（轮机工程专业论文）620单缸机结构设计、性能分析以及主要运动件有限元计算.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 t b d 6 2 0 系列柴油机系d e u t z 公司设计，是t b d 6 0 4 b 柴油机的改进机型。 为了进一步提高t b d 6 2 0 系列柴油机的功率，提高可靠性，降低成本以及更加 便于维修与保养，就需要进行大量的改进。在改进与优化的过程中，为了更 好确定参数变化对柴油机性能的影响，同时降低试验成本，需要设计t b d 6 2 0 单缸柴油机，在单缸试验柴油机上进行参数优化，最终完善机型的改进。 本论文主要进行t b d 6 2 0 单缸柴油机的总体设计研究。t b d 6 2 0 单缸机主 要是在t b d 6 2 0 v 1 6 的基础上设计，尽量保证零部件与原来的一致性。本论文 针对冷却系统、润滑系统、配气机构、燃油系统及机体、曲轴、活塞、连杆、 气缸盖等主要零部件进行了详尽的设计研究，最后对平衡系统进行设计，旨在 满足柴油机性能要求。 同时，利用a v l - b 0 0 s t 软件对t b d 6 2 0 单缸柴油机进行工作过程计算，分 析其性能。同时分析压比，喷油提前角以及配气正时对性能的影响，在原机 的基础上提出对这几个参数的改进建议，最后计算整机在部分工况下的性能。 利用a n s y s 软件对连杆进行强度计算，主要从疲劳强度方面进行考虑， 并对变形量进行核算，同时用传统算法验证软件仿真计算的正确性，并进行安 全系数校核。利用a n s y s 软件进行曲轴强度计算，分析其安全系数。应用 p r o e 进行建模，利用a n s y s 软件进行活塞热分析计算。通过有限元分析， 获得了该柴油机活塞温度场、热流密度分布情况，为该系列柴油机活塞的改 进提供了一定的理论依据。 关键词：总体设计；结构：性能；强度；热分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et b d 6 2 0s e r i e sd i e s e le n g i n e sa r ed e s i g n e db yd e u t zc o ，i no r d e rt o i m p r o v et h ep o w e ra n dc r e d i b i l i t y ，d e c l i n et h ec o s to ft h et b d 6 2 0s e r i e sd i e s e l e n g i n e sw h i c hw e r ee a s i e rt om a i n t a i n , w en e e dt oc a r r yo nag r e a td e a lo f i m p r o v e m e n t d u 血gt h ei m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o n ，i no r d e rt oc o n f i r mt h e i n f l u e n c eo nt h ed i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c et h r o u g ht h ep a r a m e t e rv a r i e t i e sw h i l e d e c l i n et h ee x p e r i m e n t a lc o s t ，d e m a n df o rd e s i g nt h et b d 6 2 0s i n g l ec y l i n d e r d i e s e le n g i n e ，o p t i m i z ep a r a m e t e r sb ye x p e r i m e n ta n df i n a l l yi m p r o v et h ee n g i n e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ew h l o eo ft h ee n g i n ew a sd e s i g n e d t h ed e s i g no f t b d 6 2 0s i n g l ec y l i n d e rd i e s e le n g i n ew a sb a s e do nt b d 6 2 0 v16t oc o n f i r mt h e c o h e r e c eo ft h ep r i m a r yp a r t s t h e c o o l i n gs y s t e m ，l u b r i c a t i n gs y s t e m ，v a l v e s y s t e m ，g e a rt r a i n i n g ，f u e ls u p p l ys y s t e m ，e n g i n eb l o c k , c r a n k s h a f t ，p i s t o n s ， c o n n e c t i n gr o d sa n dc y l i n d e rc o v e r sw e r ec a r e f u l l yd e