（轮机工程专业论文）8l250系列柴油机曲轴强度计算与仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 柴油机的曲轴是整个发动机中最重要的零件之一。它的受损及破坏可能引 起柴油机其它零件的损坏，特别是随着发动机的强化与技术发展，使曲轴的工 作条件愈发苛刻。曲轴强度的分析与研究一直是人们在不断进行的工作。本文 在大量阅读相关文献的基础上年，主要从以下几个方面对8 l 2 5 0 柴油机曲轴进 行了探讨： 1 ) 对曲轴进行受力分析，计算得出曲轴在每隔5 。曲柄转角的动态结果。 并按此结果对该曲轴按船级社钢质船舶入级规范进行强度校核。 2 ) 用p r 0 一e 建立曲轴的三维整体、单拐零件模型，并利用p r o e 与 a n s y s w o r l ( b e i l c h 软件之间的接口，把零件模型导入到a n s y s w o r l ( b e l l c h 软件 中，生成有限元模型。 3 ) 应用a n s y s - w o r 】( b e n c h 软件进行曲轴的静态分析。并从曲轴边界支撑 条件的角度讨论了其在刚性支撑条件及非刚性支撑条件下的受力状态，并作出 比较分析。从中得到该曲轴受力最大值，并按船级社规范对曲轴进行疲劳强度 校核。 4 ) 应用a n s y s - w o r k b e i l c h 软件进行曲轴的有限元接触分析。得出曲轴在 实体的轴承支撑条件下的受力及变形情况。并与之前的分析进行对比。 5 ) 通过之前对柴油机曲轴强度的有限元分析，找出其最大应力点，在不影 响其基本结构的前提下对曲轴提出优化改进意见，降低其应力集中点的应力最 大值，并对改进的具体方法进行定量的分析。以使曲轴达到最佳的优化效果。 关键词：刚性；装配模型；接触；非线性；优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e s e l 饥g i n ec r a n k s h 搬i sm eo n eo f m em o s ti i i 】【p 删p a r t n sd a m a g em a y 1 e a dt o 也ed 锄a g eo fo m e rp a r t s ，e s p e c i a l l m 谢mm e 幽c e de 1 1 9 i i l ea n dt e c h n 0 1 0 9 y d e v e l o p m e n t ，s om a tt l l ec r 砒l l 【s h a f t 狐c r e a s i l l 酉yh a r s hw o r k i i l gc o n d i 矗o n s c 功蝴a f t s 仃e i l g ma n a l y s i s 锄dr e s e a r c hh a sb e e i l0 ng o i n gw o r k i i l 蚰sp a p m ef 0 1 l o 、7 l ，i n g a s p e c t so ft 1 1 e8 l 2 5 0d i e s e le i l g i i l ec 删【1 l ( s h 姐a r ed i s c u s s e db 2 u s e do nm er e a d i n go fa 1 a r g em n b e ro f1 i t e r a t u r c ： 1 ) a 1 f i e rm ef o r c ea n a l y s i s0 nn l e m k s h a r ，t 1 1 ec r a n k s h mi sc a l 砌a t e de v e r y5 0 c r a d ka i l 百ei i lt l l ed ) ，i 戚cr e s u l t s a n dc h e c ：km e 蜘g t l lo ft l l ec r a n k s h a r a c c o r 曲鸣t oc c sc l a s s i f i c a t i o n 咖d a r do fs t e e ls h i p 2 ) e s t a b l i s h 廿1 eo v e r a l lt h r e e d i 】咀s i o n a l ，s i n 西ec r a n km o d e l 谢mp r o - e ，觚d t l l i d u 班i n t e 吨啪p r o 黟锄b e 哪e e np r o ea n da n s y s w o r l 出锄c hs o f 时a r e ，证1 p o r t 出em o d e li i l t 0a