高压共轨燃油实验系统平台的设计论文.doc

高压共轨燃油实验系统平台的设计【优秀机械设备全套课程毕业设计含SW三维建模及2张CAD图纸】

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高压共轨燃油实验系统平台的设计【优秀机械设备全套课程毕业设计含SW三维建模及2张CAD图纸】

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高压共轨燃油实验系统平台的设计开题报告.doc

高压共轨燃油实验系统平台的设计论文.doc

3dSW三维建模

理学分析

文献综述.doc

架子-1.DWG

高压燃油实验.DWG

摘    要

电控高压共轨式燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向,为了研究其可靠性,本研究给出了一个高压共轨系统可靠性测试平台的设计方案。该平台还可以和部件性能试验平台相结合,进行部件的可靠性测试。在保证其他部件可靠的前提下,被测部件先在该平台上进行长时间运行,然后再转到部件性能试验台上进行性能测试从而判断其可靠性. 根据系统部件的常见故障来设定系统的可靠性判据。被测的高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器组成。燃油进入高压油泵,经泵压缩后由高压油管进入共轨管,最后从喷油器喷出。高压油泵的常见故障有密封不良与柱塞副咬死等,密封不良会导致燃油泄漏,柱塞副咬死会导致油泵不供油,因而轨压会迅速下降,同时电机的驱动扭矩也会迅速升高。高压油管的破裂将直接导致燃油泄漏,同时轨压也将迅速下降。喷油器常见的故障有喷油器堵塞或泄漏、电磁线圈老化等,这些故障都将导致喷油量的不正常,通过比较各缸喷油量可判断喷油器是否正常工作。故轨压稳定、各缸喷油量均匀、扭矩不超限、没有泄漏时认为系统可靠。

关键词:液压 支架 有限元分析

Abstract

     Common rail fuel electric controlled high-pressure injection system is the development direction of modern diesel fuel injection system, in order to study the reliability, this study gives the design scheme of a high pressure common rail system of reliability test platform. The platform can also platform and components performance test combination, reliability testing of component. Under the premise of ensuring other parts under the first reliable, long time running on the platform components to be measured, then go to the component performance test bench for performance testing to judge the reliability. To set the reliability criterion system according to the common faults of the system components. High pressure common rail system was measured by a high pressure oil pump, high pressure oil pipe, common rail pipe, an oil atomizer. The fuel to the high-pressure pump, through the pump after compression by high-pressure tubing into the common rail pipe, and finally from the injectors to spray. The common faults of high pressure oil pump plunger pair has bad sealing and seizure, bad sealing lead to fuel leakage, will cause the pump plunger pair killed no oil supply, so the rail pressure decreased rapidly, at the same time, the driving torque of the motor will increase rapidly. Rupture of the high-pressure oil pipe will lead directly to a fuel leak, and rail pressure will also decrease rapidly. The fault injector are common injector blockage or leakage, electromagnetic coil aging, these faults will cause the fuel injection quantity is not normal, by comparing the cylinder fuel injection quantity can determine whether the normal work of the fuel injector. The rail pressure stable, each cylinder injection quantity equality, torque is not overrun, no leakage that the system is reliable.