s i g n e dt oa c h i e v et h ed e s i g n p a r a m e t e r s i na d d i t i o n , c a l c u l a t et h eo p e r a t i n gp r o c e s su s i n ga v l b o o s ta n da n a l y z e t h ep e r f o r m a n c e m e a w i l ea n a l y z et op r e s s u r er a t i o ，f u a li n j e c t i o na d v a n c ej u n g l e a n dc a mt i m i n gt ot h ei n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c e ，a n dt h e np u tf o r w a r d s u g g e s t i o n so ft h ei m p r o v e m e n tt o w a r dt h e s ep a r a m e t e r s f i n a l l yc a l c u l a t e p e r f o r m a n c eo fp a r tc o n d i t i o n so ft h ew h o l ee n g i n e b e s i d e s ，c a l c u l a t et h ei n t e n s i t yo ft h ec o n n e c t i n gr o d su s i n ga n s y s t h e f a t i g i l ei n t e n s i t yi sc o n s i d e r e dt oc h e e kc h a n g e s a n dc o m p 盯et h er e s u l t so ft h e t r a d i t i o n a lc a l c u l a t et o p r o v e t h ef o r m e rw a yi s r i g h t a n a l y z et h es a f e c o e f f i c i e n t c a l c u l a t et h ei n t e n s i t yo ft h ec r a n k s h a f tu s i n ga n s y s a n dm a i n l y c a l c u l a t et h ec r a n k s h a f ti n t e n s i t y ，a n a l y z et h es a f ec o e f f i c i e n t b u i l dt h em o d e l 、析t 1 1p r o ea n dc a l c u l a t et h et h e r m a la n a l y s eo ft h ep i s t o nu s i n ga n s y s t h r o u g h a n a l y s eo ft h ei n f i n i t ee l e m e n t ，w eg e tt h ec o m p l e x i o no ft h e r m a ld i s t r i b u t i n ga n d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h ed e n s i t yo fh e a to ft h i s p i s t o ni nt h ee n g i n e t h e s ec a l lp r o v i d et h e o r e t i c e v i d e n c et oi m p r o v et h i sp i s t o no ft h ee n g i n e k e y w o r d ：t o t a ld e s i g n ；s t r u c t u r e ；p e r f o r m a n c e ；i n t e n s i t y ；t h e r m a la n a l y s e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：j 挫 日期：细扩年) 月 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 单缸试验柴油机的研究概论 当今发动机工业面临严峻的挑战，一方面是石油危机带来能源危机，如 何降低动力能源消耗；另一方面是为保证人类生存环境，要求减少发动机有 害排放物对环境的影响，各国纷纷制定出日益严格的排放法规；此外，市场 期望增加；国际竞争日益激烈等等，这些挑战都使未来的研究工作变得更为 困难。 我国内燃机的发展非常迅速，对其性能要求也越来越高。但起步较晚， 与国际相同机型相比还存在较大差距，随着内燃机市场的竞争逐步进入国际 竞争的大环境，必须改善和提高国产内燃机的性能指标，降低排放标准，逐 步缩短与国际间的发展差距。目前，内燃机的设计和研究已经可以广泛利用 现代设计理论和方法对方案的效果进行先期预算、估测，大大缩短了内燃机 研究和设计的周期。