基于虛擬樣機技術的魚雷周轉斜盤發動機動力學分析

李 鑫, 王志剛, 萬榮華, 彭 博, 雷云龍

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基于虛擬樣機技術的魚雷周轉斜盤發動機動力學分析

李 鑫1, 王志剛2, 萬榮華1, 彭 博1, 雷云龍1

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 海軍裝備部, 北京, 100841 )

為了在魚雷發動機的設計階段進行正確選型, 基于虛擬樣機技術, 建立了不同型式周轉斜盤發動機的動力學模型, 包括靜缸式直導槽發動機、轉缸式直導槽發動機、靜缸式“8”字導槽發動機和轉缸式“8”字導槽發動機, 并運用ADAMS軟件對以上型式的發動機動力學性能進行了仿真分析。仿真結果表明, 從發動機的總體啟動性能、自平衡性、關鍵零部件之間的受力狀態以及工作平穩性等方面綜合考慮, 轉缸式直導槽周轉斜盤發動機相比較其他型式的發動機, 可基本實現自平衡, 轉速輸出波動不大, 在工程上應優先采用。

魚雷; 周轉斜盤發動機; 虛擬樣機; 動力學模型

0 引言

魚雷周轉斜盤發動機的動力傳動機構為空間連桿機構, 工作過程中各個零件在空間作復雜運動, 且由于約束型式的不同使其運動更加具有多樣性。以往對周轉斜盤發動機動力學的仿真分析多采用理論計算的方法, 且由于運動的復雜性其分析一般建立在一些簡化的基礎上, 在某些非線性的環節, 用傳統的分析方法相當繁瑣甚至難于計算。而運用虛擬樣機技術, 通過3D模型的定義, 參數化的建模工具, 可以精確地模擬物理模型, 得到更多更精確的結果, 可以從全局上對發動機進行多方案的評估和優化設計[1]。

在發動機的設計階段, 對發動機型式的選擇顯得尤為重要, 型式的差異將對發動機的動力性和經濟性指標產生較大影響。本文運用ADAMS軟件建立了各種不同型式周轉斜盤發動機的虛擬樣機模型, 并對它們的動力學性能進行了比較分析, 通過分析比較結果可對發動機設計階段的選型提供重要的理論依據。

1 周轉斜盤發動機的虛擬樣機建模及工作原理

周轉斜盤發動機按內外軸約束形式的不同,可分為轉缸式斜盤發動機(斜軸不動, 缸體轉動), 靜缸式斜盤發動機(斜軸旋轉, 缸體固定)以及對轉式周轉斜盤發動機(內外軸同時轉動)。目前已有工程應用背景的有轉缸式和靜缸式周轉斜盤發動機。斜盤和缸體之間可采用錐齒輪約束機構, 滾輪直導槽約束機構(見圖1)和“8”字導槽約束機構(見圖2)來保證轉動部件的同步性以及內外軸轉矩的可靠傳遞。由于錐齒輪約束機構在工作過程中會造成較大的振動和噪聲[2], 工程上一般用直導槽和“8”字導槽約束機構代替。因此, 本文所做的分析主要針對采用直導槽或“8”字導槽約束機構的轉缸式和靜缸式周轉斜盤發動機展開。

圖1 周轉斜盤發動機虛擬樣機

圖2 “8”字導槽約束機構

運用unigraphics軟件對周轉斜盤發動機進行了建模和裝配, 如圖1所示。

其工作原理: 缸內的高溫高壓氣體推動活塞做功, 活塞通過連桿將力傳遞給斜盤, 斜盤擠壓斜軸, 由于斜軸在空間傾斜一定的角度, 斜盤和斜軸之間將產生沿發動機軸線方向的驅動轉矩, 從而將活塞的往復運動轉換為輸出軸的旋轉運動, 滾輪和導槽之間形成滾輪導槽約束機構, 以保證運動部件的同步性[3]。

2 周轉斜盤發動機的動力學分析

通過parasolid格式將unigraphics下的模型導入ADAMS中進行動力學分析。然后在ADAMS中定義相對運動部件的材料、密度、運動副、驅動力以及阻力矩[4]。

為了使結果更具可比性, 現假設所有型式發動機的軸功率為120 kW, 轉速為2 000 r/min, 質量為63 kg。然后根據功率和轉速以及配氣關系對發動機的缸內工作過程進行數值模擬, 得到了一個周期內各個氣缸(見圖3)的驅動力隨轉角的變化曲線, 如圖4所示, 將它作為發動機的驅動力。