Keywords: Hydraulic pressure  finite  element analysis

a目  录

摘    要1

目    录3

第一章 绪论5

1.2 高压共轨燃油实验系统平台特点5

1.3高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍6

1.3.1 高压油泵?7

1.3.2 共轨管8

1.3.3 电控喷油器?9

1.3.4 高压油管?10

1.4 支架设计11

1.4.1支架的作用11

1.4.2支架的结构设计12

1.4.3支架力学分析12

1.6液压传动的工作原理和组成19

1.6.1工作原理19

1.6.2液压系统的基本组成20

1.7液压传动的优缺点20

1.8 研究的内容21

第二章 液压系统功能原理的设计22

2.1 明确技术要求22

2.2  执行元件的配置确定及动作顺序22

2.3 确定液压系统主要参数23

2.3.1 计算和确定液压缸的主要结构尺寸23

2.3.2 计算液压缸所需流量24

2.4液压系统图的拟定25

2.4.1制定液压回路方案25

2.4.2原理草图的绘制26

2.5 元件的选型与设计26

2.5.1 液压泵的选择27

2.5.2液压控制阀的选择28

2.5.3液压辅助元件及工作介质的选择29

2.6 前景展望29

第三章 设计中的不足及要注意的问题30

3.1 设计中的不足之处30

3.2 使用液压系统要注意的问题30

参考文献31

设计总结32

第一章 绪论

1.1 高压共轨燃油实验系统平台功能及其意义

电控高压共轨式燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向,为了研究其可靠性,本研究给出了一个高压共轨系统可靠性测试平台的设计方案。该平台还可以和部件性能试验平台相结合,进行部件的可靠性测试。在保证其他部件可靠的前提下,被测部件先在该平台上进行长时间运行,然后再转到部件性能试验台上进行性能测试从而判断其可靠性. 根据系统部件的常见故障来设定系统的可靠性判据。被测的高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器组成。燃油进入高压油泵,经泵压缩后由高压油管进入共轨管,最后从喷油器喷出。高压油泵的常见故障有密封不良与柱塞副咬死等,密封不良会导致燃油泄漏,柱塞副咬死会导致油泵不供油,因而轨压会迅速下降,同时电机的驱动扭矩也会迅速升高。高压油管的破裂将直接导致燃油泄漏,同时轨压也将迅速下降。喷油器常见的故障有喷油器堵塞或泄漏、电磁线圈老化等,这些故障都将导致喷油量的不正常,通过比较各缸喷油量可判断喷油器是否正常工作。故轨压稳定、各缸喷油量均匀、扭矩不超限、没有泄漏时认为系统可靠。

参考文献

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[11] 李亮,陈工,闫晓强. 钢丝类打捆机线结特性分析[J].北京科技大学,2001,03.


