王攀華，姜 韌，陳 勇

(91630部隊，廣東 廣州 510000)

柴油機(jī)曲軸易損部位分布規(guī)律的研究

王攀華，姜 韌，陳 勇

(91630部隊，廣東 廣州 510000)

文章以某型柴油機(jī)曲軸為例進(jìn)行分析，首先對柴油機(jī)工作過程進(jìn)行估算，然后運(yùn)用有限元分析法，得出柴油機(jī)曲軸在4個沖程工作過程中的受力情況和曲軸動力數(shù)據(jù)，進(jìn)而研究柴油機(jī)曲軸發(fā)生裂紋或者斷裂失效的位置分布規(guī)律，用以指導(dǎo)曲軸設(shè)計者對關(guān)鍵部位、油孔位置、倒角要求等方面進(jìn)行優(yōu)化，指導(dǎo)柴油機(jī)維修人員對曲軸的關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)維修保養(yǎng)。

柴油機(jī)；曲軸；有限元法

1 柴油機(jī)工作過程的模擬計算

艦艇柴油機(jī)的曲軸受到的力十分復(fù)雜，一般包括：汽缸里柴油燃燒后，由于氣體膨脹作用在活塞上的力Fg；活塞及連桿在做直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)動時，生成的往復(fù)慣性力Fj和旋轉(zhuǎn)慣性力Fr。

轉(zhuǎn)速恒定，則旋轉(zhuǎn)慣性力大小不變，方向一直沿曲柄半徑向外，可忽略。曲軸所受合力[1-2]為Fg與Fj之和。

Fg為柴油機(jī)活塞上、下面的壓力差(即燃燒室與曲軸箱之間的壓力差)，與活塞面積的乘積[3]，即

(1)

式中：D為柴油機(jī)汽缸直徑；P0為柴油機(jī)曲軸箱內(nèi)氣體的絕對壓力，一般取0.1 MPa；Pg為汽缸內(nèi)混合氣體的絕對壓力，為待求項，在下文中由工作過程估算求得的示功圖獲得。

在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，作用在曲軸上的往復(fù)慣性力Fj與活塞連桿機(jī)構(gòu)中參與往復(fù)運(yùn)動的等效質(zhì)量相關(guān)，且和機(jī)構(gòu)的加速度相關(guān)，方向相反[4]。

Fj=-mja=-mjRω2(cosα+λcos 2α)，

(2)

式中：mj為活塞連桿機(jī)構(gòu)參與往復(fù)運(yùn)動的等效質(zhì)量；R為曲柄半徑(等于活塞行程的一半)；a為活塞的加速度；ω為曲柄旋轉(zhuǎn)角速度；λ為曲柄半徑與連桿長度的比值；α為曲柄轉(zhuǎn)角。

運(yùn)用熱力學(xué)的相關(guān)經(jīng)驗公式，曲軸每轉(zhuǎn)動15°取一個工況點(diǎn)，分別計算出48個工況點(diǎn)的汽缸內(nèi)的氣體壓力，將計算結(jié)果導(dǎo)入至MATLAB軟件，稍微修正后得出柴油機(jī)示功圖，如圖1。最后得到這48個工況點(diǎn)的活塞連桿組件所作用在曲軸上的合力的大小。

圖1 柴油機(jī)示功圖

2 有限元仿真

2.1 三維模型

用Pro/E軟件畫出曲軸的三維模型圖，考慮到研究目的、計算量及精度，在建立模型時，對一些非關(guān)鍵的部位進(jìn)行了一些簡化處理。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分時，第一步使用較大尺寸的網(wǎng)格對曲軸整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，第二步對關(guān)鍵部位和本文重點(diǎn)研究的部位(應(yīng)力集中位置及各圓角處)的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化處理，得到較細(xì)的網(wǎng)格。該曲軸網(wǎng)格模型一共有637 152個節(jié)點(diǎn)和425 081個單元。

