配氣機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)仿真研究

張永斌

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福建 福州 350000）

0 引言

配氣機(jī)構(gòu)是柴油機(jī)三大運(yùn)動(dòng)部件之一，對(duì)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的意義。傳統(tǒng)柴油機(jī)設(shè)計(jì)方法是利用彈性動(dòng)力學(xué)計(jì)算的方法來研究，這種方法計(jì)算復(fù)雜、精度不夠。而現(xiàn)在的多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)可以很快地獲得運(yùn)動(dòng)零件的各種參數(shù)，還可以快速地改變工況，獲得一系列運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行參照對(duì)比，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 彈性動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析方法

彈性動(dòng)力學(xué)的分析方法是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元按照要求簡(jiǎn)化為有質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)，然后再應(yīng)用彈簧和阻尼器模擬與其他運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的連接。這種方法充分考慮了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的彈性變形、氣閥間隙以及燃?xì)鈱?duì)整個(gè)配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用力。然后應(yīng)用力的平衡原理和力矩的平衡原理，建立彈性動(dòng)力學(xué)方程，最后求解出結(jié)果，同時(shí)繪制出各質(zhì)點(diǎn)的“位移”“速度”“加速度”和“作用力”等特性曲線。按照系統(tǒng)質(zhì)點(diǎn)數(shù)的多少，系統(tǒng)又分為單質(zhì)量系統(tǒng)和多質(zhì)量系統(tǒng)。同時(shí)系統(tǒng)分的質(zhì)量越多，需要的參數(shù)也越多，計(jì)算后的累積誤差也就越大，實(shí)踐證明對(duì)于配氣機(jī)構(gòu)，單質(zhì)量系統(tǒng)模型在計(jì)算精度上已經(jīng)是足夠的。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，當(dāng)要改變方案時(shí)要全部推倒重來，周期長(zhǎng)，成本也高，不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的需要[1]。

2 多體動(dòng)力學(xué)仿真方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及多體動(dòng)力學(xué)研究的完善，已開發(fā)出了多款計(jì)算機(jī)多動(dòng)學(xué)仿真軟件。通過這些軟件，可以根據(jù)實(shí)際參數(shù)建立多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，其模型比彈性動(dòng)力學(xué)的模型精細(xì)、精確。這種虛擬仿真技術(shù)可以在制造零件和物理樣機(jī)之前直觀具體地獲得各零件參數(shù)，同時(shí)還可以分析裝配后實(shí)際機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析提供了可靠的研究手段，因此多剛體仿真技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用[2]。

3 多體動(dòng)力仿真步驟

該文以6L21/31 柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為藍(lán)本，對(duì)其進(jìn)行多體動(dòng)力仿真。應(yīng)用的多剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件是Adams，選擇的建模軟件是Pro/E。柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)主要由運(yùn)動(dòng)部件和固定部件這兩部分構(gòu)成，其中運(yùn)動(dòng)部件主要由凸輪、挺柱、挺桿、搖臂、閥橋、氣門等組成，這些構(gòu)件對(duì)配氣機(jī)傳動(dòng)鏈有根本性的決定作用，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了達(dá)到仿真精度，配氣機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)部件必須嚴(yán)格按照?qǐng)D紙來建模；而固定部件主要由機(jī)架、冷卻水套、氣缸蓋和氣門座圈等構(gòu)成，僅起支撐和約束限制作用，可以僅對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化處理，以提高配氣機(jī)構(gòu)的建模和仿真效率。然后按照各個(gè)構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系及約束關(guān)系，在建模軟件Pro/E 窗口進(jìn)行虛擬裝配，從而得到整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的實(shí)體裝配模型。接著通過Pro/E 中的Mechanism/Pro 模塊，將建立好的配氣機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件Adams 中去。最后在Mechanism/Pro 應(yīng)用環(huán)境下，為了讓運(yùn)動(dòng)構(gòu)件能夠按要求運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)配氣機(jī)構(gòu)各個(gè)零件逐一進(jìn)行剛體定義和添加運(yùn)動(dòng)副關(guān)系[3]。