内容简介:
文献综述 电控高压共轨式燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向 ,为了研究其可靠性 ,本研究给出了一个高压共轨系统可靠性测试平台的设计方案。该平台还可以和部件性能试验平台相结合 ,进行部件的可靠性测试。在保证其他部件可靠的前提下 ,被测部件先在该平台上进行长时间运行 ,然后再转到部件性能试验台上进行性能测试从而判断其可靠性 . 根据系统部件的常见故障来设定系统的可靠性判据。被测的高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器组成。燃油进入高压油泵 ,经泵压缩后由高压油管进入共轨管 ,最后从喷油器喷出。高压油泵的常见故 障有密封不良与柱塞副咬死等 ,密封不良会导致燃油泄漏 ,柱塞副咬死会导致油泵不供油 ,因而轨压会迅速下降 ,同时电机的驱动扭矩也会迅速升高。高压油管的破裂将直接导致燃油泄漏 ,同时轨压也将迅速下降。喷油器常见的故障有喷油器堵塞或泄漏、电磁线圈老化等 ,这些故障都将导致喷油量的不正常 ,通过比较各缸喷油量可判断喷油器是否正常工作。故轨压稳定、各缸喷油量均匀、扭矩不超限、没有泄漏时认为系统可靠 . 参考文献 1 赵雪松,任小中,于华 .机械制造装备设计 .华中科技大学出版社 ,2009. 2 张有枕,张莉彦 .机械创新设计 .清华大学出版社 .2011. 3 楼应侯,孙树礼,卢桂萍 .互换性与技术测量 .华中科技大学出版社 .2012 nts4 杨可桢,程光蕴,李仲生 .机械设计基础(第五版) .高等教育出版社, 2006. 5 梁鄂 .喷射养殖 .水产专业出版社, 1979 6 田光辉,林红旗主编 模具设计与制造 北京大学出版社 7 俞芙芳成型工艺与模具设计武汉:华中科技大学出版社, 2007 8 吴明友 UG NX6.0 数控编程 化学工业出版社 2012 9 邓明等现代模具制造技 术北京:化学工业出版社, 2005 10何铭新,钱可强,徐祖茂 高等教育出版社 2010 nts 概述 电控高压共轨式燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向 ,为了研究其可靠性 ,本研究给出了一个高压共轨系统可靠性测试平台的设计方案。该平台还可以和部件性能试验平台相结合 ,进行部件的可靠性测试。在保证其他部件可靠的前提下 ,被测部件先在该平台上进行长时间运行 ,然后再转到部件性能试验台上进行性能测试从而判断其可靠性 . 根据系统部件的常见故障来设定系统的可靠性判据。被测的高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器组成。燃油进入高压油泵 ,经泵压缩后由高压油管进入共轨管 ,最后从喷油器喷出。高压油泵的常见故障 有密封不良与柱塞副咬死等 ,密封不良会导致燃油泄漏 ,柱塞副咬死会导致油泵不供油 ,因而轨压会迅速下降 ,同时电机的驱动扭矩也会迅速升高。高压油管的破裂将直接导致燃油泄漏 ,同时轨压也将迅速下降。喷油器常见的故障有喷油器堵塞或泄漏、电磁线圈老化等 ,这些故障都将导致喷油量的不正常 ,通过比较各缸喷油量可判断喷油器是否正常工作。故轨压稳定、各缸喷油量均匀、扭矩不超限、没有泄漏时认为系统可靠 . Abstract Common rail fuel electric controlled high-pressure injection system is the development direction of modern diesel fuel injection system, in order to study the reliability, this study gives the design scheme of a high pressure common rail system of reliability test platform. The platform can also ntsplatform and components performance test combination, reliability testing of component. Under the premise of ensuring other parts under the first reliable, long time running on the platform components to be measured, then go to the component performance test bench for performance testing to judge the reliability. To set the reliability criterion system according to the common faults of the system components. High pressure common rail system was measured by a high pressure oil pump, high pressure oil pipe, common rail pipe, an oil atomizer. The fuel to the high-pressure pump, through the pump after compression by high-pressure tubing into the common rail pipe, and finally from the injectors to spray. The common faults of high pressure oil pump plunger pair has bad sealing and seizure, bad sealing lead to fuel leakage, will cause the pump plunger pair killed no oil supply, so the rail pressure decreased rapidly, at the same time, the driving torque of the motor will increase rapidly. Rupture of the high-pressure oil pipe will lead directly to a fuel leak, and rail pressure