柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)模態(tài)及活塞特性分析

高廣強(qiáng)，蔡衛(wèi)國(guó)，尚振國(guó)，武立波

（大連海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)模態(tài)及活塞特性分析

高廣強(qiáng)，蔡衛(wèi)國(guó)，尚振國(guó)，武立波

（大連海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

以S195型柴油機(jī)為例，應(yīng)用Inventor軟件對(duì)曲柄、連桿及活塞進(jìn)行實(shí)體建模。利用Autodesk Algor軟件對(duì)曲柄、連桿進(jìn)行自由模態(tài)分析，對(duì)活塞溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真分析。模態(tài)分析及活塞特性結(jié)果為柴油機(jī)性能優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。

曲柄連桿；模態(tài)分析；活塞特性；性能優(yōu)化

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是柴油機(jī)的重要組成部分，它將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)變?yōu)榍男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲柄、連桿和活塞系統(tǒng)是柴油機(jī)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、承受載荷最大的部件，它的性能直接影響著柴油機(jī)的可靠性和壽命[1～2]。對(duì)曲柄、連桿和活塞系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，可以更好地進(jìn)行零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能分析，為柴油機(jī)整體結(jié)構(gòu)減振、降噪打下基礎(chǔ)[3]。

本文以S195型柴油機(jī)為例，首先利用Inventor軟件對(duì)曲柄、連桿及活塞進(jìn)行實(shí)體建模，然后，應(yīng)用Autodesk Algor軟件對(duì)曲柄、連桿進(jìn)行模態(tài)分析，并對(duì)活塞溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，為柴油機(jī)性能優(yōu)化提供了可靠的理論依據(jù)。

1 實(shí)體模型建立

S195柴油機(jī)是小型臥式、單缸、四沖程、蒸發(fā)水冷式冷凝水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)輕巧、移動(dòng)方便、安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)操作簡(jiǎn)易和工作可靠等特點(diǎn)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 S195型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

S195柴油機(jī)曲柄連桿系統(tǒng)由曲柄、連桿、活塞等主要零部件組成，根據(jù)Cad圖紙進(jìn)行1:1比例建模，利用Autodesk Inventor軟件建立的三維實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 實(shí)體模型

2 曲柄、連桿模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定機(jī)構(gòu)或部件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，同時(shí)也是其他動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題的起點(diǎn)[4]。

2.1 曲柄模態(tài)分析

將曲柄實(shí)體模型導(dǎo)入Autodesk Algor有限元分析軟件中，單元類(lèi)型設(shè)置為四面體，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，材料設(shè)置為AISI1005 steel，對(duì)應(yīng)的基本特性是：質(zhì)量密度為 7.872E+03kg/m3，彈性模量為 2.0E+11N/m2，泊松比為0.29。由于較低階的固有頻率對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響最大，因此觀察曲柄第7到第10階振型，如圖2所示。

第7階振型固有頻率為1 142 Hz，振型如圖2（a）所示：曲軸以主軸頸為中點(diǎn)，曲軸兩端作對(duì)稱(chēng)的左右擺動(dòng)；第8階振型固有頻率為1 272 Hz，振型如圖2（b）所示，曲軸的左端伴有逆時(shí)針的小幅扭轉(zhuǎn)；第9階振型固有頻率為1 653 Hz，振型如圖2（c）所示，曲軸左端逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)，曲軸右端作反向的小幅轉(zhuǎn)動(dòng)；第10階振型固有頻率為2 165Hz，振型如圖2（d）所示：曲軸右端作大幅度的扭轉(zhuǎn)。通過(guò)觀察曲柄的振型圖，得到曲柄的低階模態(tài)基本是以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為主要變形形式，利用分析結(jié)果，在設(shè)計(jì)中根據(jù)曲柄的固有頻率，避開(kāi)曲柄危險(xiǎn)的頻率段，既可以保證曲柄的安全運(yùn)行又可以延長(zhǎng)曲柄的使用壽命。

圖2 曲柄振型

2.2 連桿模態(tài)分析

連桿有限元網(wǎng)格劃分采用四面體單元，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，材料選用合金鋼，選用20節(jié)點(diǎn)Solid92單元，連桿劃分共產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15 081個(gè)，單元總數(shù)為9 862個(gè)。連桿材料特性為彈性模量2.0E+11N/m2，泊松比0.3，質(zhì)量密度為7.8E+3 kg/m3。連桿第7到第10階振型如圖3所示。