模型中的配氣機(jī)構(gòu)有六個(gè)氣缸，各個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一樣的，因此這里重點(diǎn)研究其中一個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律即可。此柴油機(jī)額定工作轉(zhuǎn)速是900 r/min，配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是通過凸輪驅(qū)動(dòng)的，因此對(duì)應(yīng)的凸輪軸轉(zhuǎn)速就是450 r/min。研究配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律必須要包含一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期，因此在進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，將配氣機(jī)構(gòu)仿真的持續(xù)時(shí)間設(shè)置為0.135 s。為了達(dá)到仿真研究的精度，仿真步長(zhǎng)必須選得足夠小，一般設(shè)定為0.0003 s。為了能夠清楚地觀察分析配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的固定部件都進(jìn)行透明化處理，最后完成多剛體動(dòng)力學(xué)模型，如圖1 所示。

圖1 配氣機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型

4 變工況運(yùn)行仿真分析

應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)仿真，不但可以計(jì)算一種工況的特性曲線，還可以通過改變不同的參數(shù)，快速獲得運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同工況下的一系列特性曲線。下面通過設(shè)置不同的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速以及不同氣閥間隙，通過仿真軟件，研究分析配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[4]。

4.1 變轉(zhuǎn)速運(yùn)行

在不同轉(zhuǎn)速工況下，配氣機(jī)構(gòu)的氣門有不同的位移、速度、加速度。為了研究不同轉(zhuǎn)速對(duì)氣門的影響，設(shè)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min、900 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min，并將進(jìn)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行仿真對(duì)比分析，如圖2 所示。

圖2 氣門升程對(duì)比

圖2 是柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣門的升程對(duì)比圖。從圖中可以看出，各轉(zhuǎn)速下的氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本保持一致的。但是隨著柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，氣門組件的運(yùn)動(dòng)速度就越快，氣門具有的能量就越大，抵抗彈簧的能力就越強(qiáng)，因此氣門就要向下多運(yùn)行一段距離，氣門升程略有增大。這種現(xiàn)象在氣門運(yùn)動(dòng)方向變化時(shí)更加明顯，如圖3 所示。

圖3 氣門升程局部對(duì)比

柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣門的速度對(duì)比圖如圖4所示。

圖4 氣門速度對(duì)比

圖4 是柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣門的速度對(duì)比圖。仔細(xì)觀察此圖，可以清楚發(fā)現(xiàn)氣門的速度隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而不斷提高。各轉(zhuǎn)速下的氣門運(yùn)動(dòng)都是從同一個(gè)凸輪轉(zhuǎn)角打開，但是由于氣門的慣性力不同，落座時(shí)轉(zhuǎn)速高的氣門對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角也偏大，而且氣門落座速度也快，如圖5 所示。

圖5 氣門速度局部對(duì)比

柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣門加速度對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 氣門加速度對(duì)比

圖6 是柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣門加速度對(duì)比圖。從圖中可以看出，氣門的加速度隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而不斷提高，與氣門的速度對(duì)比圖相對(duì)應(yīng)。而且轉(zhuǎn)速越大，氣門的運(yùn)動(dòng)也越來越不平穩(wěn)，加速度出現(xiàn)了很大波動(dòng)，甚至在氣門落座后出現(xiàn)彈跳。因此必須把柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在一定的范圍內(nèi)。

4.2 變氣門間隙運(yùn)行

氣門間隙不同，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也是有一定的影響。以下對(duì)氣門間隙進(jìn)行設(shè)定，以研究氣門間隙在0 mm、0.3 mm、0.6 mm、0.9 mm 等工況下的進(jìn)氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律。不同氣門間隙下，進(jìn)氣門的升程對(duì)比圖如圖7 所示。

