某型柴油機曲軸系統動力特性研究

陳銀平

摘 ? 要：針對于柴油機曲軸系統動力特性的研究問題，首先我們要對于柴油機曲軸系統進行了解，掌握柴油機曲軸系統的工作原理，最后對于柴油機曲軸系統的動力特性進行研究。起初，將根據柴油機曲軸系統的工作原理建立柴油機曲軸系統在動力學方面上的模型，然后依據多體動力學原理以及有限元的方法對柴油機曲軸系統動力的特性進行研究，再然后根據我們所得到的研究成果，主要是在不同的旋轉速度下曲軸在曲柄處的受力載荷、主軸的承受力載荷以及副軸的承受力載荷等，最終我們將得知在不一樣的轉速下，柴油機曲軸系統發生的最大變形主要出現在與柴油機的連接部分，受到的最大應力主要發生在曲拐部位。

關鍵詞：柴油機曲軸系統 ?動力特性 ?研究

中圖分類號：U461 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0079-02

要想對于柴油機曲軸系統動力特性進行深一步的研究，這里將先介紹柴油機的工作原理以及曲軸系統的結構特點和技術要求。

1 ?柴油機的工作原理以及曲軸系統的結構特點

柴油機在進行工作時都要經歷四個過程，它們依次是進氣過程、壓縮過程、做功過程、排氣過程。柴油機在進行工作時首先在進氣過程需要吸入純凈的空氣，其后在進行壓縮過程時，特別是在進入到壓縮過程的末尾時，我們需要將柴油機的柴油經過噴油泵將柴油的壓強提升到12MPa以上，然后經過噴油器當到達霧狀時將其噴入到氣缸內，隨后噴入的霧狀氣體將在很短的時間內和經過壓縮的高溫空氣進行融合，從而形成可以燃燒的混合空氣。在壓縮過程的末尾時，氣缸內的壓強可以達到3.7～4.6MPa，缸內的溫度也高達478.5℃～725.5℃，遠遠超出了柴油的自燃溫度，所以，柴油在進行入到氣缸后在極短的時間內就會燃燒，燃氣的壓力會迅速達到7～9MPa，溫度也將急劇上升，最終，在高壓氣體的推動之下，活塞將向下運動將廢氣從排氣門中排除到大氣中，在此同時，曲軸也將旋轉運動。

曲軸主要是由主軸與連接軸組成，曲軸主要是將活塞進行的往復運動經過連接軸使其形成回轉運動，所以曲軸不但要承受一定周期的彎曲力矩，與此同時曲軸還將承受離心力以及在進行旋轉時所產生的附加應力，曲軸在進行工作的過程中要經歷高速度的運轉，因此，曲軸在硬度方面、強度方面、耐磨性方面等有著很嚴格的要求。所以，在制作曲軸的工作廠間里通常會采取高強度的材料進行加工，在曲軸的軸徑處還要經過熱處理來加強它的耐磨性質。連桿軸要具有很高的精度，具體表現在它的尺寸精準度、形狀的精準度以及位置的精準度，同時還要保證連桿軸的光潔度。除此之外，對于各個連桿軸的軸心的偏移程度以及一些主動齒輪的中心的偏移度都有著嚴格的要求。