n s y s w o r k b 锄c hs o 腑a r et 0g e 芏1 e r a t ef h l i t ee 1 锄酬m o d d 3 ) d oas 伽ca 1 1 a l y s i so fm ec r a i l k s l 姗i i la n s y s w o r k b e l l c hs o 脚a r e 加d 舶mb o u n d a 巧c o n d i t i o i l si 1 1s u p p o r to fm ec r 2 u ：l k s h 啦d i s c u s s e dt h es 仃e s s 贼ei i l t e n i l so fr i 酉da n dn o nr i 百ds u p p o r t ，a n dm 呔ea c o m p a r a t i v ea n a l y s i s a f t c rg e 雠i n g m em a ) 【i i i m mf o r c eo fm ec r 抛a f t ，ca _ l c u l a t ef i a t i g u e s 协既g t h o fc r a n k s h a r a c c o r d i n gt oc c s n o n n s 4 ) d oc o n t a c ta n 2 l 1 y s i s o f 五血ee 1 锄e n to ft h e 咄1 1 1 1 【s h mb yu s i n g a n s y s - w o r k b e l l c hs o 脚a r e g e tt l l ef o r c ea n dd e f o 珊a t i o nu i l d e rs u p p o r to ft h e 凹a i l k s h 雅b e 撕n g s a 旧c o i n p a r e dw i m t l l ep r e v i o u sa 1 1 a l y s i s 5 ) n d u 曲t h es 仃e i l g t ha n a l y s i s0 ft l l e 觚t ed 锄e n t ，1 f i n dt h em a x i i r r u ms 仃e s s p o i m ，a i l du n d e rm ep r e i i l i s eo fw i l o u t 射r e c t i i 玛m eb a s i cs t n l c t u r eo f m ec r a n k s h a f t 姐o p t i n ：l i z a t i o ni n l p r o v e m 铋t s t or o d u c em es 仃e s sc o n c 钌l 缸a t i o na r em a d e ，a 1 1 d e x e c u t et l l es p e c i 6 cm e t h o d sf o rq u a l l t i 谢v ea n a l y s i s s o 廿l a t 廿l ec 豫】f l k s h a ra c l l i c v e t ot h eb e s tr e s u l to fo p t m z a t i o n k e yw o r d s ：s t i 伍l e s s ；a s s 锄b l ym o d e l ；c o n t a c t ；n o l l l i n e a r ；o p 缸i z a t i o n h 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对术研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 烨眇料 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：j 哗导师( 签名)号期桦 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 曲轴可以说是发动机中的最重要、最昂贵零件之一，它的结构尺寸参数关 系到发动机整体的尺寸和重量，并且对发动机的可靠性有很大程度的影响。例 如，曲柄销的直径的增大，将导致连杆组的重量及尺寸的增大，而后者又和曲 轴的平衡重、曲轴箱的尺寸等有很大关系。因此，曲轴的设计必须与发动机总 体设计一起考剧l 】【2 】。曲轴的破损乃至损坏都可能引起发动机的其它零件的故 障，甚至损坏，特别是由于发动机的发展及强化，导致曲轴的工作条件愈发的 苛刻。