然而由于内燃机是技术含量很高的机械产品，本身又极 其复杂，其主要零部件结构、运动及所受载荷的复杂性，使纯理论分析非常 困难。尤其是燃烧问题，虽然可借助电子计算机对假设的数学物理模型做些 近似估算，但误差较大，因此，内燃机的研制基本上是通过实际内燃机的优 化试验进行的。为使研究的问题简化，单缸试验机一直是内燃机工程师开发 新机型和对现有产品的性能和结构参数进行优化的主要工具之一。 多缸机由于受整机限制，要改变其结构参数，进行各系统的优化试验工 作，往往要花费大量的人力、物力、财力和较长的研制开发周期。如要调整 和改变配气相位，必须重新设计和加工整个凸轮轴；改变进气系统就必须重 新加工整机的缸盖；改变燃烧室形状，调整压缩比，每一个技术方案都要同 时加工出多个同类型的活塞，才能进行试验。这样，研究开发成本太高，周 期过长，并且对一些参数的有机调整和合理匹配，在短期内无法深入进行， 从而制约整机性能的改善和提高，产品的改进研究、设计开发能力也受到极 大限制。 相对于多缸机而言，单缸试验机在优化试验时有着一系列的优点“1 ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 设计灵活，制造简单，实验中需更换零部件的数量比多缸机少，易于 进行多种方案选择试验，相对比较性强，调整方便，试验进程快，周期短， 成本低； 2 在单缸试验机上没有多缸机中各缸不均匀及各缸进排气相互干扰等影 响，因而试验精确，便于判断某一参数变化后的影响，进行参数的优化设计： 3 可进行各种模拟试验，还可以进行内燃机主要零部件的强度试验，并 围绕温度场和应力场的测定，为零部件结构设计提供比较接近实际的边界条 件； 4 利用高速摄影可观察柴油机气缸内的燃烧过程，改变缸径和行程，可 研究其最佳比值，还可研究柴油机在很高的平均有效压力下工作的各类问题 以及其它专门性的试验等。 目前，发达国家都对单缸试验机的研制和开发非常重视，如美国c u m m i n s 公司，英国r i c a r d o 公司以及奥地利a v l 公司都有相当数量的试验单缸机； 而我国在此方面却比较落后，从五十年代末期，开始有一些单位根据需要自 行设计单缸试验机，但没有单缸机的专门设计及出售单位。 a v l 公司于2 0 0 3 年宣布其开发了一种新的单缸研究试验用发动机。该项 目的是制造一种灵活的工具，使公司加快对由自身提供资金和由用户支持的 中速柴油机和气体燃料发动机项目的研究开发，从而节约时间和资金。在以 前，单缸试验机设计用来满足用户需要，成本非常高。单缸机的制造需耗费 过长时间，最终，由于结构上的冲突，使单缸机不能用于其它结构的发动机 研究。2 0 0 4 年3 月，这种情况发生了改变。当时，在奥地利格拉茨大型发动 机中心研发的a v l 试验台上开始使用新的单缸机，从一开始就可以看出，设 计目标已经达到，而且。在某些方面还超过了设计目标n ，。 1 26 2 0 单缸柴油机设计的意义 t b d 6 2 0 系列柴油机系德国d e u t z 公司设计，是t b d 6 0 4 b 柴油机的改进机 型。t b d 6 2 0 系列柴油机最大的特点是可靠性高，使用寿命长。具体体现在排 温低、排放好等方面，其零部件的寿命都很长。d e u t z 公司宣称其第一次大 修期可达3 2 0 0 0 小时n ，采用传统的直喷式燃烧室、铝合金活塞、湿式气缸套、 倒挂式主轴承机体等传统的结构型式，整体结构简单、可靠。但在这些传统 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的结构设计中又融入了现代科学技术，如：采用排气脉冲转换器、复合式机 油滤清系统、双水可控( 节温器) 冷却系统、钛合金板翅式冷却器等，这其 中无不体现出当今世界柴油机的发展趋势和技术水平。 由于t b d 6 2 0 继承了“h a l l o 高低负荷最优化可控涡流”和采用“p e a r l 能量提前回收排气系统技术，因此，即使在部分工况，油耗也能保持较低 的水平，所以具有良好的低负荷性能，这也使得其具有良好的经济性。 t b d 6 2 0 的结构简单，大大减少了柴油机的维修保养工作量。在柴油机机 体的两侧均有观察孔，从而使操作人员在机舱内就可以拆卸连杆、活塞，方 便进行维修、保养，改善了维修条件。 t b d 6 2 0 的起动性能非常好，在一2 - - 0 的环境温度下( 甚至能在一5 的 环境温度下) ，油、水不经预热，起动时间小于1 0 秒。有特殊要求时，还可 同时配置两种能源( 电机和气马达) 方式的起动。 t b d 6 2 0 的排放指标很低，排放指标好。n o x 、c o 、h c 及颗粒排放物均符 合欧i i 排放标准。 虽然t b d 6 2 0 已经具有良好的性能指标，但是就其参数就行试验研究时， 发现其仍然有较大的改进空间。正如上面所说的，我们不可能在本来的1 6 缸机器上进行试验研究，为了更加准确的分析多种参数对发动机性能的影响， 从而更好的进行改进，就需要在原来1 6 缸的基础上设计出来t b d 6 2 0 单缸柴 油机进行试验研究，更好的进行优化和改进。 1 3 本课题的主要研究内容 柴油机总体设计是关系到柴油机性能和可靠性的重要步骤。在对 t b d b 2 0 v 1 6 认真分析的基础上，尽可能在不改变原来主要零部件的前提下， 确定t b d 6 2 0 单缸柴油机的总体设计，确定其主要结构方案，主要结构参数以 及总体布置。 