陳銀平

摘 ? 要：針對(duì)于柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)動(dòng)力特性的研究問(wèn)題，首先我們要對(duì)于柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)進(jìn)行了解，掌握柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的工作原理，最后對(duì)于柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行研究。起初，將根據(jù)柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的工作原理建立柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)在動(dòng)力學(xué)方面上的模型，然后依據(jù)多體動(dòng)力學(xué)原理以及有限元的方法對(duì)柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)動(dòng)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(jī)曲軸系統(tǒng)發(fā)生的最大變形主要出現(xiàn)在與柴油機(jī)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(jī)曲軸系統(tǒng) ?動(dòng)力特性 ?研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U461 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0079-02

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

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

柴油機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)都要經(jīng)歷四個(gè)過(guò)程，它們依次是進(jìn)氣過(guò)程、壓縮過(guò)程、做功過(guò)程、排氣過(guò)程。柴油機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)首先在進(jìn)氣過(guò)程需要吸入純凈的空氣，其后在進(jìn)行壓縮過(guò)程時(shí)，特別是在進(jìn)入到壓縮過(guò)程的末尾時(shí)，我們需要將柴油機(jī)的柴油經(jīng)過(guò)噴油泵將柴油的壓強(qiáng)提升到12MPa以上，然后經(jīng)過(guò)噴油器當(dāng)?shù)竭_(dá)霧狀時(shí)將其噴入到氣缸內(nèi)，隨后噴入的霧狀氣體將在很短的時(shí)間內(nèi)和經(jīng)過(guò)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(guò)程的末尾時(shí)，氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)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(shí)間內(nèi)就會(huì)燃燒，燃?xì)獾膲毫?huì)迅速達(dá)到7～9MPa，溫度也將急劇上升，最終，在高壓氣體的推動(dòng)之下，活塞將向下運(yùn)動(dòng)將廢氣從排氣門(mén)中排除到大氣中，在此同時(shí)，曲軸也將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

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(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)連接軸使其形成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以曲軸不但要承受一定周期的彎曲力矩，與此同時(shí)曲軸還將承受離心力以及在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，曲軸在進(jìn)行工作的過(guò)程中要經(jīng)歷高速度的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，曲軸在硬度方面、強(qiáng)度方面、耐磨性方面等有著很?chē)?yán)格的要求。所以，在制作曲軸的工作廠間里通常會(huì)采取高強(qiáng)度的材料進(jìn)行加工，在曲軸的軸徑處還要經(jīng)過(guò)熱處理來(lái)加強(qiáng)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(shí)還要保證連桿軸的光潔度。除此之外，對(duì)于各個(gè)連桿軸的軸心的偏移程度以及一些主動(dòng)齒輪的中心的偏移度都有著嚴(yán)格的要求。

2 ?柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

由于柴油機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)曲軸系統(tǒng)會(huì)承受來(lái)自各個(gè)地方不同的力的作用，所以，我們無(wú)法對(duì)于在壓縮腔內(nèi)的氣體進(jìn)行測(cè)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(duì)壓縮腔內(nèi)的氣體受到的力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行約束[1]。在主平衡鐵-曲軸這個(gè)零件中的運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型是固定，副平衡鐵—曲軸零件的運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型同樣是固定，調(diào)心球軸承-曲軸的運(yùn)動(dòng)副類(lèi)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(dòng)軸承-滾針軸承，但對(duì)于十字滑環(huán)-動(dòng)軸承來(lái)說(shuō)它的運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型是點(diǎn)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(shí)，曲柄銷(xiāo)承受的力的變化可以得知，在轉(zhuǎn)速不變的狀況下，曲柄銷(xiāo)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(shí)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(gè)壓縮的過(guò)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?yàn)橹髌胶忤F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(gè)模擬的實(shí)驗(yàn)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(xiāo)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(xiāo)與主副軸在隨著轉(zhuǎn)速的不斷加大時(shí)，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(guò)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(shí)這也就加大了柴油機(jī)曲軸振動(dòng)急劇的可能性，同時(shí)這也為我們計(jì)算軸承的壽命以及如何選擇軸承的類(lèi)型提供了依據(jù)。

3 ?曲軸系統(tǒng)有限元方法的探究

在對(duì)曲軸系統(tǒng)利用有限元法進(jìn)行探究之前，我們首先要對(duì)有限元法進(jìn)行了解認(rèn)識(shí)。有限元法的基本原理指的是在進(jìn)行求解過(guò)程中我們會(huì)碰到一個(gè)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(diǎn)分割成相互有關(guān)聯(lián)的有限個(gè)單元，然后對(duì)這些有限個(gè)的單元里的未知變量通過(guò)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(yùn)用到Ansys這個(gè)軟件，對(duì)柴油機(jī)的曲軸系統(tǒng)所受到的力進(jìn)行計(jì)算以及對(duì)計(jì)算結(jié)果加以分析，最終得出結(jié)論。

在經(jīng)過(guò)Ansys軟件的計(jì)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(jī)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(shí)柴油機(jī)曲軸的應(yīng)力達(dá)到了12MPa，與其同時(shí)它的最大型變量為67μm，在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)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(gè)轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)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(guò)以上的計(jì)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(xiāo)處所受到的載荷力也在不斷的增大，這就給曲軸帶來(lái)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(zhǎng)它的壽命。

4 ?對(duì)曲軸系統(tǒng)疲勞安全系數(shù)的計(jì)算

在通過(guò)Ansys軟件計(jì)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(xiàng)材料最大的形變量除以危險(xiǎn)情況下所受到的應(yīng)力得到曲軸強(qiáng)度的大小，此后根據(jù)：疲勞的最大極限值除以不對(duì)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(guò)Ansys軟件進(jìn)行計(jì)算后我們得知在3000轉(zhuǎn)每分鐘時(shí)曲軸強(qiáng)度為1.6，安全系數(shù)為10.1，在4000轉(zhuǎn)每分鐘時(shí)曲軸強(qiáng)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(duì)于零件的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 ?結(jié)語(yǔ)

在對(duì)于柴油機(jī)的工作原理以及曲軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了解之后，我們采用了Admas軟件對(duì)柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的動(dòng)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(lái)又對(duì)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(qiáng)度的計(jì)算公式以及疲勞安全系數(shù)的計(jì)算公式得出在4000轉(zhuǎn)每分鐘時(shí)的安全是得到保證的。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱海榮，彭培英，熊義強(qiáng)，等.基于Adams的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)仿真研究[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2016.

[2] 張洪才.Ansys14.0理論分析與工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)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.