因为曲轴是发动机由热能转换为动能最为关键的部件，而且在发动机中 产生的功率由它传输出去，所以在发动机的设计和改进当中，曲轴占着极为重 要的地位i l j 。 随着时代的发展，对发动机单机功率的要求也越来越大，而重新设计一种 新的机型需要很高的技术水平，开发周期也很长。因此较为可行的做法是对原 机型进行强化，改变工作参数和结构，以提高功率。功率提高以后，发动机各 主要运动部件的负荷将增加，因此需要对其主要运动受力件进行应力、变形和 疲劳分析【3 j 。 1 1 课题背景 1 1 1 课题来源 课题前身是与某公司合作的一个项目，即对8 l 2 5 0 系列柴油机曲轴根据船 级社入级规范进行强度校核计算，以验证其适用性。 1 1 2 曲轴强度计算的必要性 曲轴作为是柴油机最主要的运动部件之一，其尺寸参数在很大程度上决定 着柴油机本身的整体尺寸和重量，曲轴的强度也在很大程度上决定着柴油机的 可靠性和寿命。随着柴油机强化指标( 平均有效功率和转速) 的不断提高，曲轴的 工作条件越发苛刻，曲轴在交变的气体压力、运动质量惯性力和力矩的作用下， 其内部会产生迅速变化的拉、压、弯、扭等交变应力。因此要求曲轴必须具备 武汉理工大学硕士学位论文 足够的疲劳强度、刚度和良好的动静态特性【4 1 。在周期性变化的载荷的作用下， 为防止曲轴过早地产生弯陆和扭转疲劳破坏就需要对曲轴进行应力计算，以此 为根据做出改进。 1 1 。3 曲轴的损坏形式 曲轴的基本损坏型式有两种：弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏。弯曲疲劳的 裂纹首先会产生在曲柄销过渡圆角或主轴颈过渡圆角，随后向曲柄臂发展。而 扭转疲劳裂纹往往产生在加工不良的油孔或者圆角处，然后与轴成4 5 。角发展。 作用在曲轴的交变载荷是由弯曲和扭转两部分组成的，但是由于过渡圆角的弯 曲应力集中作用比扭转大得多，因此中高速柴油机曲轴的损坏大多数属于弯曲 疲劳破坏。尤其是在轴承磨损以后，曲柄挠曲会产生很大的附加弯曲应力，它 的破坏呈现出和纯弯曲疲劳破坏极为相似的断口【5 】。 柴油机曲轴的扭矩、扭振计算与测量方法比较成熟，不出意外的话，曲轴 通常不会产生扭转疲劳破坏。与之相反，轴承支撑条件目前还不是很清楚，弯 曲应力很难计算精确，而且轴承磨损后将会产生很大的附加弯曲应力。因此曲 轴的弯曲疲劳破坏远远多于扭转疲劳破坏，原因就在此【6 】。 曲轴的弯曲疲劳损坏通常是由于轴颈的不均匀磨损所导致的主轴承不同轴 度而引起的，所以曲轴的弯曲疲劳破坏很少出现在未经长期使用的柴油机中， 而扭转疲劳破坏一般是发生在柴油机使用初期。虽然也有过柴油机短期使用后 曲轴就出现弯曲疲劳破坏的例子，但这种破坏大多是由于曲轴箱、曲柄臂或者 支承刚性不够所致【6 】。 1 2 国内外曲轴强度计算的现状及发展动态 上世纪6 0 年代以前很长一段时间内，人们主要使用实验手段来研究曲轴的 强度。6 0 年代至7 0 年代之间，出现了用于计算整体曲轴的连续梁模型与空间钢 架模型。在6 0 年代的末期，美国的p o r t e r 提出了一个关于曲柄刚度的经验算法， 但这种方法比较繁琐，且缺少实验与使用的验证【3 6 1 。后来，又有人提出了一种 曲柄刚度的斜截面法，计算精度比p o r t e r 的方法有新的提高，但因为其不考虑削 去的肩部和中心油孔等因素的影响，计算刚度依然比实测值大阳。 近些年来，随着计算机与计算力学的迅速发展，最近3 0 多年来曲轴计算方 法的应力分析精度有了非常大的提高，可以很精确地得出在任一工况下曲轴任 2 武汉理工大学硕士学位论文 意部位的应力值，因此对曲轴整体强度也可以作一个比较精确的评估。 有限元法和边界元法的应用，为准确地计算应力集中系数提供了帮助。由 于曲轴的几何形状非常复杂，进行三维有限元分析，工作量很大，因此g u a 西i 觚0 等人进行了试验测试与数值分析。结果表明，在相同载荷和边界条件作用下， 二维和三维分析得到的应力集中系数非常相近。从节省计算时间的角度考虑， 可使用曲轴平面模型来确定应力集中系数【3 8 1 。为了在比较短的时间内精确地预 测应力集中系数，s l l i o l l l i 等人运用人工神经网络技术研制出了一套预测应力集 中系数的系统【3 们。该系统在曲轴几何形状与有限元分析计算得出的应力集中系 数所组成的数据库的基础之上，提出了一种适合传递函数运算法则作为神经网 络的学习方法，人们可以利用有限的数据资源来计算不同曲轴的应力集中系数。 1 。2 1 曲轴应力计算分类 目前的曲轴强度的计算都归结为疲劳强度的计算，其计算步骤分为两步【_ 7 】： 一是先求出曲轴危险点上的最大等效应力；二是利用这个等效应力与曲轴 尺寸、材料决定的允许疲劳强度值进行比较。 ( 1 ) 传统方法 传统的应力计算方法可以分成两种：简支梁法和连续梁【6 】【1 8 】【2 9 】。简支梁法 是把整体曲轴上每一个曲柄都从主轴颈的中点断开，自由的放置于两边主轴承 中点的支撑上【8 】，在曲柄销轴颈中点和主轴颈中点上受到集中力的作用。简支梁 法的特点是计算起来简单、方便，可操作性强，但其计算结果偏于保守。 连续梁法则是把曲轴简化成多个支承的静不定的连续梁，其假设曲轴支承 是以铰接的形式作用在主轴颈的中点【6 】。郝志勇( 1 9 8 4 年) 认为在发动机的曲轴 上，主轴承的宽度占曲拐长度的很大比例，在计算如果中不考虑轴承的约束力 矩影响是不恰当的，在他的计算模型当中，曲拐的表面和轴承接触的部分受到 面力，力的作用规律是沿轴向均匀分布【9 】。显然，这个模型更接近实际。 连续梁法计算和简支梁法相比比较复杂，但其结果与实测比较吻合。有人 做过实验，用简支梁法求解的曲拐受力最大值一般比用连续梁法计算的结果大 约2 0 。所以简支梁法一般在对曲拐受力的估算及处于安全性的规范，如船级 社检验规范中应用比较多，而连续梁法则多用于对曲轴受力的比较精确的估计 分析上面【l 引。 ( 2 ) 有限元法 武汉理工大学硕士学位论文 利用传统方法来对曲轴强度进行计算，是先手动算出曲轴危险部位的名义 应力，再在这个值的基础上乘上一个应力集中系数得到一个值，这个值就是该 部位的等效应力了。但名义应力的计算都是通过对模型做出极大简化和假设之 后得出的，而应力集中系数一般是从曲拐平面模型或者是从有限数量的实验数 据推断出来的，两者都不是很精确，而两者的乘积等效应力的准确度就更值 得怀疑了，因此传统的强度计算方法有一定的不准确性。有限元方法的出现为 更好的计算曲轴的强度提供了更好的条件。 三维有限元分析可以对曲轴的空间结构很好的进行描述，其对曲轴在整个 空间内的应力分布规律都是比较贴切的。 ( 3 ) 边界元法 边界元方法的最大优点是只需要对模型的表面进行网格划分，网格比较规 则和均匀，网格疏密之间需均匀过渡，计算精度上也有保证。所以在网格划分 这一块上比较简单、方便。但是由于曲轴形状比较复杂，有许多像圆角、孔等 形状发生突变的结构，所以用边界元法对其划分也很难保证网格的规则和均匀。 目前，一般把边晃元法和有限元法结合起来使用。 胡圣荣等人则提出了一种具有高精度的边界元方法，它允许采用非规则非 均匀的网格；除了应力集中比较严重的区域需采用较小的单元外，其它部位可 尽量采用大的单元；在网格的疏密之处快速过渡；允许单元有一定程度的畸变 等【2 5 1 ，因此有效地减少了节点数，减小了计算的规模。 1 3 有限元法在曲轴强度计算中的应用 从上世纪6 0 年代开始，随着计算机技术的迅猛发展，有限元法也广泛的被 运用到工程领域的各个角落。柴油机曲轴的有限元计算在这个浪潮当中也从无 到有，经历了一番曲折的历程，近几年来，又有了新的发展。 1 3 1 计算模型 曲轴的有限元分析计算模型一般分三种。 ( 1 ) 1 4 或1 2 曲拐模型【2 6 】【2 8 】【3 3 】。它只考虑弯曲载荷的作用，曲轴形状 与作用载荷关于曲拐平面对称。这种方法考虑的实际情况最少，又加上对模型 做了过大的简化，所以准确度也最低 ( 2 ) 单个曲拐模型【1 2 】【1 t 1 6 1 【3 引。一般来讲，先用某种方法计算出整体曲轴 4 武汉理工大学硕士学位论文 受力最大的拐，然后再用单拐模型是来计算分析拐上具体部位的受力情况。因 为单拐模型只有一个拐，和整体模型比较起来计算规模小很多，因此在计算的 时候，可以减少对实际模型的简化，尽可能的与实际模型保持一致，以减小误 差。其中判断最大受力拐的方法一般有两种，一种是根据连续梁法，计算出各 个蓝拐受力情况；另一种是根据有限元法的梁单元模型，计算出各拐的受力。 这种方法在人们的计算中常被用到，但是由于它未考虑相邻拐的影响，又因其 对单拐模型剖分的人为及随意，所以计算结果与实际也有差别，但鉴于其对模 型的简化少，网格密度容易满足，所以单拐计算结果还是具有一定的参考价值。 ( 3 ) 整体曲轴模型 1 9 】【2 0 垅】 3 0 1 。这种模型与实际情况最为接近，也最为合 理。但零件本身规模大，生成的节点数，单元数很多( 如本文中曲轴的整体计算 模型总共有4 0 多万个节点) ，有些尺寸特别小的特征划网时往往还需要对网格进 行控制修改，整体的网格变化幅度大，不均匀，这样往往就造成了计算的困难。 所以一般都会对整体模型进行删减，简化掉对整体或关键部位受力影响不严重 的零件特征，比如非关键部位的圆角、凸台、直径很小的油孔等。这样的简化 对整体的受力趋势影响不大，对一些结构上联系不紧密的部位的影响也不大， 但对于简化处的受力情况影响很大。比如蓝军等人对曲轴的油孔应力集中进行 了有限元分析。