陳銀平

摘 ? 要：針對于柴油機曲軸系統(tǒng)動力特性的研究問題，首先我們要對于柴油機曲軸系統(tǒng)進(jìn)行了解，掌握柴油機曲軸系統(tǒng)的工作原理，最后對于柴油機曲軸系統(tǒng)的動力特性進(jìn)行研究。起初，將根據(jù)柴油機曲軸系統(tǒng)的工作原理建立柴油機曲軸系統(tǒng)在動力學(xué)方面上的模型，然后依據(jù)多體動力學(xué)原理以及有限元的方法對柴油機曲軸系統(tǒng)動力的特性進(jìn)行研究，再然后根據(jù)我們所得到的研究成果，主要是在不同的旋轉(zhuǎn)速度下曲軸在曲柄處的受力載荷、主軸的承受力載荷以及副軸的承受力載荷等，最終我們將得知在不一樣的轉(zhuǎn)速下，柴油機曲軸系統(tǒng)發(fā)生的最大變形主要出現(xiàn)在與柴油機的連接部分，受到的最大應(yīng)力主要發(fā)生在曲拐部位。

關(guān)鍵詞：柴油機曲軸系統(tǒng) ?動力特性 ?研究

中圖分類號：U461 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0079-02

要想對于柴油機曲軸系統(tǒng)動力特性進(jìn)行深一步的研究，這里將先介紹柴油機的工作原理以及曲軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求。

1 ?柴油機的工作原理以及曲軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點

柴油機在進(jìn)行工作時都要經(jīng)歷四個過程，它們依次是進(jìn)氣過程、壓縮過程、做功過程、排氣過程。柴油機在進(jìn)行工作時首先在進(jìn)氣過程需要吸入純凈的空氣，其后在進(jìn)行壓縮過程時，特別是在進(jìn)入到壓縮過程的末尾時，我們需要將柴油機的柴油經(jīng)過噴油泵將柴油的壓強提升到12MPa以上，然后經(jīng)過噴油器當(dāng)?shù)竭_(dá)霧狀時將其噴入到氣缸內(nèi)，隨后噴入的霧狀氣體將在很短的時間內(nèi)和經(jīng)過壓縮的高溫空氣進(jìn)行融合，從而形成可以燃燒的混合空氣。在壓縮過程的末尾時，氣缸內(nèi)的壓強可以達(dá)到3.7～4.6MPa，缸內(nèi)的溫度也高達(dá)478.5℃～725.5℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了柴油的自燃溫度，所以，柴油在進(jìn)行入到氣缸后在極短的時間內(nèi)就會燃燒，燃?xì)獾膲毫杆龠_(dá)到7～9MPa，溫度也將急劇上升，最終，在高壓氣體的推動之下，活塞將向下運動將廢氣從排氣門中排除到大氣中，在此同時，曲軸也將旋轉(zhuǎn)運動。

曲軸主要是由主軸與連接軸組成，曲軸主要是將活塞進(jìn)行的往復(fù)運動經(jīng)過連接軸使其形成回轉(zhuǎn)運動，所以曲軸不但要承受一定周期的彎曲力矩，與此同時曲軸還將承受離心力以及在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，曲軸在進(jìn)行工作的過程中要經(jīng)歷高速度的運轉(zhuǎn)，因此，曲軸在硬度方面、強度方面、耐磨性方面等有著很嚴(yán)格的要求。所以，在制作曲軸的工作廠間里通常會采取高強度的材料進(jìn)行加工，在曲軸的軸徑處還要經(jīng)過熱處理來加強它的耐磨性質(zhì)。連桿軸要具有很高的精度，具體表現(xiàn)在它的尺寸精準(zhǔn)度、形狀的精準(zhǔn)度以及位置的精準(zhǔn)度，同時還要保證連桿軸的光潔度。除此之外，對于各個連桿軸的軸心的偏移程度以及一些主動齒輪的中心的偏移度都有著嚴(yán)格的要求。

2 ?柴油機曲軸系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

由于柴油機在進(jìn)行工作時曲軸系統(tǒng)會承受來自各個地方不同的力的作用，所以，我們無法對于在壓縮腔內(nèi)的氣體進(jìn)行測量，從而難以得出在壓縮腔內(nèi)氣體所受到的力的變化規(guī)律。在此，我們將借助Adams中的兩種函數(shù)對壓縮腔內(nèi)的氣體受到的力進(jìn)行統(tǒng)計和模擬，這兩種函數(shù)分別是If函數(shù)以及Step函數(shù)，再根據(jù)這兩種函數(shù)的模擬后得出研究結(jié)果進(jìn)而對柴油機曲軸系統(tǒng)各個運動的零件進(jìn)行約束[1]。在主平衡鐵-曲軸這個零件中的運動副類型是固定，副平衡鐵—曲軸零件的運動副類型同樣是固定，調(diào)心球軸承-曲軸的運動副類型是旋轉(zhuǎn)，與之相同的還有圓柱滾子軸承-曲軸、滾針軸承-曲軸以及動軸承-滾針軸承，但對于十字滑環(huán)-動軸承來說它的運動副類型是點線的形式。根據(jù)Adams模擬的數(shù)據(jù)我們可以得知，在轉(zhuǎn)速達(dá)到1480轉(zhuǎn)每分鐘時，曲柄銷承受的力的變化可以得知，在轉(zhuǎn)速不變的狀況下，曲柄銷在受到的力的變化幅度并不是特別的大，但是在其受到的力進(jìn)行分解時我們可以得知它的分力在轉(zhuǎn)速不變的狀況下受到的影響幅度還是很大的。在進(jìn)行一個壓縮的過程當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)主軸所承受的力出現(xiàn)了周期性的變化，這主要是因為主平衡鐵受到了離心力以及重力的作用，這就使得主軸承所受到的載荷變得十分的大。在另外一個模擬的實驗當(dāng)中我們發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速變得不相同的情況下，曲柄銷所受到的力、主軸所受到的力以及副軸所受到的力的變化情況大致是相同的，在不同的轉(zhuǎn)速下，曲柄銷與主副軸在隨著轉(zhuǎn)速的不斷加大時，它們所受到的力也在不斷的加大，而導(dǎo)致這種情況的主要原因是由于在轉(zhuǎn)速增大的過程中，曲軸結(jié)構(gòu)所受到的向心力在不斷的加大，與此同時這也就加大了柴油機曲軸振動急劇的可能性，同時這也為我們計算軸承的壽命以及如何選擇軸承的類型提供了依據(jù)。