利用p r o e 软件完成主要零部件的三维建模，完成形状结构设计。包括 活塞组，连杆组，曲轴以及凸轮轴等。 利用a v l - b o o s t 软件对t b d 6 2 0 单缸柴油机进行工作过程计算，进行整机 性能分析。同时分析压比、喷油提前角以及配气正时对性能的影响，并在原 机参数的基础上提出这几个参数的改进建议。最后计算并分析整机在部分工 哈尔滨工程大学硕士学位论文 况( 2 5 ，5 0 9 6 ，7 5 ，1 0 0 ，l l o ) 下的不同性能。 利用a n s y s 软件对连杆进行强度计算，主要从疲劳强度方面进行考虑， 并对变形量进行核算。利用a n s y s 软件进行曲轴分析，主要进行曲轴强度计 算，分析其安全系数。使用a n s y s 分析活塞温度场。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章6 2 0 单缸机总体结构及平衡装置设计 2 1 t b d 6 2 0 单缸柴油机总体结构设计 t b d 6 2 0 系列柴油机系德国d e u t z 公司设计，是t b d 6 0 4 b 柴油机的改进机 型。t b d 6 2 0 系列柴油机最大的特点是可靠性高，使用寿命长。具体体现在排 温低、排放好等方面，其零部件的寿命都很长。 虽然t b d 6 2 0 已经具有良好的性能指标，但是就其参数就行试验研究时， 发现其仍然有较大的改进空间。正如上面所说的，我们不可能在本来的1 6 缸机器上进行试验研究，为了更加准确的分析多种参数对发动机性能的影响， 从而更好的进行改进，就需要在原来1 6 缸的基础上设计出来t b d 6 2 0 单缸柴 油机进行试验研究，更好的进行优化和改进。 首先研究一下t b d 6 2 0 单缸柴油机总体结构设计，t b d 6 2 0 单柴油机在基 本保持原t b d 6 2 0 v 1 6 的基础上改进而成，其三维视图如图2 1 所示。主要包 括： 1 固定机件：机体，主轴承，气缸套，气缸盖等。 2 运动机件：主要是曲柄连杆机构，由活塞组，连杆组，曲轴等组成。 3 冷却系统、润滑系统、齿轮传动系统、配气系统、燃油系统等系统。 4 辅助机件：有进气管和排气管等。 堕堑堡三至奎兰堡圭耋堡垒圣 图2lt b d 6 2 0 单缸柴油机三维模型 211 冷却系统 t b d 6 2 0 v 1 6 柴油机冷却系统由淡水泵、海水泵、熟交换器、节温器等组 成，对于陆用发动机还装有风扇及风扇传动装置。其有三种冷却系统：u i k 单循环冷却系统，u i i k 双冷却循环系统，r - k 双冷却系统。可以根据用户需 要来配置。对于单缸机，采用同原来一样的冷却系统”1 。 212 润滑系统 润滑系统由机油预供泵、机油泵、机油滤清器、机油离心滤清器、机油 冷却器、减压阀、机油管等组成。 齿轮式机油泵从发动机油底壳经吸油管吸入机油，通过机油冷却器，机 油滤清器，进入主油道，然后向所有需要供油的润滑点和活塞冷却喷咀供油。 机油压力由输油管路上的一个压力调节阀来控制。 油路系统除了常规的机油滤清器外，还装有离心式机油滤清器，以延长 机油使用时间。 机体上有一个油标尺用来检查油底壳的油面。 油路系统还装有一手动或电动预供油泵，在发动机启动前把油从油底壳 呈垒鎏三垄奎茎竺圭茎：堡耋圣 中抽出，对发动机进行预润滑。 21 3 齿轮传动系统 曲轴通过传动轴系将一部分动力传给凸轮轴和各个系统的有关元件，使 它们和曲轴的转速或相位保持一定关系，以保证柴油机协调地工作。 本机齿轮传动系统三维图形如图22 所示，布置在动力输出端，另外一 侧装有飞轮。机油泵齿轮由曲轴齿轮通过安装在机油泵上的中间齿轮传动。 214 燃油系统 图2 , 2 齿轮传动系统示意图 燃油供给系统包括喷油泵、高压油管、喷油器、柴油滤清器、输油泵等。 整体式结构的喷油泵根据发动机转速和负荷供给一定量的燃油，通过高压油 管进入布置在气缸中央的喷油器中。 215 配气机构 配气机构包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂和气门组件等组成。凸轮轴布 置采用下置式，离曲轴较近，由曲轴正时齿轮通过惰齿轮带动，结构简单。 22 主要零部件结构设计 望垒鋈三馨奎茎丝圭兰堡兰兰 22 1 曲轴 曲轴是柴油机的主要零件之一，也是造价最贵的机件。整个发动机的可 靠性在很大程度上取决于曲轴的强度，而发动机的外形尺寸和总重量也与曲 轴的尺寸有很大关系。因此，曲轴设计应根据总体设计的要求，不仅安全可 靠，而且重量尺寸要小。另外，曲轴的振动除了影响其强度外，还影响到发 动机的其它工作性能，如扭振将引起曲轴传动齿轮的急剧磨损，使配气正时 恶化，发动机工作过程变坏：弯曲振动将导致活塞、连杆及轴承的工作条件 恶化等。因此曲轴应有较大的刚度、尽量小的长度、避免在工作转速中出现 共振，必要时考虑减振措施”1 。 t b d 6 2 0 单缸柴油机曲轴如图2 3 所示，曲轴可以取原t b d 6 2 0 v 1 6 的一端 并将其稍微改变而成，采用实心结构，钻有斜油孔，滑油从主轴颈引到连杆 轴颈来润滑连杆轴承。曲轴主轴颈为1 5 2 m m ，连杆轴颈为1 2 8 m m ，两轴中 心距为9 75 m m 。 曲轴材料为4 0 c r n i m o ，表面进行氮化处理，提高了轴颈的抗疲劳强度和 耐磨性。