计算的结果显示，有油孔和无油孔的模型在油孔边缘处的应力 差别很大( 为1 8 8 2 a 和5 5 8 a ) ，此外，在油孔周围与油道内表面的应力 的变化也非常大，应力集中态势非常明显1 2 3 1 。 ( 4 ) 曲轴、轴承大规模装配体模型。这是一种更为精确的模型。由于考虑 了零件与了零件之间刚度的影响，引入了接触分析法，以及曲轴在轴承中运动 时油膜的作用，所以这种方法更能与实际情况相符合。以前受制于接触区域的 难以判断和接触设置的繁琐，以及普通计算机软件水平的制约，整体部件的有 限元分析难以得到实现，目前这种情况已经突破在即，a n s y s 公司近年极力推 出的w o r k b e i l c h 以其强大的接触区域自动探测功能使接触分析的难度大大降低。 还有其他的有限元分析软件正在向这个方向前进。 1 3 2 边界条件的处理 对于曲轴边界条件处理的难点和争议主要集中在主轴颈和曲柄销轴颈表面 载荷的施加上。最早的时候，对于这个载荷的施加是按集中力施加在轴颈轴向 长度的中点。也有人把其视为分布力，均匀的施加在主轴颈和曲柄销轴颈表面 5 武汉理工大学硕士学位论文 的轴线方向上。这些做法所得出的结论离实际情况相差较远，目前流行的做法 有这样几种：a 载荷沿曲柄销轴颈轴线的方向按均布力分布；在沿轴颈径向方向 1 2 0 。角的范围内按余弦分布；b 载荷沿轴颈轴线方向按二次抛物线分布，在轴 颈径向方向按1 2 0 。余弦规律分布；c 载荷沿轴颈轴线方向按二次抛物线规律分 布，在轴颈径向方向按1 8 0 。余弦分布【l l 】【1 4 】【1 9 】【捌【2 4 1 。这几种方法各有优缺，但 各方法均未考虑油孔处集中力的影响。也有学者提出不同的意见，如钱丽丽等 人把载荷视为连杆大端与曲柄销的接触力，而中间小两端比较大的规律，和以 上所述相差较大，但其未考虑油膜在其中的作用【l 刀。 对于位移边界条件的处理，常用的方法是对主轴颈的轴向加以约束( 考虑 到止推轴承的止推作用) ；在主轴颈的径向方向上施以相应约束。 曲轴的支承情况非常复杂，早先，一般把轴承对主轴颈的支撑视为刚性的 约束，限制其径向的位移；后来有人为了描述曲轴压迫轴承产生小的径向变形， 在主轴颈相应位置( 是否在曲拐平面) 施加支反力约束。还有许多学者陆陆续 续提出了不少意见，如李桂琴等人以线性弹簧来模拟轴承对主轴颈的支撑【l o 】； 蓝军等人则把主轴承盖与主轴承轴瓦作为整体的弹性体，求出相应的节点刚度， 再把它加载到主轴颈相应节点上【2 3 1 。 1 3 3 有限元技术存在的主要问题 目前，尽管有限元技术的应用取得了较大的进展，但还存在许多的问题， 主要有： ( 1 ) 为进行有限元分析计算，必须要对模型进行网格划分，这是有限元离 散化的重要步骤，关系到整个计算的质量，所以在有限元计算中显得格外重要。 但是到底网格划分到什么样的程度才能满足计算的要求还没有可靠的量化关 系。另外计算精度与计算时间之间是一种什么样的关联也没有量化的标准。这 些目前只能根据个人经验和计算中不断的实验来解决。 ( 2 ) 有些分析对象的工作状态很复杂，有限元计算时，对其施加的边界条 件难以很恰当的描述。特别是对于动态分析或者温度场分析，确定像激励、换 热系数等边界条件时，问题更加突出【1 5 】。 ( 3 ) 工程中大部分零件都是由各个小零件装配起来的，他们之间有各种作 用关系，因此对装配体的分析正成为目前的一个趋势。现在流行的各零件之间 自由耦合的方法只是一个比较模糊的相似，和各零件的实际情况相比，不一定 6 武汉理工大学硕士学位论文 能准确的描述出来。这就需要解决接触分析的问题，接触分析其难点在于接触 面的确定，而现在大多软件不具备自动生成接触的功能。好消息是，目前a n s y s 公司推出的w o r k b e i l c h 工作平台在这方面有很好的效果，而且其正在发展、完善 之中。 ( 4 ) 现代许多工程领域用到了新材料，由于对这些新兴材料的属性目前的 研究还没有达到一个可以标准量化的地步，所以很难对其进行描述，影响了结 果的准确性。 ( 5 ) 有限元分析在有关润滑、密封、断裂、疲劳等方面的问题上，由于 相关的理论还不完善，还有待深入，可喜的是w o r k b e i l c h 软件对于疲劳分析这一 块也有了新的发展。 1 4 本文的主要工作 本论文将对8 l 2 5 0 柴油机曲轴按船级社钢质船舶入级规范进行强度校核， 并利用软件计算得到该曲轴单拐及整体的静态特性，然后更进一步对曲轴进行 接触分析，同时通过计算分析对该曲轴结构提出优化意见。 l 、对曲轴进行受力分析，计算得出动态结果。按此结果对该曲轴按船级社 入级规范进行强度校核。 