will also decrease rapidly. The fault injector are common injector blockage or leakage, electromagnetic coil aging, these faults will cause the fuel injection quantity is not normal, by comparing the cylinder fuel injection quantity can determine whether the normal work of the fuel injector. The rail pressure stable, each cylinder injection quantity equality, torque is not overrun, no leakage that the system is reliable. nts 目录 一, 高压共轨燃油实验系统平台 功能及其意义 二, 高压共轨燃油实验系统平台 特点 2.1 共轨式喷油系统 的优点 2.2, 高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍 三, 支架设计 3.1 支架的作用 3.2 支架的结构设计 3.3 支架力学分析 3.3.1 有限元介绍 3.3.2 支架受力分析 四, 设计方案分析 五, 总结 六, 参考文献 nts一,高压共轨燃油实验系统平台功能及其意义 电控高压共轨式燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向 ,为了研究其可靠性 ,本研究给出了一个高压共轨系统可靠性测试平台的设计方案。该平台还可以和部件性能试验平台相结合 ,进行部件的可靠性测试。在保证其他部件可靠的前提下 ,被测部件先在该平台上进行长时间运行 ,然后再转到部件性能试验台上进行性能测试从而判断其可靠性 . 根据系统部件的常见故障来设定系统的可靠性判据。被测的高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器组成。燃油进入高压油泵 ,经泵压缩后由高压油管进入共轨管 ,最后从喷油器喷出。高压油泵的常见故障有密封不良与柱塞副咬死等 ,密封不良会导致燃油泄漏 ,柱塞副咬死会导致油泵不供油 ,因而轨压会迅速下降 ,同时电机的驱动扭矩也会迅速升高。高压油管的破裂将直接导致燃油泄漏 ,同时轨压也将迅速下降。喷油器常见的故障有喷油器堵塞或泄漏、电磁线圈老化等 ,这些故障都将导致喷油量 的不正常 ,通过比较各缸喷油量可判断喷油器是否正常工作。故轨压稳定、各缸喷油量均匀、扭矩不超限、没有泄漏时认为系统可靠 . 二,高压共轨燃油实验系统平台特点 2.1 共轨式喷油系统的优点 共轨式喷油系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为:蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。高压共轨系统可实现在nts传统喷油系统中无法实现的功能,其优点有: a. 共轨系统中的喷油压力柔性可调,对不同工况可确定所需的最佳喷射压力,从而优化 柴油机 综合性能。 b. 可 独 立 地 柔 性 控 制 喷 油 正 时 , 配 合 高 的 喷 射 压 力( 120MPa200MPa ),可同时控制 NOx 和微粒( PM )在较小的数值内,以满足排放要求。 c. 柔性控制喷油速率变化,实现理想喷油规律,容易实现预喷射和多次喷射,既可降低柴油机 NOx ,又能保证优良的动力性和经济性。 d. 由电磁阀控制喷油,其控制精度较高,高压油路中不会出现气 泡和残压为零的现象,因此在柴油机运转范围内,循环喷油量变动小,各缸供油不均匀可得到改善,从而减轻柴油机的振动和降低排放。 由于高压共轨系统具有以上的优点,现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有:德国 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系统等。 2.2,高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍 图 1 为高压共轨电 控燃油喷射系统的基本组成图。它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵,高压油泵将燃油加压送入高压油轨,高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及nts需要进行调节,高压油轨内的燃油经过高压油管,根据机器的运行状态,由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。 1 、高压油泵 高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关,且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证,因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。 bosch 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135Mpa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采 用了多个压油凸轮,使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ,负荷也比较均匀,nts降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的,为了减小功率损耗,在喷油量较小的情况下,将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。 日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压,如图 2 所示。该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法,其基本原理如图 3 所示。 