圖7 氣門升程對(duì)比

圖7 是不同氣門間隙下，進(jìn)氣門的升程對(duì)比圖。圖中不難發(fā)現(xiàn)，不同氣門間隙下氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是基本一致的，但是隨著氣門間隙的增大，氣門升程的峰值是越來越小的。原因是氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是先要凸輪克服氣門間隙，再傳遞到氣門上，因此氣門的位移峰值隨著氣門間隙的增大而有所減少，如圖8 所示。因此隨著氣門間隙的增大，氣門打開的時(shí)間延遲，而氣門關(guān)閉的時(shí)間卻提前了。

圖8 氣門升程局部對(duì)比

不同氣門間隙下，氣門速度對(duì)比圖如圖9 所示。

圖9 氣門速度對(duì)比

圖9 是不同氣門間隙下，氣門速度對(duì)比。從圖中可以看出，在不同氣門間隙下，各個(gè)氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在凸輪工作段是一致的。只是因?yàn)闅忾T隙的不同，在氣門打開和落座時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有所不同。隨著氣門間隙的逐漸增大，氣門延遲打開和提前關(guān)閉的程度越來越明顯，而這種現(xiàn)象也與氣門升程對(duì)比圖互相應(yīng)照。并且，氣門間隙越大，氣門落座時(shí)速度的變化也越大。在氣門間隙為0.9 mm 時(shí)，氣門落座速度振蕩十分劇烈，甚至出現(xiàn)了負(fù)值。這對(duì)氣門和氣門閥座圈沖擊都很大，增加了配機(jī)機(jī)構(gòu)的故障率，應(yīng)當(dāng)極力避免。

不同氣門間隙下，進(jìn)氣門的加速度對(duì)比圖如圖10所示。

圖10 是不同氣門間隙下，進(jìn)氣門的加速度對(duì)比圖。從圖中可以看出，隨著氣門間隙的不斷加大，氣門開啟和落座時(shí)的加速度越來越大，說明氣門對(duì)氣門閥座的沖擊也越來越嚴(yán)重。這與進(jìn)氣門的速度對(duì)比圖相對(duì)應(yīng)。在氣門間隙為0.9 mm 時(shí)，甚至都出了氣門的反彈現(xiàn)象，氣門運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了顫振。因此，過大的氣門間隙是不允許的。

氣門間隙指的是柴油機(jī)在冷機(jī)狀態(tài)下，測(cè)量的搖臂球頭座與氣門頂端之間的垂直距離，用于補(bǔ)償柴油機(jī)在熱機(jī)狀態(tài)下，配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的受熱膨脹量。理論上這個(gè)氣門間隙值越小越好，這樣氣門就可以嚴(yán)格按照凸輪型線工作。但實(shí)際上這個(gè)數(shù)值也不能太小。如果數(shù)值太小，不夠補(bǔ)償整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈的膨脹值，就會(huì)導(dǎo)致氣門不能正常關(guān)閉。一旦氣門間隙值設(shè)置不正確，輕則可能把氣門頂開，影響柴油換氣質(zhì)量，從而影響柴油機(jī)功率的輸出，嚴(yán)重的甚至引起工程事故。如果進(jìn)氣門關(guān)閉不嚴(yán)，還會(huì)導(dǎo)致廢氣倒灌，引起掃氣箱著火。排氣門關(guān)閉不嚴(yán)，引起氣門的燒蝕，以及排氣管道的損傷。

5 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件代替彈性動(dòng)力學(xué)計(jì)算，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以直觀方便地觀察到柴油機(jī)各個(gè)部件的各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，方便人們進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。通過改變柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與氣門間隙，可以快速獲得一系的特性曲線，進(jìn)行對(duì)比分析。由此可以看出，多體動(dòng)力學(xué)仿真研究為人們進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)研究提供了快速可靠的方法。通過此方法可以簡(jiǎn)捷地獲得各個(gè)零部件的特性曲線。還可以通過更改工況參數(shù)，方便快速地獲得運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在其他工況下的特性曲線，為工程應(yīng)用提供許多有價(jià)值的數(shù)據(jù)。