3 ?曲軸系統(tǒng)有限元方法的探究

在對曲軸系統(tǒng)利用有限元法進(jìn)行探究之前，我們首先要對有限元法進(jìn)行了解認(rèn)識。有限元法的基本原理指的是在進(jìn)行求解過程中我們會碰到一個連續(xù)變化的求解區(qū)域，而有限元法就是將這些連續(xù)變化的求解區(qū)域進(jìn)行分散，即將這片區(qū)域用節(jié)點分割成相互有關(guān)聯(lián)的有限個單元，然后對這些有限個的單元里的未知變量通過合適的方法將他們聯(lián)系在一起，是它們具有連續(xù)變化區(qū)域的特征，將它們組成方程組進(jìn)行求解[2]。在這里我們將運用到Ansys這個軟件，對柴油機的曲軸系統(tǒng)所受到的力進(jìn)行計算以及對計算結(jié)果加以分析，最終得出結(jié)論。

在經(jīng)過Ansys軟件的計算處理后，我們得到了以下結(jié)果，在不同的轉(zhuǎn)速下，我們得知柴油機曲軸應(yīng)力的分布情況以及它的最大型變量[3]。在轉(zhuǎn)速達(dá)到1480轉(zhuǎn)每分鐘時柴油機曲軸的應(yīng)力達(dá)到了12MPa，與其同時它的最大型變量為67μm，在后來的實驗當(dāng)中，我們分別將轉(zhuǎn)速增大到2000轉(zhuǎn)每分鐘、3000轉(zhuǎn)每分鐘以及最終的4000轉(zhuǎn)每分鐘，我們分別得到了在以上3個轉(zhuǎn)速下柴油機曲軸系統(tǒng)所受到的應(yīng)力達(dá)到了16MPa、27MPa以及42MPa，而其所達(dá)到的最大型變量依次是85μm、144μm以及222μm。通過以上的計算結(jié)果分析，在不同的轉(zhuǎn)速之下，曲軸系統(tǒng)所受的負(fù)荷力在不斷的增大，因此曲柄銷處所受到的載荷力也在不斷的增大，這就給曲軸帶來了很大的安全隱患，所以需要較大的疲勞安全系數(shù)，這樣才能確保曲軸系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定的工作，延長它的壽命。

4 ?對曲軸系統(tǒng)疲勞安全系數(shù)的計算

在通過Ansys軟件計算不同轉(zhuǎn)速下曲軸所受到的應(yīng)力以及最大形變量后，我們根據(jù)：此項材料最大的形變量除以危險情況下所受到的應(yīng)力得到曲軸強度的大小，此后根據(jù)：疲勞的最大極限值除以不對稱敏感系數(shù)與應(yīng)力平均值的乘積得到疲勞安全系數(shù)。在經(jīng)過Ansys軟件進(jìn)行計算后我們得知在3000轉(zhuǎn)每分鐘時曲軸強度為1.6，安全系數(shù)為10.1，在4000轉(zhuǎn)每分鐘時曲軸強度為2.6，安全系數(shù)為25.6，均在疲勞安全系數(shù)的范圍之內(nèi)，滿足對于零件的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 ?結(jié)語

在對于柴油機的工作原理以及曲軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了解之后，我們采用了Admas軟件對柴油機曲軸系統(tǒng)的動力特性進(jìn)行了仿真分析，得到了在不同的轉(zhuǎn)速下，曲軸所受到的力在隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。接下來又對曲軸有限元法進(jìn)行了探究得出了在不同的轉(zhuǎn)速下，曲軸所受到的應(yīng)力大小以及最大形變量的變化，最后根據(jù)曲軸強度的計算公式以及疲勞安全系數(shù)的計算公式得出在4000轉(zhuǎn)每分鐘時的安全是得到保證的。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱海榮，彭培英，熊義強，等.基于Adams的往復(fù)式運動結(jié)構(gòu)仿真研究[J].振動、測試與診斷，2016.

[2] 張洪才.Ansys14.0理論分析與工程應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[3] 曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.