李明海，劉鋒，崔洪江

（大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

0 引言

由于越來越嚴(yán)重的世界性的石化能源短缺，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)要求越來越苛刻，要求內(nèi)燃機(jī)從過去以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主的時(shí)代過渡到以近代新學(xué)科的新技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)上來。潤(rùn)滑系統(tǒng)是柴油機(jī)重要系統(tǒng)之一，主要任務(wù)是將定量、潔凈、有一定油壓的潤(rùn)滑油輸送至各必要部位，對(duì)柴油機(jī)的工作可靠性和耐久性有很重要的作用［1］。好的潤(rùn)滑系統(tǒng)被視為柴油機(jī)的生存血液系統(tǒng)［2］。對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，可以較全面地考慮相關(guān)的各種因素，使?jié)櫥到y(tǒng)的性能分析建立在更科學(xué)的基礎(chǔ)之上，提高設(shè)計(jì)品質(zhì)和計(jì)算速度，減少試驗(yàn)工作量［3］。本文將以機(jī)車用12V240ZJ高強(qiáng)化柴油機(jī)為例，建立動(dòng)力裝置潤(rùn)滑系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型。通過滿足本款柴油機(jī)流體潤(rùn)滑，來確定本款柴油機(jī)的最優(yōu)機(jī)油泵。

1 柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的組成及工作原理

本款柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)采用完全強(qiáng)制供油，這種方式可獲得良好的潤(rùn)滑性［4］。機(jī)油泵將機(jī)油從油底殼吸出，被吸出的具有一定油壓的機(jī)油一部分經(jīng)分流式離心濾清器過濾后流回油底殼，大部分機(jī)油流入熱交換器，進(jìn)行冷卻后經(jīng)過全流式機(jī)油濾清器過濾，然后被輸送到機(jī)體主油道，通過油道對(duì)主軸承、連桿軸承、凸輪軸承和進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部位進(jìn)行壓力潤(rùn)滑。本款柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油的流動(dòng)示意圖見圖1。

圖1 12V240ZJ柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油流程框圖

2 潤(rùn)滑狀態(tài)的條件

摩擦副的表面不是絕對(duì)光滑的，在它的表面有微小的凸起和凹陷，利用形貌參數(shù)可以描述摩擦表面的幾何特性。圖2是表面一維形貌的輪廓曲線，它描繪沿截面方向上輪廓高度的變化。最常見的一維形貌參數(shù)如下。

圖2 表面一維形貌的輪廓曲線

輪廓均方根偏差 Rq［5］

式中:hmin是兩滑動(dòng)粗糙表面間的最小公稱油膜厚度，單位為μm;Rq1，Rq2分別是兩表面輪廓的均方根偏差（約為算術(shù)平均偏差 Ra1，Ra2的1.20 ～1.25 倍），單位為 μm。通常認(rèn)為:λ≤1時(shí)呈邊界潤(rùn)滑狀態(tài);λ＞3時(shí)呈流體潤(rùn)滑狀態(tài);1≤λ≤3時(shí)呈混合潤(rùn)滑狀態(tài)。

式中:z（x）是各點(diǎn)輪廓高度;L是測(cè)量長(zhǎng)度;n是測(cè)量數(shù)量;zi是個(gè)測(cè)量點(diǎn)的輪廓高度。

本款柴油機(jī)各摩擦副均為滑動(dòng)摩擦。根據(jù)摩擦面間油膜厚度的情況，可分為邊界潤(rùn)滑、流體潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑。這三種潤(rùn)滑方式必須具備一定的潤(rùn)滑條件，可以用膜厚比λ來大致估計(jì)兩潤(rùn)滑表面所處的潤(rùn)滑狀態(tài)，即［6］:

3 仿真計(jì)算分析

3.1 仿真模型的建立

圖3 潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真模型

柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的多支路動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，所以利用一維液壓軟件對(duì)整機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，仿真模型如圖3。該模型完全按照柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)建立。各管路的管徑、管長(zhǎng)及管向與水平面的夾角都是進(jìn)行實(shí)測(cè)得出。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1，主要潤(rùn)滑軸承的幾何參數(shù)見表2，本款柴油機(jī)使用的是美國(guó)五代潤(rùn)滑油，其性能參數(shù)見表3。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 主要軸承參數(shù)

表3 潤(rùn)滑油主要參數(shù)