nts a 柱塞下行,控制阀开启,低压燃油经控制阀流入柱塞腔; b 柱塞上行,但控制阀中尚未通电,处于开启状态,低压燃油经控制阀流回低压腔; c 在达到供油量定时时,控制阀通电,使之关闭,回 流油路被切断,柱塞腔中的燃油被压缩,燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同,控制进入高压油轨的油量的多少,从而达到控制高压油轨压力的目的; d 凸轮经过最大升程后,柱塞进入下降行程,柱塞腔内的压力降低,出油阀关闭,停止供油,这时控制阀停止供电,处于开启状态,低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。 该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗,但需要确定控制脉冲的宽度和控制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系,控制系统比较复杂。 2 、共轨管 nts 共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中,起蓄压器的作用 , ECD-U2 系统的供轨管如图 4 所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡,使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大,以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600mm3 ,共轨管容积为 94000mm3 。 高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器(限流器)和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号;液流缓冲器(限流器)保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油,并可减小共轨和高压油管中的压力波动;压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时,迅速将高压油轨中的压力进行放泄。 从上述分析可见,精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油nts机是并不容易的。 3 、电控喷油器 电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件,它的作用根据 ECU 发出的控制信号,通过控制电磁阀的开启和关闭,将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧nts室。 BOSCH 和 ECD-U2 的电控喷油器的结构基本相似,都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成,图 5 为 BOSCH 的电控喷油器结构图。在电 磁阀不通电时,电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ,高压油轨的燃油压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上,将喷嘴关闭;当电磁阀通电时,量孔 A 被打开,控制室的压力迅速降低,控制活塞升起,喷油器开始喷油;当电磁阀关闭时,控制室的压力上升,控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。 控制了喷油率的形状,需对其进行合理的优化设计,实现预定的喷油形状。 控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度,控制室的容积太大,针阀在喷油结束时不能实现快速的断油,使后期的燃油雾化不良;控制室容积太小,不能给针阀提供足够的有效行程,使喷射过程的流动阻力加大,因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。 控制量孔 A 、 Z 的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室,它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度,而喷油嘴针阀的 关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度,以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。 nts此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后,就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程,同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快,使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。 但控制室的容积不可能无限制减少,它应能保证喷油嘴针阀的升程以使针阀完全开启。两个控 制量孔决定了控制室中的动态压力,从而决定了针阀的运动规律,通过仔细调节这两个量孔的流量系数,可以产生理想的喷油规律。 由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高,因此其喷油嘴的喷孔截面积很小,如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为 0.169mm 6 ,在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下,燃油流动处于极端不稳定状态,油束的喷雾锥角变大,燃油雾化更好,但贯穿距离变小,因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。 对于喷油器电磁阀,由于共轨系统要求它有足够的开启速度,考虑到预喷 射是改善柴油机性能的重要喷射方式,控制电磁阀的响应时间更应缩短。关于电磁阀的研究已由较多的文献报道,本文不再对此进行分析。 