2 、用p r 0 一e 建立曲轴的三维整体、单拐零件模型，并利用p r o e 与 a n s y s w o r l ( b e l l c h 软件之间的接口，把零件模型导入到a n s y s w o d ( b e n c h 软件 中，生成有限元模型。 3 、应用a n s y s w o r l ( b e i l c h 软件进行曲轴的静态分析。建立有限元模型， 划分网格、定义单元属性、定义材料等等，进行计算。并从曲轴边界支撑条件 的角度讨论了其在刚性支撑条件及非刚性支撑条件下的受力状态，并作出比较 分析。从中得到该曲轴受力最大值，并按船级社规范对曲轴进行疲劳强度校核。 4 、应用a n s y s w o r l 出e i l c h 软件进行曲轴的有限元接触分析。首先在p m e 中建立曲轴的三维零件图、轴承的三维零件图，然后对他们进行装配，最后把 装配模型导入w o r k b c i l c h 当中，划分网格，进行接触分析设置，计算，得出曲轴 在实体的轴承支撑条件下的受力及变形情况。并与之前的分析进行对比。 5 、通过之前对柴油机曲轴强度的有限p r 0 一- e 元分析，找出其最大应力点， 在不影响其基本结构的前提下对曲轴提出优化改进意见，降低其应力集中点的 应力最大值，并对改进的具体方法进行定量的分析。以使曲轴达到最佳的优化 效果。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章曲轴的应力分析计算 2 1 作用在曲轴上的力和力矩 柴油机曲轴的受力非常复杂，作用在曲轴上的力和力矩般有： 1 ) 气缸中燃气产生的压力的分力； 2 ) 活塞连杆组由于运动产生的惯性力的分力； 3 ) 扭转振动、横向和纵向振动引起的附加载荷； 4 ) 曲轴箱的变形、主轴承的弹性下沉、各轴承孔的不同心度以及主轴颈在 使用中的磨损等因素造成的附加载荷旧。 考虑到曲轴的受力和支承情况很复杂，在计算曲轴的支反力时必须抓住主 要影响因素而忽略次要的以简化计算。一般仅考虑上述1 ) 、2 ) 两项作用力。 计算曲轴支反力一般有两种方法：一是分段法；二是连续梁法。分段法计 算比较简单，使用非常普遍。又加上一般用分段法计算出的曲轴危险截面应力 比用连续梁法计算的结果要高2 0 左右 18 1 ，为应付各种实际情况中的不确定因 素，确保曲轴安全、正常的工作，我们常使用分段法计算曲轴支反力，从而对 其进行强度的校核。 分段法用通过主轴颈的中点并且垂直于曲轴中心线的平面把曲轴分成若干 个曲柄，每个曲柄都视为一个简支梁来进行计算。示意图如下： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 曲轴受力分析分段法示意图 假定我们要计算第j 曲柄的受力情况，左边的主轴颈( 靠近自由端) 以j _ 1 来表示；右边的主轴颈( 靠近输出端) 以j 来表示。则作用在第j 曲柄的力和力 矩有： 只：气体压力和活塞连杆组往复惯性力所产生的径向分力； 尸：气体压力和活塞连杆组往复惯性力所产生的切向分力； p ：连杆旋转质量所产生的离心惯性力； 只：曲柄销旋转产生的离心惯性力； 只：曲柄臂旋转产生的离心惯性力； 只：平衡块旋转产生的离心惯性力； 鸩：作用在第j 个主轴颈上的扭矩； 上述各个力与力矩的符号以图1 1 所示方向为正，相反则为负。 曲轴支反力由下式确定： r ( h ) = 寺( e 一0 一) + 忍一只 ( 2 1 ) 1 r ( 一) = 寺只 ( 2 2 ) 则支反力b 。，- l ，对曲柄左端的曲柄臂计算截面重心的弯矩为 巩= 耳( ，_ 1 ) 口 ( 2 3 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 而曲柄销所受扭矩 m 啊= m 嘶_ 1 ) + r ( 川) r = m 玎一岛穴 ( 2 - 4 ) 主轴颈所受扭矩可以根据动力计算中累积扭矩表得到。 2 2 曲柄连杆结构的受力分析 运转中的柴油机，曲柄连杆机构中作用着的力有：缸内气体对活塞的压力、 往复和旋转运动质量的重力和惯性力、外部的载荷对柴油机的反作用力、摩擦 副之间的摩擦阻力等。在动力分析计算中不计及自身重力和摩擦阻力，主要分 析气体压力和惯性力( 活塞组由于往复运动所产生的惯性力、曲轴不平衡质量 由于旋转运动所产生的惯性力和连杆组由于摆动而产生的惯性力) 在曲柄连杆 机构上的作用情况。 2 2 1 作用在曲拐上的惯性力 1 、连杆组质量换算 连杆组的包括连杆体、连杆盖、连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺钉及油管等 部件。