李明海,李曉偉

(大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧大連116028)

柴油機能正常地運轉(zhuǎn)和始終處于良好的技術(shù)狀態(tài),潤滑油對各零部件的潤滑起著重要的作用。潤滑油要保持良好的潤滑性能,其工作溫度是決定性的因素之一。一般認為柴油機熱機工作時的潤滑油溫度應在65°C～95°C范圍內(nèi),柴油機才能發(fā)揮良好的潤滑作用。潤滑油的物理特性使其黏度隨溫度的變化較為顯著,溫度升高黏度減小,溫度下降而黏度變大。然而柴油機在工作中,不同工況下的工作溫度又有差別,因為潤滑油的溫度與柴油機的工作溫度、環(huán)境溫度密不可分。為了使柴油機在正常的工作狀態(tài)下減少磨損,并對高溫部件能形成一定厚度的潤滑油膜,保持良好的潤滑,因此在潤滑油正常溫度范圍內(nèi),潤滑油溫度對柴油機主軸承潤滑性能的研究十分必要[1,2]。

本文以機車用16V240ZJ型柴油機為研究對象,運用GT-CRANK軟件建立比較精確的動力學虛擬樣機,關(guān)鍵是建立主軸頸軸承的動力學模型模塊加入到柴油機虛擬樣機內(nèi),模擬其在不同潤滑油溫度下的動力學特性,并進行比較分析,進而確定合理的匹配方案。

GT-CRANK軟件的基本思想是忽略柴油機實體建模的步驟,零部件設計成交互式模式,直接輸入所需數(shù)據(jù),然后按照用戶設計的模式進行計算。

1 液體動壓潤滑理論

雷諾方程是液體動壓潤滑的基本方程,形式如下:

式中h為油膜厚度;η為潤滑油黏度;p為油膜壓力;ρ為潤滑油密度;ω0為潤滑油流入速度;ωh為潤滑油流出速度;u為兩表面沿x方向的相對運動速度;v為兩表面沿y方向的相對運動速度。

對雷諾方程用差分法求解,可以求出軸承在各種運動狀態(tài)下的壓力分布和承載力。在GT-CRANK軟件中也是運用雷諾方程的理論進行計算的。

最小油膜厚度大小與軸頸中心O1相對于軸承中心O2的偏移量e的大小直接相關(guān)。如果軸承的直徑間隙為S,則最小油膜厚度計算公式為:

軸心軌跡圖是繪在以軸承中心O2為心,以S/2為半徑的圓內(nèi)。軸心軌跡計算基本原理是軸頸每一瞬時的平衡位置由外載荷、旋轉(zhuǎn)油膜總承載力和擠壓油膜總承載力三者的平衡關(guān)系決定[3,4]。

2 虛擬樣機的建立

氣缸內(nèi)氣體燃燒所產(chǎn)生的爆發(fā)壓力是柴油機的動力來源,是柴油機正常工作的根本。圖1可以看出計算值曲線與試驗值曲線變化趨勢基本相同。產(chǎn)生差異的原因是軟件在計算中對精確公式進行了簡化,以及試驗數(shù)據(jù)與真實值的差距。這樣的對比結(jié)果驗證了應用GT-CRANK軟件進行柴油機動力學仿真的準確性。

圖1 氣缸壓力變化曲線

用GT-CRANK軟件建立包括氣缸壓力、活塞、連桿、曲軸、機體在內(nèi)的虛擬模型,參數(shù)包括示功圖、零部件的質(zhì)量、幾何尺寸、質(zhì)心位置等,并且還添加了零部件之間的接觸條件及約束(邊界條件),最后在軟件內(nèi)部模型區(qū)組裝16V240ZJ型柴油機的虛擬樣機。氣缸壓力模型的建立是整個模擬計算的基礎,應嚴格按照試驗數(shù)據(jù)輸入,以確保計算的正確性(如圖1所示)。潤滑油型號為CAE30。其黏度、密度等具體參數(shù)在軸承模塊內(nèi)設定。16V240ZJ型柴油機的虛擬樣機整體模型如圖2所示。

3 方案的設定

按照軟件規(guī)定的方法把潤滑油溫度設為參變量。在潤滑油正常工作溫度范圍內(nèi),選定5個值:

方案1:70℃;方案2:75℃;方案3:80℃;方案4:85℃;方案5:90℃。

圖2 16V240ZJ型柴油機模型

4 計算結(jié)果對比分析

潤滑油溫度不同,曲軸主軸頸軸承各方面的性能也隨之發(fā)生改變,通過GT-CRANK軟件輸出的曲線對比分析具體的變化規(guī)律。

4.1 軸承負荷

軸承負荷及其負荷線變化角是評價軸承與軸頸之間是否有擦傷危險的重要參數(shù)[4]。如圖3及表1所示。潤滑油溫度變化略微改變了軸承載荷的變化。因為溫度升高,潤滑油黏度降低,最小油膜厚度變小,潤滑油黏度的降低則承載力下降,但最小油膜厚度變小又會導致承載能力升高,兩者相互影響。85°C時最大軸承負荷最小。