曲轴的曲拐下面配有平衡重。 图23 曲轴三维模型 222 连杆 连杆组由连杆杆身、大端盖、小端衬套、大端轴瓦、连杆螺栓等组成。 连杆将作用在活塞上的气体压力传递给曲轴，并将活塞的往复运动变成曲轴 的旋转运动。因此，连杆作为传力构件和运动件，不能仅仅依靠加大连杆尺 哈尔滨工程大学硕士学位论文 寸来提高其承载能力，必须从材料选用、构形设计、热处理及表面强化等方 面采取措施，解决连杆尺寸、重量和刚性、强度之训的矛盾。 t b d 6 2 0 单缸柴油机连杆在原来v 1 6 机型的基础上改为如图所示的单个独 曲j 连杆。连杆材料仍然选用4 2 c r m o a ，对杆身脱碳层的加工处理。轴瓦表面 采用嘲纹技术3 。 连杆仍然为斜切 1 ，连杆体、端盖结合面采用锯齿定位。原来基本尺寸 保持不变，中心距3 5 0r n m 。小头衬套以及大头轴瓦的形状尺寸以及所采用的 工艺都保持不变。如图24 所示。 2 23 活塞 图24 连杆三维模型 活塞组包括活塞本体，活塞销，活塞环等零件。 活塞形成燃烧室的一部分，土要有封气和传递功率的作用。活塞在柴油 机工作中经受着周期性交变的机械负荷及热负荷作用，处在高温、高负荷、 高速运动及润滑不良的情况下工作，条件极为恶劣，因此要求活塞在保证足 够的刚度和强度的情况下，不但要质量轻，而且导热快、热膨胀系数小，同 时具有良好的耐磨性和耐腐蚀能力“。 t b d 0 2 0 单缸柴油机的活塞组的所有部件都采用和原机一样的。活塞由铝 合龠制造，上部铸造，下部锻造，用电子束焊接在起，上有三道活塞环槽， 头部内有冷却油道，冷却活塞顶部。如矧2 5 所示。 錾玺鎏三矍奎兰堡圭兰堡丝三 图2 5 活塞三维模型 224 气缸套 气缸套是活塞组往复运动的导向面，内表面直接受到高温高压燃气的反 复作用，外表面直接受到冷却水的冲刷和冷却。由于气缸套内壁存在温度和 压力的波动，内外壁之间有温度差，使气缸套承受相当大机械应力和热应力。 所以要求气缸套要有足够的刚度及强度。 另外，活塞环密封压力和活塞侧推力直接作用在气缸套内表面上，使其 受到强烈的摩擦，而这种摩擦的条件又非常恶劣，尤其在润滑不良、进气脏 污、空车运转及燃烧不正常的情况下，会造成缸套内表面的强烈磨损。所以 要求缸套表面要有较好的耐磨性。 本机气缸套采用湿式气缸套，由合金铸铁铸造而成，耐磨性及工艺性均 较好。采用等温淬火进行处理，具有足够的强度、刚度。内表面采用巧磨加 工成有规则的平台网纹，对加快磨合及提高耐磨性均有良好的效果。气缸套 下端有二道0 型圈封水，近水腔处有一道矩形密封圈避免气缸套穴蚀和腐蚀， 延长了气缸套的使用寿命”1 。 t b d 6 2 0 单缸机气缸套如图26 所示。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 22 图2 7 机体三维模型 结构十分复杂。机 齿轮传动装置装在 篁! ：堡三堡奎耋堡圭兰堡鎏兰 22 6 气缸盖 气缸盖由四个螺柱通过气缸盖密封垫和气缸套固定在机体上。 二个进气门和二个排气门连同气门座圈和气门导管等一起装在气缸盖 上。气门传动装置由挺柱，推杆，摇臂，摇臂支架和阀桥所组成。喷油器位 于一个保护套管内，在其周围有循环水冷却。气缸盖上有两个进气道。根据 发动机所要求的运行模式，在其中一个进气道装有一个可动的节流活门，即 所谓的“h a l l o 高低负荷最优化可控涡流”技术，以改善怠速以及部分负荷 时的运行性能”1 。 t b d 6 2 0 单缸机气缸盖如图2 8 所示。 23 平衡装置设计 231 平衡分析 图2 8 气缸盖三维模型 据柴油机曲柄一连杆机构的动力分析及该机构各构件处的力作用情况可 知，引起单缸机振动的力源主要有： 1 往复惯性力p ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 离心惯性力p r 3 倾覆力矩m 。 它们组成一个平面力系，而非多平面力系，故单缸机没有惯性力矩的影 响。由气体压力及往复惯性力所形成的倾覆力矩m 。作用在机体上，一般来 说是难以消除的，只能依靠强大的地基，即由柴油机的地脚螺钉承受其所引起 的振动。所以单缸机的平衡只考虑往复惯性力p ；和离心惯性力p r 的平衡问题， 故需要对6 2 0 单缸机的平衡轮系和曲轴平衡重进行设计。 2 3 2 往复惯性力p ! j 的平衡设计 按活塞加速度近似值计算的往复惯性力为： 弓= 一m j a = - m y r n r 2 c o s f i - - 4 m j r ( 2 n r ) 2 c o s 2 n( 2 1 ) 对于一次往复惯性力： 昂= 一所，r 巧2 c o s o ( 2 2 ) 二次往复惯性力： = 一4 m j r ( 2 n r ) 2 c o s 2 伍( 2 3 ) 式中，m ；一往复运动总质量，k g ： r 一曲轴半径，m i l l ； 万一回转角速度，1 s ； i f , 一平衡块重心所成角度，r a d ： 九一径长比。 平衡轮系的平衡方法是采用正、反转矢量平衡法，即把往复惯性力p j 。( 或 1l 九 p j ) 看作两个质量互m j ( 或i 。i m j ) 在半径r 处以角速度口( 或2 万) 朝 相反方向转动时候所产生离心力的向量和。从而把往复惯性力的平衡问题转 化为两个正、反转矢量的平衡，就可以利用平衡离心力的方法来平衡往复惯 性力。 设每个一次平衡块的质量为m 。