2 ?柴油機曲軸系統動力學仿真分析

由于柴油機在進行工作時曲軸系統會承受來自各個地方不同的力的作用，所以，我們無法對于在壓縮腔內的氣體進行測量，從而難以得出在壓縮腔內氣體所受到的力的變化規律。在此，我們將借助Adams中的兩種函數對壓縮腔內的氣體受到的力進行統計和模擬，這兩種函數分別是If函數以及Step函數，再根據這兩種函數的模擬后得出研究結果進而對柴油機曲軸系統各個運動的零件進行約束[1]。在主平衡鐵-曲軸這個零件中的運動副類型是固定，副平衡鐵—曲軸零件的運動副類型同樣是固定，調心球軸承-曲軸的運動副類型是旋轉，與之相同的還有圓柱滾子軸承-曲軸、滾針軸承-曲軸以及動軸承-滾針軸承，但對于十字滑環-動軸承來說它的運動副類型是點線的形式。根據Adams模擬的數據我們可以得知，在轉速達到1480轉每分鐘時，曲柄銷承受的力的變化可以得知，在轉速不變的狀況下，曲柄銷在受到的力的變化幅度并不是特別的大，但是在其受到的力進行分解時我們可以得知它的分力在轉速不變的狀況下受到的影響幅度還是很大的。在進行一個壓縮的過程當中，我們發現主軸所承受的力出現了周期性的變化，這主要是因為主平衡鐵受到了離心力以及重力的作用，這就使得主軸承所受到的載荷變得十分的大。在另外一個模擬的實驗當中我們發現在轉速變得不相同的情況下，曲柄銷所受到的力、主軸所受到的力以及副軸所受到的力的變化情況大致是相同的，在不同的轉速下，曲柄銷與主副軸在隨著轉速的不斷加大時，它們所受到的力也在不斷的加大，而導致這種情況的主要原因是由于在轉速增大的過程中，曲軸結構所受到的向心力在不斷的加大，與此同時這也就加大了柴油機曲軸振動急劇的可能性，同時這也為我們計算軸承的壽命以及如何選擇軸承的類型提供了依據。

3 ?曲軸系統有限元方法的探究

在對曲軸系統利用有限元法進行探究之前，我們首先要對有限元法進行了解認識。有限元法的基本原理指的是在進行求解過程中我們會碰到一個連續變化的求解區域，而有限元法就是將這些連續變化的求解區域進行分散，即將這片區域用節點分割成相互有關聯的有限個單元，然后對這些有限個的單元里的未知變量通過合適的方法將他們聯系在一起，是它們具有連續變化區域的特征，將它們組成方程組進行求解[2]。在這里我們將運用到Ansys這個軟件，對柴油機的曲軸系統所受到的力進行計算以及對計算結果加以分析，最終得出結論。

在經過Ansys軟件的計算處理后，我們得到了以下結果，在不同的轉速下，我們得知柴油機曲軸應力的分布情況以及它的最大型變量[3]。在轉速達到1480轉每分鐘時柴油機曲軸的應力達到了12MPa，與其同時它的最大型變量為67μm，在后來的實驗當中，我們分別將轉速增大到2000轉每分鐘、3000轉每分鐘以及最終的4000轉每分鐘，我們分別得到了在以上3個轉速下柴油機曲軸系統所受到的應力達到了16MPa、27MPa以及42MPa，而其所達到的最大型變量依次是85μm、144μm以及222μm。通過以上的計算結果分析，在不同的轉速之下，曲軸系統所受的負荷力在不斷的增大，因此曲柄銷處所受到的載荷力也在不斷的增大，這就給曲軸帶來了很大的安全隱患，所以需要較大的疲勞安全系數，這樣才能確保曲軸系統能夠更加穩定的工作，延長它的壽命。

4 ?對曲軸系統疲勞安全系數的計算

在通過Ansys軟件計算不同轉速下曲軸所受到的應力以及最大形變量后，我們根據：此項材料最大的形變量除以危險情況下所受到的應力得到曲軸強度的大小，此后根據：疲勞的最大極限值除以不對稱敏感系數與應力平均值的乘積得到疲勞安全系數。在經過Ansys軟件進行計算后我們得知在3000轉每分鐘時曲軸強度為1.6，安全系數為10.1，在4000轉每分鐘時曲軸強度為2.6，安全系數為25.6，均在疲勞安全系數的范圍之內，滿足對于零件的標準要求。

5 ?結語

在對于柴油機的工作原理以及曲軸系統的結構特點進行了解之后，我們采用了Admas軟件對柴油機曲軸系統的動力特性進行了仿真分析，得到了在不同的轉速下，曲軸所受到的力在隨著轉速的增大而增大。接下來又對曲軸有限元法進行了探究得出了在不同的轉速下，曲軸所受到的應力大小以及最大形變量的變化，最后根據曲軸強度的計算公式以及疲勞安全系數的計算公式得出在4000轉每分鐘時的安全是得到保證的。

參考文獻

[1] 朱海榮，彭培英，熊義強，等.基于Adams的往復式運動結構仿真研究[J].振動、測試與診斷，2016.

[2] 張洪才.Ansys14.0理論分析與工程應用實例[M].北京：機械工業出版社，2016.

[3] 曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2017.