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摘 要
根据大功率低速船用柴油机曲轴转子—轴承系统的动力学特性，研究了动力学试验台的设计原则、各个组成部分的功能、动力学试验台应具有的性能等问题，最后，成功研制出一台动力学试验台。该试验台可用于研究系统的时间响应、频率响应、轴心轨迹，检测气缸内的压力变化规律，控制曲轴的转速和气缸内的压力等。
对该试验台中的曲柄连杆机构主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析。
首先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果。其次分别对活塞组、连杆组以及曲轴进行详细的结构设计，并进行了结构强度和刚度的校核。
关键词：试验台 曲轴转子—轴承系统 发动机 曲柄连杆机构 力学分析
Abstract
High-power low-speed marine diesel engine crankshaft rotor - bearing system dynamics, the study of the dynamics test station design principles, the various components of the function, and dynamics test station should have performance problems, and finally, successfully developed adynamics test station. The test station may be used for research systems response, frequency response, orbit, the pressure variation in the detected within the cylinder, the control of the rotational speed of the crankshaft and the pressure inside the cylinder.
Structural design calculations, the main components of the test Taichung crank linkage and crank linkage theoretical analysis of the kinematics and dynamics.
First of all, the basis of theoretical knowledge of the kinematics and dynamics, detailed analysis of the crank linkage law of motion and force in the movement, and to get a precise analysis of the results. Followed by detailed structural design of the piston group, the link group as well as the crankshaft, and the checking of structural strength and stiffness.
Keywords: The crankshaft rotor - bearing system engine crank linkage mechanical analysis of the test rig
目 录
摘要 .............................. .... .... .............................................................................................. ...................I
Abstract ......................................................... ........................................................................................... II
目录 .............................. .... .... .............................................................................................. ...................III
第一章.绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 经济效益与社会效益 3
1.4 本课题的研究内容 4
第二章.曲柄连杆机构受力分析 5
2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择 5
2.2 曲柄连杆机构运动学 6
2.3 曲柄连杆机构中的作用力 9
第三章.活塞组的设计 17
3.1活塞的设计 17
3.2活塞销的设计 24
第四章.连杆组的设计 26
4.1连杆的设计 26
4.2连杆螺栓的设计 35
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 大功率低速船用柴油机曲轴
柴油机是目前世界上船舶使用最为普遍的动力装置。根据其曲轴转速可分为低速机(转速为75-300r／min)、中速机(转速为300—1000r／min)和高速机(转速为1000-2100r／min)。其中，大功率低速柴油机由于其单机功率大、经济性好、可靠性高等特点，在大中型民用船舶上得到普遍应用。据统计，在一般大中型民用船舶中，有90％使用大功率低速柴油机作为主推进装置。同时，柴油机主机是一般民用船舶中价值最高的配套设备，其价格占到了船价的10％左右。而曲轴作为柴油机的关键运动件之一。其动力学行为不仅在很大程度上决定着柴油机的工作可靠性，而且对柴油机的振动和噪声也有着重要的影响。
大功率低速船用柴油机是船舶的心脏，曲轴是柴油机最主要的关键附件。世界先进造船国家日本、韩国等在大力发展造船能力的同时都相应地努力发展大功率低速船用柴油机及主要关键附件曲轴的制造能力。为实现我国在2015年成为世界第一造船大国的目标，近年来国内造船业有了飞快的发展。柴油机性能不仅与曲轴—轴承系统中的摩擦学行为与动力学行为有关，而且与它们之间的耦合作用密切相关。大功率低速半组合式船用柴油机曲轴转子—轴承系统动力学研究将有助于人们对曲轴转子一轴承系统有更完善的认识、有助于建立多缸柴油机各设计参数之间更加准确的相互依赖关系，为柴油机性能的进一步提高提供理论上的指导。
1.1.2 曲轴关键问题研究
为了提高曲轴的生产率，必须提高曲轴精加工时的转速，以提高切削速度。但是，当曲轴转子高速运行时，必然出现质量偏心引起的振动问题。研究不同转速下大型船用柴油机曲轴转子的动力学特点，研究切削力大小和位置变化时，曲轴转子的振动规律，就可以为曲轴精加工时切削用量的选择提供理论指导；另一方面，对曲轴转子系统动力学性能的研究，对曲轴的使用、监测、维修等工作也具有实用价值。
曲轴是柴油机、内燃机、蒸汽机等发动机中最重要的部件之一。活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的旋转运动，柴油机、内燃机、蒸汽机的功率通过曲轴输出，并直接或间接地驱动配气系统、喷油泵、机油泵、水泵等部件。随着现代动力装备向大功率、高效率、高可靠性、低噪音等方向的发展，对曲轴系统动力学性能的要求越来越高。
由于曲轴属于典型的非对称结构零件，具有各向异性及各向耦合的特点。因此，曲柄的偏心质量不仅能激起弯曲振动，而且也可以激起扭转振动、轴向振动及三者的耦合振动。大型船用柴油机曲轴又具有其自身的特点。在机械加工过程中，特别是精加工过程中，不能采用高速加工方法，否则，将使曲轴转速接近或处于共振区，产生大幅振动．导致加工质最下降。
1.2 国内外发展现状
近年来，我国船舶工业飞速发展，中国已经跻身于世界造船国一级梯队。但船用配套设备一直是我国船舶业的软肋，相比日本、韩国85％以上的船用配套设备自给率，我国作为世界第三大造船国，船用配套设备80％都依赖进口，大型船用配套设备国内供货问题仍未解决。而低速柴油机的核心部件曲轴的紧缺，更是严重制约了我国船舶业的发展。
曲轴作为船用发动机的关键部件，被视为船用柴油机的“心脏”，对船舶的安全起着至关重要的作用。由于其重量大、加工精度要求高、制造技术难度高，因而业内常用“是否具备曲轴制造能力，从某种程度上代表了一个国家的造船工业水平”，来说明船用曲轴制造技术之于造船工业的重要性。目前日本、韩国、捷克、西班牙等少数几个具备制造大型船用半组合式曲轴能力的国家高度垄断着国际上大型船用曲轴市场。
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