，平衡块重心与平衡块回转中心间的距离 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为玛。则两平衡块质量的离心力在水平方向的投影是等值反向的，白相平衡 抵消。而在垂直方向的投影是等值同向的，其合力为2 m ；r m 2 c o s o t ，其大小与 一次往复惯性力相等，其方向应与一次往复惯性力方向相反，亦即： 2 m i r l 刁 2 c o $ o t = m j r v 2 c o s o t r 一- - - 掣 ( 2 - 4 ) 二次往复惯性力的平衡原理和方法基本上与一次往复惯性力的平衡相 同。其差别是所配置的二次平衡块的回转角速度是曲轴回转角速度的2 倍， 即2 万。设平衡块质量为平衡块重心与平衡块回转中心间的距离为r ：。 则： 2 m 2 r ( 2 巧) 2 c o s 2 a = 舍7 勺r ( 2 万) 2 c o s 2 a 坞= 竿 ( 2 _ 5 ) 在正反转平衡机构中，除了必须满足平衡块同曲轴的回转角速度要求 外，还应保证平衡块的安装方位与曲轴有一定的定时关系。即当曲轴处于上 止点位置时，一、二次的各自两个平衡块均应垂直向下。 根据上面的公式( 2 - 4 ) 和( 2 - 5 ) ，平衡轮系设计的关键在于设计出满足 要求的一次平衡块和二次平衡块。 已知：曲轴回转半径r = 9 7 5 m m ：连杆长度l = 3 5 0 m m ；径长比九：_ r ： 0 2 7 9 ；而往复运动总质量m j 铷p 恤，其中m p 是活塞组质量；m 。是连杆组 小端换算质量。m 。是连杆总质量，m 曲是连杆大端换算质量。 根据动力效应相同原则，将连杆质量换算成连杆大端质量和连杆小端质 量： 连杆大端质量： 吣m 。 以4 等一蚝 连杆小端质量： m = m 。一m 西= 9 4 6 2 1 = 3 1 9 k g 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 往复运动总质量： n 1 = n l 。+ m 。 31 9 2 08 8 3 = 2 40 7 3 k g 则一次平衡块： m r ；兰尝：2 4 0 7 3 。r ：1 1 7 3 5 6 k gm m 二次平衡块的： m ：吣半0 2 7 丁9 x 2 4 0 7 3 x r - 8 1 8 6 k g 一 经过设计，6 2 0 单缸机一次平衡块质量1 1 1 = 2 55 k g ，平衡块偏心距 r = 4 60 1 m m ，其三维模型如图2 9 所示。二次平衡块质量i n ，= 2 64 k g ，二次 平衡块偏心距r ，- 96 7 m m ，其三维模型如图2 1 0 所示。 图2 9 一次平衡块的三维模型 哈匀：演工程大学硕士学位论文 图21 0 二次平衡块的三维模犁 233 离心惯性力p 的平衡设计 单缸机的不平衡离心惯性力p 是由单位曲柄不平衡质量及连杆大端回 转质量的总和在r n ，在半径r 处以曲轴角速度。旋转时产生的即 p r = m 。r e ) 2 。 对于不平衡离一i l , 惯性力p 的平衡通常是在曲臂卜| i j 】离一i l , 力相埘应，并使 该质量所产生的离反方向配置一对质量相同的平衡重m 。心力恰好与p 相 等，即可达到平衡的目的。 设每块平衡重的质量为m 。，它的重心到曲轴回转中心线的匣i 转半径为 r ，。，则平衡条件为： m 。，：芝墨 ( 2 吲 式中，m b w平衡重总质量，k g r 。平衡重i i l 转半径，m m i r i l 一回转运动总质量，k g ； r 一大端回转半径，i n m 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据上面的公式( 2 - 6 ) ，平衡重设计的关键在于设计出满足 m b w r b w = 号苎的平衡重。 已知连杆大端质量m c b = 6 2 1 k g ；而回转运动总质量m ，= m 曲- i - m k 。其 中m k 是曲拐质量m k - - 3 2 0 4 4 2 k g 。 mbwrbw：华：tr(621+320442)=9605kg111ill 经过设计平衡重总质量m b w = 7 4 8 k g ，回转半径r b w = 1 3 0 1 5 m m 。其中 1 1 1 b w = m 删l + m b l 2 ，其中i t i b w l = 3 8 k g 是平衡重质量，m b 忱= 1 8 4 k g 是每个 平衡重螺栓总质量。 平衡重螺栓采用m 2 0 型，螺栓校核： 已知剪切力： f = t l 口矿如巧2 = 0 2 3 6 k n ( 2 7 ) 应用螺栓校核公式： 盯= 见等【】 ( 2 8 )盯= l 古sl 仃。ik z o ， n a , - 。 其中，九一相对刚度： f 一轴向载荷，n ； d 一螺栓小径，i i i i t i 。 得到仃= o 1 3 m p a ，得到吒 】满足强度要求。即此螺栓满足强度要 求。 1 7 堕堑堡三堡奎兰堡圭兰些堡兰 图21 l 平衡重的三维模型 图21 2 平衡重螺栓的三维模型 24 本章小结 t b d 6 2 0 单缸柴油机是在原来1 6 缸机的基础上改进而来，它尽量保持原 有的结构尺寸以及形状，参考以下结构设计原则： l 可靠性和耐久性作为6 2 0 单缸柴油机设计重要要素。