機車柴油機活塞改進前后曲柄連桿機構動力學對比分析

李明海,王 鵬,牟恕寬

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

隨著鐵路運輸的提速以及重載,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,設計了一種新結構鋼頂鋁裙活塞。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,特別是動力學性能方面的影響還不是十分清楚。本文從這一點出發,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虛擬樣機,并且在柴油機虛擬樣機內設定活塞的不同參數,模擬柴油機在不同活塞參數下的動力學特性,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定工作,可以認為曲軸是以恒定的角速度ω轉動;連桿的運動比較復雜:一方面是隨活塞做上下的往復運動,另一方面是由曲軸的轉動產生連桿的平面擺動;活塞只是沿著氣缸的上下往復運動。

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

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

2 樣機正確性的驗證

氣缸內氣體燃燒產生的爆發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值的大小和變化趨勢上吻合得很好,誤差在0.2%以內,驗證了應用GT-CRANK軟件進行柴油機動力學仿真的準確性。

3 設定參變量

圖1 16V240ZJ型柴油機動力學虛擬樣機模型(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量。因此把活塞的質量設為參變量,按照軟件的參變量設定方法進行。原來的球墨鑄鐵活塞質量是32.5 kg,而改進后的鋼頂鋁裙活塞的質量比球鐵活塞的質量輕,大約是27.5 kg,質量減輕大約是15%。那么參變量就設為32.5 kg和 27.5 kg。

4 計算結果分析

4.1 活塞質量對部件接觸力的影響

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

4.2 活塞質量對輸出扭矩的影響

由圖5分析得知,活塞質量小的情況下,柴油機的輸出扭矩平均值要比活塞大質量情況下要大,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(爆發壓力峰值與輸出扭矩的峰值有一個角度差)。

4.3 活塞質量對機體平衡性能的影響(圖6)

4.4 活塞質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 結論

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

(2)活塞質量變化之后相應的柴油機零部件接觸應力和部件的工作狀態也是變化的,但從曲線上看到,零部件的接觸應力并不是隨著活塞質量的變化而變化,它們之間不是線性關系;活塞質量的變化對主軸徑軸承的動力學性能影響也不是很大;(3)總結結果可以看出,活塞質量的減小對整個柴油機的工作狀態的改善是有好處的。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,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.柴油機設計手冊[M].北京:中國農業機械出版社,1984.

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

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