4.2 最小油膜厚度

比較幾種潤滑油溫度下的主軸頸軸承油膜厚度對比曲線可以看出,潤滑油溫度升高,主軸頸軸承油膜厚度變小(如圖4及表1所示)。一定的油膜厚度對良好的潤滑性能有著關(guān)鍵的影響。最小油膜厚度應在允許范圍內(nèi),若過小,則有發(fā)生金屬直接接觸的可能性[5]。

表1 最大軸承負荷及最小油膜厚度值

4.3 瞬時摩擦功率損耗

對功率輸出的影響體現(xiàn)在軸承的功率損耗上,實際中我們要求軸承的功率損耗越小越好。比較幾種潤滑油溫度下的主軸頸軸承的功率損耗曲線可以看出,潤滑油溫度升高,瞬時摩擦功率損失減少(如圖5所示)。為了降低柴油機燃油消耗和提高柴油機功率輸出,應盡可能減少柴油機機械摩擦損耗。所以,僅出于摩擦功率損失的影響,應提高潤滑油的溫度[6]。

4.4 軸心軌跡

比較幾種潤滑油溫度下的主軸頸軸承軸心軌跡曲線可以看出,潤滑油溫度升高,軸承軸心軌跡范圍呈增大趨勢(如圖6所示)。

圖3 軸承負荷

圖4 最小油膜厚度對比曲線

圖5 主軸頸軸承摩擦瞬時功率損耗對比曲線

圖6 主軸頸軸承軸心軌跡對比曲線

4.5 摩擦扭矩

如圖7所示,隨著潤滑油溫度降低,軸承摩擦扭矩增大,這與溫度降低,潤滑油黏度增大有關(guān)。但就數(shù)值來說,潤滑油溫度對軸承摩擦扭矩的影響不大。

圖7 主軸頸軸承摩擦扭矩曲線

5 結(jié)論

利用虛擬樣機技術(shù)對機車柴油機進行數(shù)字化建模,并針對主軸頸軸承進行動力學研究,通過分析計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)潤滑油溫度的變化對軸承潤滑性能的影響較大,隨著潤滑油溫度的降低,軸心軌跡范圍減少;最小油膜厚度增大;軸承負荷會有所下降和軸心軌跡的縮小;這些都是主軸頸軸承性能改善的表現(xiàn),其主要原因是潤滑油的溫度降低,潤滑油的黏性增加,流動性降低,油膜厚度就會增加,相應的軸心軌跡范圍也縮小。

(2)隨著潤滑油溫度的降低,軸承的摩擦扭矩以及摩擦損耗功增加,因為潤滑油黏性增大,流動性降低,潤滑油流量降低,機油泵的泵油損失也增加,但其變化很小。

(3)從以上分析可以看到潤滑油溫度不易過高,但潤滑油溫度過低,也有其不利影響。潤滑油溫度的變化,對最小油膜厚度影響最大,然而最小油膜厚度也是軸承潤滑性能最重要的參數(shù)。所以綜合考慮,可得出潤滑油溫度保持在80℃比較適宜。同時也要看到,要確保最佳的潤滑油溫度,就會對柴油機的冷卻系統(tǒng)提出嚴格要求。

本文仿真計算是參考樣機設計參數(shù)進行的,說明只要正確掌握動力學仿真的基本方法,建立準確的虛擬樣機,就能對1臺正在研制中的內(nèi)燃機進行正確的動力學性能仿真,并得到所需要的各種數(shù)據(jù),為設計開發(fā)高性能內(nèi)燃機提供強有力的參考依據(jù)。

[1] 上海鐵道學院.機車柴油機動力學[M].北京:中國鐵道出版社,1983:19-30.

[2] 蒙留記,盧小虎,賈中剛.潤滑油溫度對內(nèi)燃機的影響[J].潤滑與密封,2003,(1):84-85.

[3] 張鵬偉,楊世文.直列六拐曲軸軸承負荷的分析[J].機械管理開發(fā),2005,(2):55-58.

[4] 柴油機設計手冊編輯委員會.柴油機設計手冊(上冊)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1984:633-697.

[5] 王 謙,高永平,施愛平,等.內(nèi)燃機曲軸主軸承潤滑分析 與節(jié)省功率的研究[J].農(nóng)業(yè)機械報,2003,(4):19-21.