若从连杆组惯性力的动力效果相同的角度出发，可以用想象中的集中质 量来代替连杆组实际分布质量，以便简化复杂的连杆组动力计算。所以，我们 把连杆组质量换算成两部分，一部分加在连杆小头的中心，为聊m ；另一部分加 在连杆大头的中心，为聃，。 换算遵循以下三个原则：( 1 ) 质量不变( 2 ) 重心位置不变( 3 ) 转动惯量 不变。 换算三原则具体应用在质量换算系统中的情况如下： 2 他 朋曲5 刀 ( 2 5 ) 式中聊。( 。) 集中在连杆小( 大) 头中心的连杆组换算质量； 乞( 厶) 连杆组重心到连杆小( 大) 头中心的距离。 2 、活塞组质量肌 活塞组包括活塞、活塞环、活塞销及其固定件等。活塞组靠活塞销来传递 力，且只作往复直线运动，所以活塞组上各点的运动状态想同。因此活塞组的 质量可看作是集中在活塞销的中心上。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 3 、曲柄的旋转质量换算到曲柄销中心上 换算的原则是离心惯性力相等，也就是换算后曲柄质量的离心惯性力与实 际中曲柄不平衡质量的离心惯性力是相等的。 曲柄包括曲柄销、曲柄臂、主轴颈和输油管等。 1 ) 曲柄销 曲柄销换算质量聊：即为曲柄销实际质量强，即碱= 强。 2 ) 曲柄臂 以：m ，旦 2 盖 式中职单个曲柄臂的实际质量； 以换算到曲柄销中心的单个曲柄臂的质量； p 曲柄臂的重心到曲柄旋转中心的距离。 3 ) 主轴颈的换算质量为零。 所以单曲柄的换算质量，z 。为 = 硝+ 2 m ：= m + 2 等 4 往复惯性力 曲柄连杆机构中的往复惯性力p ，其方向始终沿着气缸中心线，和活塞加 速度口的方向恰好相反。规定指向曲轴旋转中心的矽，为正值。 p ，2 一m 尸m ，= 聊p + 【姆s 2 册) 式中聊，沿气缸中心线作往复运动的零件的总质量( 视为集中在活塞销 中心) 雅加速度舻肋2 ( 甓铲“舄) ，其中旯= 芋。 ic o s c o s z 2 2 2 沿气缸中心线的总作用力 为了方便计算和比较各种不同型号发动机的受力情况，通常采用相当于每 平方厘米活塞面积上的作用力( 彰硎2 ) 的概念。 p = 0 + 式中p 往复惯性力； 只叶体压力。 名= 岛c = ( 砖一虞) c 名单位活塞面积上作用的气体压力( 桫册2 ) ； 武汉理工大学硕士学位论文 p ：从示功图上测得的气体压力( 埘册2 ) ； p ：曲轴箱内的气体压力( 蟛册2 ) 。 p 的分解和传递 为了便于计算和分析，把沿着气缸中心线的总作用力分解成两个力：沿着 连杆中心线的作用力和垂直于气缸中心线的力。本文中我们重点讨论的是前者。 p 的分解如图： j p i i【 p r l p 一 l 1 - 。矗i i f p l p “ 于。菇 p l 巡彩h 1 一 f p l 产i p蕊l 移 ； 法 l 么姆 图2 2 沿气缸中心线的总作用力及其分解 p = 昂+ 己 p n = p t g p 式中只沿着连杆中心线的作用力。 p ：二 一 c o s 口 如果把晶= 厂 ) 转换成昂= 厂( x ) 的关系，就可以直接从中看出昂对活塞 与汽缸套之间磨损的影响。 己= ) 说明了连杆受力的变化情况。 o = + 巴 式中尸作用在曲柄销中心的切向力，简称曲柄切向力； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 p ：p ! 垫丝鱼 c o s 己作用在曲柄销中心的径向力，简称曲柄径向力。 己卵甓茅 单曲柄扭矩膨 m ，：p r ：艘坐蚴 c o s 规定： 只、只朝向曲轴旋转中心为正； 只压缩连杆为正； 昂对曲轴旋转中心产生的力矩方向与曲轴旋转方向相反为正； p 顺着曲轴转向为正； 圪朝向曲轴旋转中心为正； m 。与曲轴旋转方向相同为正。 2 38 l 2 5 0 系列柴油机曲轴受力计算 8 l 2 5 0 系列柴油机曲轴基本参数和曲轴结构图如下： iliiil|jlj iii 姚藩：酷垂匪 j吱气 寸 诬蘧孟 磲 4 啦仨 图2 3 曲轴尺寸结构示意图 柴油机转速：8 2 5 舳 活塞行程：3 3 0 i i h n 连杆长度：6 4 0 i l m 活塞圆面面积：( 0 2 5 0 2 5 ) m 2 活塞组质量：7 3 k g 连杆组质量：5 0 6 k g 曲轴箱内气体压力：o 1 m p a 武汉理工大学硕士学位论文 平衡块重量3 9 3 9 5 k g 示功图见下图： 1 6 1 4 1 2 09 01 8 02 7 03 6 04 5 05 4 06 3 07 2 0 曲轴转角口( d e g ) 图2 4 示功图 1 4 o 8 6 4 2 o 一。