变形对曲臂沿轴向的变形局部放大图,如图 所示.结果表明曲臂的轴向最大变形出现在距输出端第八个主轴颈处(图中M a x标识处),根据局部图示可知其最大变形量为 mm.图 运行状态曲轴局部变形对运行状态下的曲臂的应力结果进行局部放大,如下图 所 示.结 果 表 明,飞 轮 端 面 最 大 应 力 值 为 MP a,靠近飞轮端第个缸对应的主轴颈和曲臂处应力较大,最大值约为 MP a.图 曲轴应力云图曲臂局部放大图结论本文应用W o r k b e n c h中R e m o t e F o r c e模块将飞轮法兰、飞轮、中间联轴器、电机转子这四部分的集中质量施加在相应位置上,模拟电机挂重;主轴颈的位置设置轴承刚度模拟主轴承对主轴颈的支撑;施加全局加速度g,模拟曲轴电机系统重力;两端约束条件为自由端固支,输出端约束轴向位移模拟止推轴承.针对安装状态应用W o r k b e n c h软件建立有限元模型,施加受力载荷,设置边界条件,开展电机挂重作用下曲臂变形特性计算,并读取相应计算结果,最终得出以下主要结论:在安装状态下,曲臂变形最大值出现在第一缸所对应的曲臂处,其曲臂变形量为 mm,曲臂的轴向最大绝对变形为 mm,相对变形量约为 mm;飞轮端面最大应力约 MP a,靠近飞轮端第个缸所对应的曲臂和 曲 柄 销 连 接 处 应 力 较 大,该 处 最 大 应 力 约 为 MP a.在运行状态下,曲臂绝对变形量为 mm,相对变形量为 mm,曲臂的轴向最大变形出现在主轴颈处,根据局部图示可知其最大变形量为 mm;飞轮端面最大应力值为 MP a,靠近飞轮端第个缸对应的主轴颈和曲臂处应力较大,最大值约为 MP a.根据C B/T 船用柴油发电机组原动机维修技术要求规定曲臂差变形量 S,某型柴油机冲程 mm,即安装状态下曲臂差限值 mm.本文计算出的安装状态下曲臂差为 mm,满足标准要求.参考文献:杨万里,许敏,潘影影,等发动机曲轴系统动力学数值模拟研究 J内燃机工程,():王才峰内燃机曲轴轴系扭振的多体动力学分析D杭州:浙江大学,孙连科,唐斌,薛冬鑫,等 柴油机曲轴的三维有限元分析J车用发动机,():林 大 渊内 燃 机 设 计 M天 津:天 津 大 学 出 版社,陈大荣船舶柴油机设计M北京:国防工业出版社,