圖3 缸號表示

圖4 6個缸的缸內壓力曲線

2.1 不同滾輪導槽約束型式發動機動力學對比

2.1.1 對活塞速度影響

從仿真曲線可以看出, 采用直導槽約束機構, 1缸、2缸和3缸活塞的運動將變得不對稱, 即1, 2, 3缸的活塞運動到同一空間位置時, 其速度將有少許差別(見圖5), 而采用“8”字導槽約束機構, 各個缸活塞的運動將變得嚴格對稱, 活塞的運動更為平穩(見圖6)。

圖5 直導槽活塞速度

圖6 “8”字導槽活塞速度

2.1.2 對缸體和斜盤轉速影響

直導槽約束機構缸體和斜盤的轉動角速度不同步(見圖7), 它們的轉動角速度均有較大波動, 每個氣缸連桿前球心和后球心的運動狀態在主軸轉到同一空間位置時不一致, 使得各缸活塞的側向力也有較大差異?！?”字導槽約束機構使得缸體和斜盤的轉動角速度基本嚴格同步且比較平穩(見圖8), 保證了各個氣缸運動和受力的一致性, 避免某一缸活塞在工作過程中承受過大的側向力。

2.1.3 對滾輪和導槽之間受力影響

采用直導槽約束機構滾輪始終和一側導板有力的作用, 換向時也緊貼導板, 不會產生沖擊力(見圖9)。“8”字導槽約束機構采用6個滾輪和導槽, 6個滾輪中對稱的一對將同時工作, 且相鄰的滾輪工作時存在重疊。工作過程中滾輪和導板之間并不是一直接觸, 在滾輪和導板由不接觸變為接觸也就是在滾輪換向時, 它們之間存在著較大的高頻換向沖擊力(見圖10)。

圖7 直導槽缸體和斜盤轉速

圖8 “8”字導槽缸體和斜盤轉速

圖9 直導槽滾輪和導槽作用力

圖10 “8”字導槽滾輪和導槽作用力

2.2 不同型式發動機對轉速和啟動過程影響

從內外軸約束型式來說, 靜缸式發動機轉速波動較大, 轉缸式較為平穩(見圖11和圖12)。從滾輪導槽約束型式來說, 采用“8”字導槽約束機構的發動機其轉速比采用直導槽約束機構的轉速平穩(見圖13和圖14)。從實際過程定性分析, 轉缸式發動機和靜缸式發動機比較, 其外軸轉動部件較多, 回轉半徑大, 從一定程度上對轉速的波動有阻尼作用; 而采用“8”字導槽的轉缸式發動機其缸體和斜盤保持嚴格同步, 因此其轉速基本沒有波動, 可以保證發動機功率的穩定輸出, 這些和仿真曲線達到了很好的一致性。但在啟動速度方面, 靜缸式發動機明顯比轉缸式快。

圖11 靜缸式直導槽發動機轉速

圖12 轉缸式直導槽發動機轉速

圖13 靜缸式“8”字導槽發動機轉速

圖14 轉缸式“8”字導槽發動機轉速

2.3 周轉斜盤發動機的動平衡分析

周轉斜盤發動機為高速旋轉機械, 缸內壓力較高且頻繁進行著進氣、膨脹、排氣、壓縮過程, 空間運動復雜, 且加速度較高, 在工作過程中會產生慣性力和慣性力矩, 作用在動力裝置和雷殼的連接裝置上(如圖1中的連接處1和連接處2), 最終作用在殼體上引起整個魚雷的振動。因此, 可以從連接處1和連接處2的受力來對發動機的動平衡性能進行評估, 并采取添加配重的方法對其進行平衡。

由于“8”字導槽在大功率、高轉速工作中滾輪和導板之間會出現沖擊, 在工程中應用較少, 為節省篇幅, 僅對采用直導槽約束型式的周轉斜盤發動機進行分析。

2.3.1 轉缸式斜盤發動機的動平衡分析

轉缸式斜盤發動機在工作過程中產生的慣性力和慣性力矩包括2個方面: 1)活塞的往復慣性力矩和離心慣性力矩; 2)連桿部件的前球頭相對于旋轉缸體作往復運動, 后球頭和斜盤部件一起作旋轉運動, 而且由于采用了直導槽的約束方式, 導致缸體和斜盤的轉動不再同步, 因此6個連桿部件為空間的復雜運動將產生慣性力和慣性力矩。斜盤在空間作純旋轉運動且其旋轉軸線和自身對稱軸線重合, 因此不會產生慣性力和慣性力矩。圖15和圖16為連接處1和2的受力。

圖15 連接處1的受力(轉缸式)

圖16 連接處2的受力(轉缸式)