垦一qr坦塔旷 武汉理工大学硕上学位论文 由上述分析通过计算可得8 l 2 5 0 系列柴油机曲轴的动力计算表： 表2 18 l 2 5 0 系列柴油机曲轴的动力计算表( q 为曲柄转角：表中各力单位 树硎2 ) 烙力 足 p j p 昂乞pe 口 oo一2 5 4 2 1 32 5 4 2 1 3o2 5 4 2 1 3o 2 5 4 2 1 3 5o一2 5 2 7 0 82 5 2 7 0 85 5 0 9 0 22 5 2 7 5 82 7 5 1 9 92 5 1 2 6 7 1 0o一2 4 8 1 9 32 4 8 1 9 31 0 7 9 6 42 4 8 4 1 65 3 7 0 8 92 4 2 5 5 9 1 5o一2 4 0 7 72 4 0 7 7一1 5 6 0 1 92 4 1 2 7 57 7 4 0 7 52 2 8 5 1 5 2 002 3 0 5 22 3 0 5 2一1 9 7 7 8 62 3 1 3 7 39 7 4 4 0 82 0 9 8 4 2 2 5 02 1 7 6 4 72 1 7 6 4 72 3 1 1 4 l一2 1 8 8 6 51 1 2 9 3 71 8 7 4 8 1 3 0 o一2 0 2 3 5 32 0 2 3 5 32 5 4 9 6 52 0 3 9 5 2一1 2 3 2 5 3一1 6 2 4 9 3 5 o1 8 4 8 8 41 8 4 8 8 42 6 7 8 9 6一1 8 6 8 0 6一1 2 7 9 9 51 3 6 0 7 4 4 0o 一1 6 5 5 4 3一1 6 5 5 4 32 6 9 5 0 41 6 7 7 2 81 2 7 0 5 41 0 9 4 9 4 50一1 4 4 6 3 71 4 4 6 3 7 2 5 9 7 6 81 4 6 9 5 11 2 0 6 4 28 3 9 0 3 8 5 001 2 3 2 8 3一1 2 3 2 8 3 2 4 0 5 2 5一1 2 5 6 1 31 0 9 9 0 76 0 8 1 5 5 5 5o 一9 9 6 3 l 一9 9 6 3 12 0 8 4 2 8 1 0 1 7 9 39 3 5 7 3 44 0 0 7 1 6 6 0o一7 6 2 8 4 17 6 2 8 4 l1 6 9 1 9 87 8 1 3 7 87 4 5 2 1 9 2 3 4 8 7 9 6 505 2 8 9 6 55 2 8 9 6 5一1 2 3 0 3 7 5 4 3 0 8 95 3 1 3 9 91 1 2 0 3 5 7 002 9 8 5 4 72 9 8 5 4 77 2 1 5 8 83 0 7 1 4 53 0 5 2 3 53 4 3 0 3 1 7 507 4 8 4 0 1 67 4 8 4 0 1 61 8 6 2 0 2 37 7 1 2 2 7 87 7 1 0 7 8 21 3 8 4 5 4 8 001 3 8 6 9 8 31 3 8 6 9 8 3 3 5 2 2 9 3 81 4 3 1 0 8 91 4 2 7 0 6 71 0 6 1 0 4 8 5o3 3 9 4 2 4 53 3 9 4 2 4 58 7 2 9 9 9 93 5 0 4 5 5 8 3 4 5 7 3 7 85 7 3 6 2 7 9 005 2 5 1 0 1 35 2 5 1 0 1 31 3 5 5 8 1 25 4 2 3 2 4 75 2 5 1 0 1 3 1 3 5 5 8 1 9 50 6 9 3 8 9 8 46 9 3 8 9 8 41 7 8 4 7 0 77 1 6 4 5 0 l6 7 5 7 1 8 32 3 8 2 1 5 1 0 0o8 4 5 0 0 2 48 4 5 0 0 2 42 1 4 6 3 0 68 7 1 8 7 3 47 9 4 8 9 3 7 3 5 8 1 1 2 1 0 509 7 8 0 0 6 39 7 8 0 0 6 32 4 3 3 2 81 0 0 7 8 3 68 8 1 6 7 2 7 4 8 8 2 2 1 1 1 00 1 0 9 2 0 9 71 0 9 2 0 9 72 6 3 9 5 9 81 1 2 3 5 4 99 3 5 9 2 76 2 1 5 1 2 1 1 501 1 8 9 9 1 8 1 1 8 9 9 1 82 7 6 。7 7 4 91 2 2 1 6 8 99 6 1 4 5 3 67 5 3 6 9 4 1 2 001 2 7 0 8 5 91 2 7 0 8 5 92 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