大缸徑船用柴油機曲軸復合圓角結構分析與優化

邰強娟，徐志遠，柳海濤 ，李繼光，王厚權，張琳琳

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061; 2.濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108

0 引言

近年來，市場對船用發動機提出了高功率、高可靠性、高經濟性的要求。曲軸作為發動機的重要零部件，在發動機運行過程中發揮重要作用，設計過程中需重點關注其可靠性。如果曲軸設計不合理，不僅本身強度不能滿足要求，對其進行優化時，其重要接觸件機體也可能需要重新設計，大大增加設計成本。因此設計時應對曲軸的可靠性進行計算分析，使其滿足可靠性要求。

曲軸在不斷的周期性變化的缸內壓力、旋轉和往復慣性力以及扭矩和彎矩的共同作用下工作，使曲軸既彎曲又扭轉，產生疲勞應力，80%左右的曲軸破壞由彎曲疲勞產生[1]，導致曲軸各個圓角處易產生應力集中，多數曲軸的破壞產生在主軸圓角和曲柄銷圓角區域[2]。

為提升大缸徑船用柴油機曲軸圓角疲勞安全系數，本文中使用AVL-PU軟件建立柴油機的工作過程模型，搭建機體、缸套、缸蓋、曲軸、連桿等零部件的總成模型，對曲軸進行動力學計算分析，得到圓角最低疲勞安全系數[3-5]，對不滿足限值要求的曲軸圓角，進行優化分析，設計復合圓角方案，使其滿足可靠性要求。

1 仿真模型建立

以某直列、六缸、增壓中冷、缸內直噴柴油機為研究對象，柴油機的主要參數如表1所示。基于實際物理模型參數在AVL-PU軟件中建立仿真模型。為了最大程度還原柴油機在實際工作過程中的狀態，保證機體組件和曲軸總成以具體的網格模型導入整機建模中，進行動力學計算，再通過圓角部分的應力恢復，進行最終的疲勞計算[6-7]，具體工作流程如圖1所示。

表1 柴油機的主要參數

圖1 計算流程圖

動力學模型主要由體單元、連接單元、載荷及參數設置等組成。在EXCITE軟件中搭建的動力學模型如圖2所示，圖中各個體單元為以子結構模態綜合方式形成的柔性體總成結構，各個連接單元通過各自界面進行設置。由圖2可知，動力學模型中的體單元包括曲軸軸系、機體組和連桿組，連接單元包括連桿大頭軸承、主軸承、活塞缸套導向單元以及止推軸承[8-9]。

圖2 某六缸柴油機曲軸系仿真模型

建模過程中注意：1)機體必須由實體網格模態減縮得到，以更好地保證其剛度和質量；2)與曲軸接觸區域如軸瓦、主軸承壁等區域的網格必須細化，以保證曲軸應力準確；3)曲軸圓角處網格細化要求加密不少于12層，以保證計算精度[10]；4)本次建模設置的曲柄連桿機構和機體模型應為柔性體結構。

曲軸總成的三維模型圖3所示。

圖3 曲軸總成三維模型

2 圓角疲勞安全系數計算

2.1 輸入載荷

最高運行工況下通過發動機性能試驗得到的缸內壓力曲線如圖4所示。將缸壓曲線中的數據作為外部載荷輸入導入模型中，由計算分析可以得到該機型曲軸圓角處疲勞安全系數。

圖4 缸壓曲線

2.2 材料參數

曲軸材料為42CrMo4，其力學性能如表2所示，表中材料力學性能參數存活率為97.5%。

表2 曲軸材料力學性能 MPa

疲勞強度計算時考慮到各種影響因素對疲勞強度的影響，主要考慮應力梯度、平均應力、修正海格圖、統計影響，同時分散帶(10%～90%)為1.35、徑圓角強化系數為1.6、存活率為97.5%，疲勞安全系數參考限值為1.05。

2.3 計算結果

以疲勞安全系數最低的曲柄臂圓角為例，其主軸頸和曲柄銷圓角疲勞云圖如圖5、6所示。

圖5 主軸承圓角疲勞云圖 圖6 曲柄銷圓角疲勞云圖

由圖5、6可知，曲柄臂主軸承圓角和曲柄銷圓角最小疲勞安全系數分別為0.981和0.974，不滿足最低疲勞安全系數限值為1.05的要求。

3 復合圓角優化與仿真計算

3.1 復合圓角方案

根據原復合圓角方案與圓角疲勞安全系數計算結果，結合生產成本、制造工藝等對曲軸主軸頸和連桿軸頸圓角進行優化改進，改進方案為：1)優化圓角結構，加大復合圓角主圓角角度，避免圓角處應力集中[11]；2)降低爆壓峰值，通過降低外部載荷來提高圓角疲勞安全系數；3)優選曲軸材料[12]。

通過分析，結合制造工藝和低成本要求，考慮到降低爆壓峰值后會失去一部分柴油機性能[13]，確定采取復合圓角優化措施。復合圓角優化方案如圖7、8所示。

圖7 主軸頸復合圓角方案 圖8 曲柄銷軸頸復合圓角方案

由圖7、8可知，原方案中主軸頸復合圓角由R1、R2、R3、直線段組成，原曲柄銷復合圓角由R4、R5、直線段組成。設計3種優化方案，總體原則為：加大主圓角，保留卸荷槽圓角R1，同時保證圓角凹入深度不要太深，避免影響曲柄的剛度。優化前后主軸頸復合圓角和曲柄復合圓角方案如表3所示。

表3 優化前后主軸頸圓角和曲柄銷圓角方案 mm

3.2 優化方案仿真結果

對不同的復合圓角優化方案進行對比仿真計算[14-15]，圓角疲勞安全系數結果如圖9、10所示。

圖9 主軸頸復合圓角不同方案計算結果云圖

圖10 曲柄銷復合圓角不同方案計算結果云圖

由圖9、10可知：方案一、二、三主軸頸圓角疲勞安全系數分別為1.016、1.026、1.075，曲柄銷圓角最小疲勞安全系數分別為0.956、0.965、1.064，方案3最小疲勞安全系數計算結果可以滿足大于1.05的限值要求，該優化方案可以為實際應用提供參考。

4 結論

應用AVL-PU軟件建立某6缸大缸徑柴油機工作過程仿真模型，結合整機的實際結構和運行工況，綜合考慮曲軸圓角的成本、制造、裝配等要求，對曲軸不同復合圓角的設計方案進行仿真計算，得出以下結論。

1)通過優化復合圓角結構，對優化后的主軸頸圓角和曲柄銷圓角進行仿真對比計算，優化后提升了圓角疲勞安全系數。

2)針對復合圓角結構，在優化過程中，除優化主圓角，應盡可能保證其它圓角不變，降低應力集中，提升疲勞安全系數，避免降低曲柄臂質量對曲軸的影響，提高曲軸可靠性。

3)對大缸徑發動機復合圓角處進行仿真優化處理，理論上提升了曲軸圓角疲勞安全系數，實際應用時還需要進行曲軸疲勞及發動機耐久試驗驗證。