2.3.2 靜缸式發動機的動平衡分析

靜缸式發動機在工作過程中產生的慣性力和慣性力矩除了上述的2項外還包括: 1)擺盤的漸進運動產生慣性力和慣性力矩; 2)斜軸部件的不對稱產生的慣性力和慣性力矩。圖17和圖18為連接處1和連接處2的受力。

圖17 連接處1的受力(靜缸式)

圖18 連接處2的受力(靜缸式)

2.3.3 結果分析及改進措施

從仿真曲線上可以看出, 采用轉缸式發動機在連接處1和連接2的受力比較小(基本在200 N左右), 發動機基本實現了自平衡。

而采用靜缸式的機構, 連接處2的受力達到3 500 N左右, 表明其存在著較大的動不平衡量, 大小和方向同時變化的力作用在動力裝置和雷殼的連接處則會造成雷體的振動, 進一步產生噪聲影響自導系統正常工作, 因此必須對其配加平衡塊以實現其動平衡。

在工程上實現動平衡必須考慮在其結構允許的位置添加, 經分析可在圖1所示的位置添加配重, 設為配重塊1和配重塊2, 平衡后連接處2的受力如圖19所示。

平衡后在連接2處的受力減少了75%(最大值由3 500 N降為880 N), 但發動機的不平衡力和力矩不能完全平衡, 利用發動機的運動學和動力學分析, 是由于活塞的往復運動, 連桿的復雜運動以及直導槽的約束使發動機產生的總不平衡力和不平衡力矩并非簡單的隨內軸轉角的三角函數關系, 而是多種函數的疊加, 而且受到魚雷狹小緊湊結構限制, 只能平衡其中的部分主要分量。

圖19 連接處2的受力(平衡后靜缸式)

3 結論

綜合以上對周轉斜盤發動機的動力學分析, 可得出以下結論: 1) 轉缸式發動機(直導槽)可基本實現自平衡, 轉速輸出波動不大; 2) 靜缸式發動機(直導槽)的平衡性能比較差, 必須采用加平衡塊的方法對其主要的不平衡分量進行平衡, 轉速輸出波動較大; 3) “8”字導槽約束結構可以保證運動部件運動和受力的一致性, 且轉速基本沒有波動, 但其滾輪和導板之間的受力狀態比較惡劣(頻繁的換向沖擊), 而且導槽表面為復雜曲面, 加工和裝配精度比較高, 工程上不易使用; 采用直導槽約束機構滾輪始終和一側導板接觸, 不會發生換向沖擊, 結構簡單, 要求精度相對較低, 工程上比較容易實現; 4) 綜合考慮發動機動力學性能, 工程上應優先選用轉缸直導槽型式的斜盤發動機。

[1] 李鑫, 彭博, 何長富, 等. 魚雷凸輪發動機動力傳動機構相關參數化建模與仿真研究[J]. 魚雷技術, 2006, 14(5): 42-45. Li Xin, Peng Bo, He Chang-fu, et al. Correlatively Pa- rameterized Modeling and Dynamic Simulation of Power Transmission Mechanism for Torpedo Cam Engine [J]. Torpedo Technology, 2006, 14 (5): 42-45.

[2] 馬世杰. 魚雷熱動力裝置設計原理[M]. 北京: 兵器工業出版社, 1992.

[3] 趙連峰. 魚雷活塞發動機原理[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1991.

[4] MSC. Software. MSC. ADAMS/VIEW高級培訓教程[M]. 邢俊文, 陶永忠, 譯. 北京: 清華大學出版社, 2004.

Dynamic Analysis of Torpedo Swashplate Engine Based on Virtual Prototype Technology

LI Xin1, WANG Zhi-gang2, WAN Rong-hua1, PENG Bo1, LEI Yun-long1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Naval Armament Department, Beijing 100841, China)

Based on the prototype technology, we establish dynamical models for different types of torpedo swashplate engines, including the engine with straight groove and static cylinder, the engine with straight groove and rotational cylinder, the engine with 8-shape groove and static cylinder, and the engine with 8-shape groove and rotational cylinder, in order to select perfect types in torpedo swashplate engine design. The dynamical performances of the different engines are simulated and analyzed by using software ADAMS. The results show that the swashplate engine with straight groove and rotational cylinder is superior to other types of engines, comprehensively considering general starting performance, self-balance characteristic, force state on key parts, and working stability. This type of swashplate engine can basically realize self-balance, and its undulation of rotational speed output is small.

torpedo; swashplate engine; virtual prototype; dynamic model

TJ630.32

A

1673-1948(2011)04-0285-05

2011-01-15;

2011-01-31.

李 鑫(1982-), 男, 碩士, 工程師, 研究方向為魚雷熱動力技術.

(責任編輯: 陳 曦)