張永斌

福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建 福州 350000

1 柴油機(jī)建模

本文選用Pro/Engineer(以下簡稱Pro/E)軟件作為建模軟件，具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模、三維實(shí)體建模、裝配及特征驅(qū)動(dòng)等功能。整個(gè)柴油機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的設(shè)備，包含有多達(dá)兩千多個(gè)的零件，除了固定約束外，還包含有多達(dá)三百多個(gè)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，因此要根據(jù)我們研究的需要進(jìn)行取舍[1]。

2 柴油機(jī)虛擬裝配

柴油機(jī)建完模，按照各零部件的相對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行裝配，裝配模型能夠描述產(chǎn)品中所有零件的空間位置和裝配關(guān)系。利用虛擬裝配，可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作的正確與否，以便及早發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，對(duì)模型進(jìn)行修改，達(dá)到物理樣機(jī)的功能。完成以上各個(gè)部件的模型裝配之后，柴油機(jī)的整機(jī)三維模型就建立起來了。

Pro/E軟件動(dòng)力學(xué)仿真效果比較差，本文利用ADAMS軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行分析。通過Mechanism/Pro接口軟件，將Pro/E中建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS中去。

3 柴油機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置

柴油機(jī)的整機(jī)模型建立好之后，接下去進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。柴油機(jī)額定工作轉(zhuǎn)速是900RPM，工作負(fù)荷是100%。柴油機(jī)的活塞一方面受到燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，另一方面飛輪端受到負(fù)載作用，兩者達(dá)到平衡，共同作用實(shí)現(xiàn)柴油的平穩(wěn)運(yùn)行。缸內(nèi)壓力的大小是周期性變化的，由示功圖可以獲得?；钊斆媸艿搅Φ拇笮〉扔诟變?nèi)壓力乘以活塞外徑的面積，各個(gè)氣缸的壓力變化是一致的，只是根據(jù)發(fā)火順序不同相差一定的相位，因此只要計(jì)算出一個(gè)活塞受力規(guī)律即可，其他缸的受力就是調(diào)整一定的相位即可[3]。首先通過理論計(jì)把柴油機(jī)的整合輸出扭矩計(jì)算出來，定義成樣條曲線輸入ADAMS，然后在曲軸的旋轉(zhuǎn)副上添加力矩。仿真要包含一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期，將仿真持續(xù)時(shí)間設(shè)置為0.2667s，要保證仿真能夠達(dá)到足夠的精度，仿真步長設(shè)定為0.0005s。

圖1 柴油機(jī)三維仿真模型

4 仿真結(jié)果比較分析

在ADAMAS中進(jìn)行仿真運(yùn)行，得到各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力情況。各個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)情況是一致的，取第三缸為研究對(duì)象。

圖2 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速

從柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)圖上可以看出，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速是在900.592r/min，至899.492r/min之間波動(dòng)的。轉(zhuǎn)速波動(dòng)率0.06%左右，飛輪的慣性足夠大，能夠滿足柴油機(jī)正常工作的要求。每一周期有六個(gè)波峰與波谷，這與實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)。此時(shí)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性越大，柴油機(jī)的缸數(shù)越多，柴油機(jī)的工作就越平穩(wěn)。

表1 活塞主要運(yùn)動(dòng)學(xué)特性仿真與理論計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 活塞速度仿真與理論計(jì)算對(duì)比曲線

根據(jù)以上活塞特性曲線對(duì)比圖，可清楚地得出仿真計(jì)算的值與理論計(jì)算的值不僅在趨勢(shì)上是一致的，峰值上沒有多大的差別，兩組曲線幾乎重疊在一起。從而證明動(dòng)力學(xué)仿真模型建立的正確性。

仿真中活塞組件最大速度為+15016 mm/s，最小–15016mm/s；相應(yīng)理論計(jì)算出來的速度最大為+14969mm/s，最小為–14969mm/s，其相對(duì)誤差分別是0.047%和0.027%，誤差范圍是很小，而且與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)誤差率0.056%很接近?？梢哉J(rèn)為是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化引起了活塞速度的變化 ，因此與按恒定轉(zhuǎn)速的理論計(jì)算值有一定的誤差。同理活塞加速度與理論計(jì)算值也有一定的誤差，而且誤差的等級(jí)也提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這是很符合實(shí)際情況的。

圖4 活塞銷受力

活塞銷是柴油機(jī)中受力苛刻的柱狀零件，主要受到氣缸內(nèi)的燃?xì)鈮毫突钊M件運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力共同作用?；钊N作用力載荷大，變化劇烈，是柴油機(jī)中的易損件。從活塞銷合力對(duì)比圖中可以看出，仿真曲線和理論計(jì)算的曲線基本是相吻合的?；钊N合力仿真計(jì)算的峰值是6.1716e6N，而理論計(jì)算的峰值是6.1962e6N，兩者相差的范圍很小，誤差率緊為0.4%。出現(xiàn)偏差的原因是理論計(jì)算的時(shí)候沒有把活塞組件的重力，高次慣性力考慮在內(nèi)，以及對(duì)連桿小端質(zhì)量的不同計(jì)算方法造成的?；钊N合力仿真計(jì)算的峰值出現(xiàn)在曲柄轉(zhuǎn)角371.21度的位置，與氣缸爆炸壓力出現(xiàn)在上止后11.25度是高度一致的。

5 結(jié)束語

綜上所述，應(yīng)用PRO/E軟件建模，再導(dǎo)入ADAMAS中仿真。其所得到的結(jié)果與柴油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況基本一致，對(duì)柴油機(jī)設(shè)計(jì)制造具有十分重要的指導(dǎo)意義。