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)柴油機(jī)各油道油壓分析是確保柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)安全可靠的重點(diǎn)，為保證潤(rùn)滑系統(tǒng)油路暢通。潤(rùn)滑系統(tǒng)必須保證機(jī)油中的溶解空氣不會(huì)在油道中壓力特別小的地方析出，導(dǎo)致機(jī)油供應(yīng)不足。在柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中，機(jī)油壓力的最小值發(fā)生在曲軸主軸頸上油道中，為避免發(fā)生氣阻現(xiàn)象，曲軸主軸頸上油道入口的油壓必須滿足以下不等式［7］:

式中:r是曲軸主軸頸半徑，單位為m;rmin是曲軸內(nèi)油道離中心最近點(diǎn)距離，單位m。通過軟件仿真計(jì)算得出主軸頸上油道入口的油壓為4.5×102kPa，遠(yuǎn)大于氣體吸出極限壓力0.6×102kPa，因此本款柴油機(jī)不會(huì)在潤(rùn)滑油路中析出空氣。

機(jī)體主油道的油壓為5.1×102kPa見圖4，大于本款柴油機(jī)對(duì)機(jī)體主油道油壓的要求4.9×102kPa。

限壓閥旁通流量與主油路流量仿真輸出結(jié)果見圖5，發(fā)現(xiàn)通過限壓閥的流量是流經(jīng)主油路的流量的1.85倍左右，由機(jī)油泵吸出的流量大部分回流到油底殼，機(jī)油泵在做無用功，因此可以判斷本款柴油機(jī)使用的機(jī)油泵功率過大，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

4 機(jī)油泵優(yōu)化

在潤(rùn)滑模型中對(duì)機(jī)油泵進(jìn)行優(yōu)化，首先是機(jī)體主油道的油壓最先達(dá)到最低許用安全油壓4.9×102kPa。此時(shí)優(yōu)化后各軸承最小油膜厚度見表4。本款柴油機(jī)軸頸的粗糙度為0.8 μm，軸瓦的粗糙度為 1.6 μm。由上式（2）可得，流體潤(rùn)滑的最小油膜厚度應(yīng)滿足hmin＞6.7 μm。使用優(yōu)化后的機(jī)油泵，主要軸承的最小油膜厚度完全滿足軸承流體潤(rùn)滑的要求。

表4 優(yōu)化后各軸承最小油膜厚度

此時(shí)主軸頸上油道入口的油壓為3.9×102kPa，為氣體吸出極限壓力的6倍多，本款柴油機(jī)使用優(yōu)化后的機(jī)油泵潤(rùn)滑油路安全可靠，不會(huì)出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象。

對(duì)機(jī)油泵優(yōu)化后，由圖6可知通過限壓閥回流的潤(rùn)滑油流量下降了45%，由圖7可知流過主油路的潤(rùn)滑油流量只下降了2.9%，幾乎沒什么差別。在柴油正常運(yùn)行時(shí)，原機(jī)油泵扭矩為51.3 Nm，優(yōu)化后機(jī)油泵的扭矩為33.9 Nm。換算成功率，新機(jī)油泵比原機(jī)油泵節(jié)約功率2.587 kW。

5 結(jié)論

1）本文利用液壓仿真軟件對(duì)12V240ZJ柴油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)本款柴油機(jī)使用原定機(jī)油時(shí)，機(jī)體主油道油壓和曲軸主軸頸上油道內(nèi)的油壓都高于安全油壓。機(jī)油泵吸出的機(jī)油總流量的65%左右，通過限壓閥流回油底殼。

2）對(duì)本款柴油機(jī)機(jī)油泵優(yōu)化，在柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑油性能參數(shù)不變的情況下，對(duì)機(jī)油泵優(yōu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)，機(jī)體主油道的油壓首先達(dá)到臨界許用安全油壓。使用優(yōu)化后的機(jī)油泵，通過限壓閥回流到油底殼的潤(rùn)滑油流量下降了45%，機(jī)油泵功率降低了33.9%。

［1］史紹熙.柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984.405.

［2］劉達(dá)德.東風(fēng)4B型內(nèi)燃機(jī)車［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1998.179.

［3］黃小輝，畢小平.車用內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系的流動(dòng)仿真研究［J］.產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)，2005，（1）:28-31.

［4］曹旭，崔毅，鄧康耀.汽油機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)計(jì)算分析［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007，（6）:23-26.

［5］吳曉鈴.潤(rùn)滑設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［6］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.7版.北京:高等教育出版社.

［7］曹旭.發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理仿真與實(shí)驗(yàn)研究［D］上海:交通大學(xué)，2008:29-30.