2.3 載荷處理

要得到柴油機(jī)曲軸在4個沖程的周期中的受力變形情況，得到較準(zhǔn)確的靜強(qiáng)度數(shù)據(jù)。從柴油機(jī)第1個汽缸進(jìn)氣沖程開始時，每隔15°選取1個工況進(jìn)行計算，總共計算了柴油機(jī)在1個周期中總共48個工況的曲軸受力變形情況。該柴油機(jī)為并列式連桿，從輸出端開始數(shù)，左側(cè)先后為B1～B8缸，右側(cè)為A1～A8缸，柴油機(jī)點(diǎn)火順序：A1-B1-A5-B5-A2-B2-A3-B3-A8-B8-A4-B4-A7-B7-A6-B6-A1。

1)連桿作用力。施加方法：曲軸連桿機(jī)構(gòu)對曲軸的作用力，沿連桿軸線的方向，按照二次拋物線的方式沿軸頸圓周方向120°的范圍內(nèi)，依據(jù)余弦規(guī)律施加在曲軸軸頸上。

施加方法：反作用轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反，用切向壓力的方式施加在表面效應(yīng)單元上，作用在曲軸圓周面上。

3)曲軸本身的重力。在ANSYS中使用重力加速度的方式來添加，在軟件中直接添加完成。

3 有限元分析結(jié)果

曲軸48個工況中的最大等效變形量及相應(yīng)的變形位置如表1，可得出如下結(jié)論。

1)工作時，從輸出端數(shù)，第1、4、5曲拐在工作時的等效變形量比較大。

2)通過比較，可看出曲軸在轉(zhuǎn)角為375°時，等效變形量最大。在第1主軸頸右側(cè)的過度圓角處，達(dá)到了0.963×10-3mm。

3)除了曲軸轉(zhuǎn)角為510°、525°、540°、600°、615°、645°、660°、690°和705°這9個工況時其最大等效變形位置在曲軸主軸頸側(cè)面的圓周面上以外，其余39個工況，最大等效變形位置都位于主軸頸兩側(cè)的圓角處和曲柄銷軸頸兩側(cè)的圓角處。

表1 最大等效變形量及對應(yīng)的變形位置

續(xù)表1 最大等效變形量及對應(yīng)的變形位置

4 結(jié)束語

從曲軸維修的實際經(jīng)驗看，可發(fā)現(xiàn)雖然曲軸發(fā)生裂紋或者斷裂的位置多變，但其中約為90%是在主軸頸與曲柄臂相連接的圓角處和曲柄銷軸頸與曲柄臂相連接的圓角處，與上述有限元分析的結(jié)果相符合。解釋了曲軸失效位置相對固定的這一客觀規(guī)律。當(dāng)對柴油機(jī)曲軸進(jìn)行保養(yǎng)和修理時，應(yīng)特別注意對各過度圓角處以及油孔等位置的檢測。通常需要檢測是否有微裂紋的產(chǎn)生，表面硬度是否達(dá)標(biāo)，滲氮層的厚度是否達(dá)標(biāo)等等。同時也通過對這些關(guān)鍵部位的著重檢測，將相關(guān)結(jié)果與修理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷該曲軸是否需要換新或者需要進(jìn)行的相關(guān)修理工藝，從而大大提高了曲軸的修理質(zhì)量，提高柴油機(jī)的可靠性能。

[1] 遲志偉，宋希庚,薛冬新，等.基于ANSYS的6110柴油機(jī)曲軸有限元分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2009,38(3):1-4.

[2] B.謝加里.內(nèi)燃機(jī)動力計算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[3] 鐘智攀.基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的曲軸多體動力學(xué)和有限元分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 楊曉麗.船用低速柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度計算研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2014.

Taking a military diesel engine crankshaft as example,the distribution rule for crankshaft's fracture is researched by getting the force condition in the working course of the four strokes and carankshaft's dynamic data with estimation and finite element analysis,with which the key position,oil-pore location and angle grinding are optimized and the key parts are maintained.

diesel engine；crankshaft;finite element analysis

王攀華(1978-)，男，江西樂平人，工程師，大學(xué)本科，主要從事艦船維修管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.010

2016-12-09