在结构设计、材 料优化、工艺保证方面尽可能地采用现代内燃机的成熟技术，以确保6 2 0 单 缸柴油机具有良好的可靠性和耐久性。 2 要有良好的经济动力性。 3 要有良好的工艺继承性。 4 尽量采用1 6 缸t b d 6 2 0 柴油机现有零部件。 这些设计原则也就最大程度上模拟了1 6 缸机其中一个气缸的工作情况， 并且其设计也非常合理为以后运用1 6 缸的试验参数进行模拟出可靠的性能 提供了前提条件。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章6 2 0 单缸机工作过程计算 3 1a v lb o o s t 软件理论研究 a v lb o o s t 软件是奥地利a v l 公司研制的一个功能强大、界面友好的发 动机稳态和瞬态性能分析软件。该软件是为研究发动机性能而开发的一套模 拟计算程序。 a v lb o o s t 软件是一个建立整台发动机模型的模拟程序，它可以模拟包 括燃烧在内的发动机整个循环和进排气系统的特性，可应用于各种发动机设 计方案。为此，先根据理论计算及t b d 6 2 0 v 1 6 柴油机性能试验数据，采用a v l b o o s t 软件建立t b d 6 2 0 单缸柴油机工作过程计算模型，将计算结果与相应工 况的理论或试验数据进行对比。结果表明，模拟值与设计值能较好吻合，从 而验证了该工作模型的正确性，然后在所建立的模型上，研究压缩比、喷油 提前角以及配气正时等对总体性能的影响，并从这几方面进行单缸机的优化 设计。最后计算分析单缸机的变工况性能。 3 1 1a v lb o o s t 缸内热力过程计算的基本假设 a v lb o o s t 软件不仅适用于对燃料在缸内混合的发动机( 如柴油机) 的 模拟计算，而且适用于对燃料在缸外混合( 如汽油机) 的模拟计算。为了使 问题简化，a v lb o o s t 软件对缸内热力过程作如下假设n ，： 对燃料在缸内混合的发动机而言，假定： 1 气缸内工质的状态是均匀的，即不考虑气缸内各点工质的压力、温度 和组分的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与缸内残余废气实现 瞬时的完全混合； 2 工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度和气体成分有关： 3 燃料喷入气缸内立即燃烧： 4 空燃比从燃烧始点到燃烧终点逐渐减小。 对燃料在缸外混合的发动机来说，假定： 1 在燃烧开始混合气是均匀的： 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 在燃烧期间，空燃比是定值； 3 尽管已燃气体与未燃气体的组成不同，但有相同的压力和温度。 3 1 2 燃烧放热规律 由于燃烧放热规律决定了内燃机气缸内气体压力与温度的变化，影响内 燃机的热力过程，从而对发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和排放产生重 要影响。a v lb o o s t 提供了v i b e ，d o u b l ev i b e ，w o s c h n i a n i s i t s ，h i r o y a s u ， a v lm c c 等燃烧模型哺，。 1 v i b e 燃烧放热模型 v i b e 半经验公式为伸，： 嘉= 蠹帕珍y 胛矿孵1 ) 净， 出：塑 9 y 2 蛩 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 式中，q 一每循环燃料燃烧放热量，k j ； 纯一燃烧始点，( 。) c a ； 饵一燃烧持续期，( 。) c a ； a - - v i b e 参数。 2 d o u b l ev i b e 燃烧放热模型 d o u b l ev i b e 比v i b e 更能准确地计算压燃式发动机的燃烧放热规律，用 d o u b l ev i b e 函数模型计算出的放热规律图形中，第一个峰值为预混合燃烧 的峰值，第二个峰值为扩散燃烧的峰值。 3 w o s c h n i a n i s i t s 燃烧放热模型 为了模拟发动机瞬态工况，上述两个模型是不够的，因为燃烧放热规律 随着发动机转速和负荷的变化而改变的，w o s c h n i a n i s i t s 能够独立于发动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机运行工况来预测放热规律。该模型是根据发动机实际运行工况来预测v i b e 参数的变化情况。 j 为了计算湍流强度，k 一占方程的假设为n ，： 1 ) 流既不受扩散流影响，也不受边界层流的影响； 2 ) 流是各向同性的： 3 ) 进气冲程，没有涡流产生； 4 ) 流完全在进气冲程中产生； 5 ) 动只在气缸的轴线上发生。 4 h i r o y a s u 燃烧放热模型 该模型由燃烧放热和排放物生成两部分组成。内燃机功率等性能参数可 由放热模型计算油滴蒸发和燃油燃烧的百分数求得。根据放热模型所求出的 局部温度和氧原子浓度的变化率，用排放模型可求出n o x 和炭烟的排放量。 5 a v lm c c 燃烧放热模型 为了预测n 0 。的浓度，a v lb o o s t 软件提供了a v lm c c 燃烧放热模型。