4 、高压油管 高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道,它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降,并使高压管路系统中的压力波动较小,能承nts受高压燃油的冲击作用,且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等,使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力,从而减少 发动机 各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短,使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。 BOSCH 公司的高压油管的外经为 6mm ,内径为 2.4mm ,日本电装公司的高压油管的外经为 8mm ,内径为 3mm 。 三,支架设计 3.1 支架的作用 支架再本系统中有着很重要的作用。支撑着很多的管路部件,要给这些部件提供称重,和稳定性。 稳定性是本系统的一个重要影响因素。管路的稳定性,能够防止泄露,防止元器件在工作过程中发生震动而松弛。 所有本系统中支架的设计至关重要 3.2 支架的结构设计 如下图所示为支架的设计结果 其主要功能为支撑管路部件,防止工作过程中产生震动,固定管路部nts件,使其在工作过程中稳定。 支架采用不锈钢板,厚度为 10mm 3.3 支架力学分析 3.3.1 有限元介绍 本设计使用有限元方法对支架进行力学分析 在数学中,有限元法( FEM, Finite Element Method)是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解,每个子区域都成为简单的部分,这种简单部分就称作有限元。它通过变分方法,使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直 线逼近圆的思想,有限元法包含了一切可能的方法,这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来,并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连 子域 组成,对每一单元假定一个合适的 (较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件 (如结构的平衡条件),从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数 实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是 50 年代首先在连续体力学领域 -飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析 nts方法,随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下:物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型,这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来;单元节点的设置、性 质、数目等应视问题的性质,描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确,即越接近实际变形,但计算量越大)。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物,而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样,用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理,则所获得的结果就与实际情况相符合。 3.3.2 支架受力分析 本设计使用 solidworks 的 simulation 模块进行理学分析 首先选择 静力分析 进入分析模块,需要对模型赋予材料。如下图所示, nts 选择不锈钢材料,点击应用,赋予材料。材料的泊松比为 0.28 许用应力为 2.1e11 接下来需要对模型施加载荷,包括,约束和载荷 先选取,支架下面两个螺丝空,固定,这样就成功将模型进行了约束,模拟现实中,底部固定的结构 nts 接下需要对模型施加载荷,载荷分为压力,力,等 支架在工作过程中主要收到如下力, 1, 支撑压力表等部件 2, 油笔部分 所有对支架进行如下载荷施加 选取圆面向下施加载荷 10N,在油笔处向下施加力载荷,如下图所示 nts载荷施加完毕,进入解析模块,首先需要对模型进行王哥划分。如下图,点击网格,右 击进入设置界面,点击生成网格。可以设置网格质量。质量越高所划分的网格越细腻,但是更加耗费电脑配置。所有,在设置过程中,需要根据实际进行设计。 nts 网格划分效果如上图所示。 nts 最后进入运算模式。点击 solve,软件进入解析状态。最后得出应力,应变和位移三个结果。我们可以根据彩虹图进行评定。图中分别列出了支架在受力以后的最大应力部位,最大位移部位。经过评定,位移值和应力值没有超过许用范围,支架能够保证正常工作。 nts 四,设计方案分析 由于高压共轨式燃油喷射系统具有可以对喷油定时、喷油持续期、喷油压力、喷 油规律进行柔性调节的特点,该系统的采用可以使柴油机的经济性、动力性和排放性能都会有进一步的提高。这就需要我们加大对高压共轨系统的研究力度,使我国的柴油机水平跨上一个新的台阶。 本设计中支架结构强度足够满足使用条件。能够为系统提供稳定的工作要求 五,总结 踉踉跄跄地忙碌了两个月,我的毕业设计课题也终将告一段落。点击运行,也基本达到预期的效果,虚荣的成就感在没人的时候也总会冒nts上心头。但由于能力和时间的关系,总是觉得有很多不尽人意的地方,譬如功能不全、外观粗糙、底层代码的不合理 数不胜数。可是,我又会有点自恋式地 安慰自己:做一件事情,不必过于在乎最终的结果,可贵的是过程中的收获。以此语言来安抚我尚没平复的心。 毕业设计,也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想籍次机会感谢四年以来给我帮助的所有老师、同学,你们的友谊是我人生的财富,是我生命中不可或缺的一部分。我的毕业指导老师,虽然我们是在开始毕设时才认识,但她却能以一位长辈的风范来容谅我的无知和冲动,给我不厌其烦的指导。在此,特向她道声谢谢。 大学生活即将匆匆忙忙地过去,但我却能无悔地说: “我曾经来过。 ”大学四年,但它给我的影响却不能用时间来衡量,这四年以来,经历过 的所有事,所有人,都将是我以后生活回味的一部分,是我为人处事的指南针。就要离开学校,走上工作的岗位了,这是我人生历程的又一个起点,在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们,一路走好,未来总会是绚烂缤纷。 六,参考文献 1 赵雪松,任小中,于华 .机械制造装备设计 .华中科技大学出版社 ,2009. 2 张有枕,张莉彦 .机械创新设计 .清华大学出版社 .2011. 3 楼应侯,孙树礼,卢桂萍 .互换性与技术测量 .华中科技大学出版社 .2012 nts4 杨可桢,程光蕴,李仲生 .机械设计基础(第五版) .高等教育出版 社, 2006. 5 梁鄂 .水产养殖 .水产专业出版社, 1979 6 田光辉,林红旗主编 模具设计与制造 北京大学出版社 7 俞芙芳塑料成型工艺与模具设计武汉:华中科技大学出版社,2007 8 吴明友 UG NX6.0 数控编程 化学工业出版社 2012 9 邓明等现代模具制造技术北京:化学工业出版社, 2005 10何铭新,钱可强,徐祖茂 高等教育出版社 2010 11 赵敏海,徐丽娟 AutoCAD 实用教程 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2009 12 周建平 模具 CAD/CAM 技术综述 中国科技信息, 2012 年( 9) 13田绪东,管殿柱 Pro/ENGINEER wildfire 4.0 三维机械设计 .机械工业出版社, 2012 14黄健求,王立涛,迟京瑞 .机械制造技术基础 .华中科技大学出版社, 2013 nts 1 毕业论文 (设计 )开题报告 课题名称: 高压共轨燃油实验系统平台的设计 学生姓名: 学 号: 学 院: 专业年级: 指导教师: 职 称: 毕业论文 (设计 )起止时间 2013.3 2013.6 nts 2 一 、 本课题来源及研究的目的和意义 1.1 来源 自拟题目 1.2 研究的目的和意义 高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来,并消除燃油中的压力波动,然后再输送给每个喷油器,通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管,通过对公共供油管内的油压实现精确控制,使高压油管压力大小与发动机的转速无关,可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化,因此也就减少了传统柴油机的缺陷。 二、本课题所涉及的问题在国内( 外)的研究现状 2.1分类 根据 国内市场调查和国外市场分析,大致分为:高压油泵,高压油轨(共轨管),电控喷油器, 高压油管 2.1.1高压油泵 高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生与燃油喷射过程无关,且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证,因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计。 大部分公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135MPa 的压力。该高 压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮,使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ,负荷也比较均匀,降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的,为了减小功率损耗,在喷油量较小的情况下,将关闭三缸径向柱塞泵中的一个压油单元使供油量减少。 2.1.2高压油轨(共轨管) 共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中,起蓄压器的作用。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡,使高压油轨中的压力波动控制在5MPa之下。但其容积又不能太大,以保证 共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器(限流器)和压力限制器。压力传感器nts 3 向 ECU 提供高压油轨的压力信号;液流缓冲器(限流器)保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油,并可减小共轨和高压油管中的压力波动;压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时,迅速将高压油 轨中的压力进行放泄。 2.1.3电控喷油器 电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件,它的作用根据 ECU发出的控制信号,通过控制电磁阀的开启和关闭,将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。 为了实现预定的喷油形状,需对喷油器进行合理的优化设计。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏 度,控制室的容积太大,针阀在喷油结束时不能实现快速的断油,使后期的燃油雾化不良;控制室容积太小,不能给针阀提供足够的有效行程,使喷射过程的流动阻力加大,因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。 此外 喷油嘴 的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制 活塞 的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后,就确定了 喷油嘴 针阀完全开启的稳定、最短喷油过程,同时就确定了 喷油嘴 的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快,使燃油温度对喷嘴喷油量的影响更小。 但控制室的容积不可能无限制减少,它应能保证 喷油嘴 针阀的升程以使针阀完全开启。