圖3 連桿振型

由上述振型圖可以得出連桿的振動(dòng)形式集中表現(xiàn)為彎曲振動(dòng)。其中，第7階振型為繞y軸的略微扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，應(yīng)力集中在連桿小頭部分；第8階振型為繞z軸的彎曲振動(dòng)，應(yīng)力集中在桿身，節(jié)點(diǎn)位置在桿身的中部；第9階、第10階振型為繞x軸的彎曲振動(dòng)，連桿大頭與桿身結(jié)合處應(yīng)力較為集中，變形明顯，節(jié)點(diǎn)位置在連桿的頭部。由此可見(jiàn)，連桿應(yīng)力主要集中在桿身與大、小頭的連接部位，但桿身的中間部位應(yīng)力也應(yīng)該在設(shè)計(jì)中充分考慮。

3 活塞特性分析

3.1 溫度場(chǎng)分析

建立活塞實(shí)體模型后，應(yīng)用Autodesk alogr軟件對(duì)活塞進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。活塞頂部溫度場(chǎng)分布如圖4所示，等溫面分布如圖5所示。從圖中可知，穩(wěn)態(tài)下活塞外側(cè)面沿軸由上到下溫度遞減，活塞頂部穩(wěn)態(tài)條件下表面溫度最高，燃燒室的上部溫度可達(dá)364.65℃，第一環(huán)槽處溫度約為320℃，活塞銷(xiāo)處最高溫度大約為260℃。分析結(jié)果表明環(huán)槽因?yàn)榇嬖诶鋮s油道從而使溫度明顯降低，環(huán)區(qū)溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油失效，從而造成活塞環(huán)產(chǎn)生粘結(jié)，造成環(huán)槽磨損、變形，甚至報(bào)廢[5～6]。

圖4 活塞頂部溫度場(chǎng)分布圖

圖5 活塞溫度場(chǎng)等溫面分布圖

3.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

對(duì)活塞銷(xiāo)孔上表面進(jìn)行固定約束，活塞頂部的燃?xì)獗l(fā)壓力按均布載荷處理。活塞應(yīng)力分布如圖6所示，矢量位移如圖7所示。從圖中可知，活塞銷(xiāo)孔的上表面承受最大壓力為218MPa，應(yīng)采用耐壓材質(zhì)材料，另外，活塞銷(xiāo)孔的最大變形也在此處，對(duì)于活塞銷(xiāo)孔以及活塞銷(xiāo)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

圖6 應(yīng)力分布圖

圖7 矢量位移圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)曲柄、連桿的模態(tài)分析，得到了曲柄、連桿的振型和固有頻率。通過(guò)對(duì)活塞的特性分析，得到了活塞的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布圖。得出以下結(jié)論：

（1）曲柄的低階模態(tài)以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為主要變形形式，在設(shè)計(jì)中應(yīng)避開(kāi)曲軸危險(xiǎn)的固有頻率段；連桿的應(yīng)力一般集中在大、小頭連接部位,但桿身的中部應(yīng)力集中現(xiàn)象也較明顯,因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮，避免連桿的中部產(chǎn)生過(guò)多的彎曲振動(dòng)；

（2）活塞的最高溫度位于活塞頂面燃燒室的邊緣附近，這就要求活塞燃燒室邊緣必須有合適的倒圓角，否則將引起熱應(yīng)力集中和燒蝕現(xiàn)象。

[1]戴全春，趙建平.柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)和耦合應(yīng)力計(jì)算[J].柴油機(jī)，2012，34（4）:39-43.

[2]代偉峰，樊文欣，程志軍.基于ANSYS的連桿模態(tài)特性分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007（4）:39-41.

[3]李 鵬，張寶成，趙開(kāi)敏.發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性分析與仿真[J].機(jī)電技術(shù)，2011（6）:103-105.

[4]李文軍.基于有限元傳動(dòng)軸振動(dòng)仿真與試驗(yàn)的研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2013，26（4）:96-97.

[5]王 凱，周 娜，蘇軼熊.4L132柴油機(jī)活塞設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2012，18（4）:15-21.

[6]成中清，蔡敢為，周曉蓉.6108柴油機(jī)曲軸有限元分析[J].裝備制造技術(shù)，2010（1）:27-29.

The Analysis of Crank Connecting Rod Modaland Piston Characteristic for DieselEngine

GAOGuang-qiang，CAIWei-guo，SHANG Zhen-guo，WU Li-bo
（SchoolofMechanicaland Power Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

As an example of S195 diesel engine,the 3D solid modeling of crank rod system has been established by using Autodesk inventor.Freemode of crank and connecting rod has been discussed using Autodesk algor simulation,besides the temperature field and stress field of the piston have been simulated.The results of three-dimensional finite elementanalysisprovide reliable basis for dieselengine performance optimization.

crank connecting rod；modeanalysis；piston characteristic；performance optimization

TK422

B

1672-545X（2014）04-0047-02

2014-01-04

高廣強(qiáng)（1990—），男，河南永城人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬仿真技術(shù)；通訊作者：蔡衛(wèi)國(guó)（1970—），男，內(nèi)蒙赤峰人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)與智能診斷。