该 模型特别用于对发动机降低n 0 ；排放的研究上，模型中需要输入喷孔数、喷 孔直径及喷孔的流量系数及喷油规律，喷射速度及喷射动能， 3 26 2 0 单缸机工作模型的建立 柴油机工作模型的准确与否直接关系到模拟计算得到的数据的准确性。 因此要准确的利用a v lb o o s t 软件建立t b d 6 2 0 单缸柴油机的工作模型。 3 2 1主要设计参数 t b d 6 2 0 单缸柴油机的主要设计参数见表3 1 。 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 1 主要设计参数 柴油机形式水冷，单缸，四冲程 燃烧室形式直喷式 气缸数 1 缸径木行程( m i l l ) 1 7 0 1 9 5 活塞总排量( l ) 4 4 3 压缩比 1 3 5 ： 1 额定转速( r p m ) 1 5 0 0 额定功率( k w ) 1 1 0 额定工况燃油消耗率 1 9 0 ( g k w h ) 3 2 2 工作过程模型 按照所设计的t b d 6 2 0 单缸柴油机总体结构布置，用a v lb o o s t 软件建立 工作过程模型。模型如图3 1 所示。 b 2 图3 1t b d 6 2 0 单缸机工作过程计算模型 s b l ，s b 2 为系统边界；r 1 ，r 2 ，为摩擦阻力；m p l ，m p 2 为测量点；c 1 为气缸；1 ，2 ，3 ，4 为管段。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 3 模型参数估算 柴油机每循环喷入气缸的油量可以按公式( 3 - 4 ) 阳，计算 圪：旦曼1 0 ， p 6 0 n y z f ( 3 - 4 ) 式中，n 。一柴油机的额定功率，k w ： n 一柴油机额定转速，r r a i n ； g 。一燃油消耗率，g k w h ； 一 、 z 一气缸数目； y 一燃油的密度，k g c m 2 ； t 一冲程系数( 二冲程r = l ，四冲程r = 1 2 ) 。 柴油机在运转过程中，必然伴随着运动件所引起的摩擦损失，克服流动 阻力，驱动附属机构的功率消耗以及进排气所引起的泵气损失。在评定柴油 机机械损失时，除了机械损失功率和机械效率外，还有平均机械损失压力己。 它的定义为：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。 平均机械损失压力的估算公式可以按照公式( 3 - 5 ) 进行估算嗍： 己= d 加册( o 0 8 5 5 c + 0 0 7 8 9 , - 0 2 1 4 ) ( 3 5 ) 式中，p m 一平均机械损失压力，k g e m 2 ； d 一气缸直径，i l l ； c m 一活塞平均速度，t r g s ； p c 一平均有效压力，k g e m 2 ； s 一冲程，i l l ； ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 趿一印 冲一切 一 o 一7 5等等 = = q 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 一发动机转速，r m i l l ； p 一发动机功率，k w ； v - 一气缸容积，c m 3 ； i 一气缸数目。 3 2 4 模型参数设置 对于柴油机来说，系统边界主要设定温度、压力、流量系数和空燃比a f 等参数。温度和压力是柴油机工作时环境的温度和压力。对于进气系统的边 界，a f 为无穷大，对于排气系统的边界，a f 根据经验设定。进气管边界的 流量系数主要由进气管末端到安装位置的距离和末端的喇叭口的特性决定 的。 在管道有压力损失的地方考虑阻力损失，几何损失主要在管道截面有几 何阻力( 如蝶阀、节流孔板等) 或有分流时产生。流量系数为在临界压力和 相同的压比的情况下，实际的质量流量与无损失时的质量流量的比值。 计算模型采用w o s c h n i1 9 7 8 传热模型。 其它一些参数的输入可以参照软件说明书及1 6 缸机的实际参数尺寸进 行输入。主要参数输入见图3 2 图3 7 的输入界面。 ? s f m “i o nc 阴l r o l i g i o b a i s 一了? _ “7 i 。? 荔 m 呦r ep r e p a r 甜o n疗i n t e m 引 ： ，re m e r n a l 广r e t e r e n c ec o n a 毗d n s 。 p f e $ $ u f = 口附l i t e m p e r a t u r e 盱k l 一。 厂c o n s t a n tg a sp r o p e r t l e s 广b m e p c o n t r 0 1 ， ，；0 z 。j m j z ，i “y 图3 2 全局控制参数输入界面 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，、b o r e s t f o k e ：c o m p r e s s i o nr a u o ；c o n - r o dl e n g t r l j ： p i s t o np i n0 f r s e t 1 1 7 0 m m 1 1 9 5 1 t 1 m 匠