两个控 制量孔决定了控制室中的动态压力,从而决定了针阀的运动规律,通过仔细调节这两个量孔的流量系数,可以产生理想的喷油规律。 由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高,因此其 喷油嘴 的喷孔截面积很小,如 BOSCH 公司的 喷油嘴 的喷孔直径为 0.169mm6 ,在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下,燃油流动处于极端不稳定状态,油束的喷雾锥角变大,燃油雾化更好,但贯穿距离变小,因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。 对于喷油器电磁阀,由于共轨系统要求它有足够的开启速度,考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式,控制电磁阀的响应时间更应缩短。 2.1.4高压油管 高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道,它应有足够的燃 油流量减小燃油流动时的压降,并使高压管路系统中的压力波动较小,能承受高压燃油的冲击作用,且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等,使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力,从而减少 发动机 各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短,使从共轨到 喷油嘴 的压力损失最小。nts 4 BOSCH公司的高压油管的外经为 6mm,内径为 2.4mm,日本电装公司的高压油管的外经为 8mm,内径为 3mm 。 2.2 国内发展 最近两年,匹配直喷柴油发动机的轿车在欧洲得到了显著发展,有着高效和出色的燃油经济性,并降低了发动机噪音。直喷柴油发动机使用的是泵喷嘴系统,国内生产的 1.9TDI 宝来就应用这一系统,最高喷射压力可达到 1800 帕。泵喷嘴直喷系统虽好,但燃 油压力不能保持恒定,随着排放控制日益苛刻,就需要更高且恒定的柴油喷射压力和更完善的电子控制,于是众多制造商们就把优点更多的柴油共轨系统作为柴油发动机的发展方向。这一系统有很高的燃油压力,并能提供弹性燃油分配控制,通过 ECU 灵活地控制燃油分配、燃油喷射时间、喷射压力和喷射速率。通过对以上特性的控制,共轨已经使柴油机的响应性和驾驶舒适性达到了汽油发动机水平,同时它具有着显著的燃油经济性和低排放特性。 在发动机所有转速范围内保证高燃油压力,高的喷射压力可以在低转速工况下获得良好的燃烧特性。 由凸轮轴驱动控制的轴向 柱塞式分配泵的发动机, 燃油系统 压力与发动机转速呈线性关系,在发动机低转速时形成燃油压力不足,而共轨系统能够在发动机的所有转速范围内获得非常高的燃油压力。灵活的电子控制系统对正时和喷射压力的控制在发动机各种工况下都能够获得低排放和高效率。由于压力的形成与喷射过程分离,使发动机设计人员在研究燃烧和喷油过程时获得了更大的自由 。可根据发动机工况的要求调节喷射压力和喷射正时,使发动机在低速工况下也能实现完全燃烧,所以即使是在很低的转速也能获得大扭矩。预喷射技术的应用在降低排放和噪音方面取得了更大的进步。 三、课题的研究内容、目标及可行性分析 3.1 研究的内容 (1)资料调研及分析,了解 高压共轨燃油实验系统 现状,掌握其国内外发展趋势 ; (2)从工作原理、工艺过程、关键机构等方面进行分析研究; (3) 通过试验测试性能达到最优 (4)高压共轨燃油实验系统 的设计:根据试验确定的最优参数,设计 高压共轨燃油实验系统的机构零件,进而完成 高 压共轨燃油实验系统 的设计,分析 高压共轨燃油实验系统 容易出现的故障,分析其原因,指出解决方案; (5)通过仿真动画及机构运动分析,验证 高压共轨燃油实验系统 机构的合理性; nts 5 (6)分析 高压共轨燃油实验系统 机可行性,提出初步方案; (7)对自己的工作进行总结,提出后续研发方向。 3.2 需要克服的问题 ( 1)低水平的产品重复太多,总体技术含量低,制造粗糙,加工设备精度低等:要想克服此种现象,我们 高压共轨燃油实验系统 行业首先要做的就是大力增加产品的制造工艺的研发力度,加强制造过程中的要求,在制造过程中还要不断的对产 品进行精度的实验,提高产品制造过程中的精度要求。 ( 2)研发经费少,技术力量薄弱:这种现象是 高压共轨燃油实验系统 发展过程中的历史问题造成的,由于 高压共轨燃油实验系统 发展初期是靠引进国外先进技术发展开来 的,所以在 高压共轨燃油实验系统 发展过程中我们本土企业就很少投入研发经费,以至于造成了现在技术力量薄弱的现象, 高压共轨燃油实验系统 要想发展出本土特色,并逐渐的发展走向国际,我们现在必须要做的就是加大经费投入,提高高压共轨燃油实验系统的整体技术力量。 ( 3)能够把高压共轨燃油实验系统发展推向国际贸易的人员匮乏:高 压共轨燃油实验系统实现本土化发展后,我们要再看的就是高压共轨燃油实验系统如何走出国门,走向国际,这样的高压共轨燃油实验系统发展最终就离不能够把产品推向国际的贸易人才,对贸易人才综合素质的要求必须不断的提高 ( 4) 高压共轨燃油实验系统 机市场应变能力不强:由于以上三个因素的综合,造成了 高压共轨燃油实验系统 的整体欠缺,所以综合以上就出现了在市场不断变化的环境中, 高压共轨燃油实验系统 的发展不能够及时适应市场的变化,最终造成我们 高压共轨燃油实验系统 机行业的整体应变能力不强,想要克服这种现象,最重要的就是要克服以上三种 情况。 3.3 可行性分析 通过对本课题的熟悉和相关资料的查阅,我对本课题有了一个较全面的了解,掌握了现有平地机的 类型、工作原理和工作特点以及工作参数 ,并且获得了许多可供参考的数据。四年的大学学习和以往课程设计的经验,我已具备了机械原理,机械设计等方面的理论知识和实践经验,结合自己掌握的制图软件知识,可以在规定时间内完成本次毕业设计 3.4 设计目标 设计:其中含二维图( CAXA),三维图( SW),设计说明书一份。 四、完成本课题的工作方案及进度计划 一:熟悉毕业设计任务,查阅有关资料,完成开题报告;( 3 月 5 日至 3 月 12 日 ) nts 6 二:校内外调研,对查阅、调研资料分析总结,完成文献综述; ( 3 月 13 日至 3 月 18 日) 三: 优化各个系统并确定总体方案 ; ( 3 月 19 日至 3 月 25 日) 四: 高压共轨燃油实验系统 的设计研究; ( 3 月 26 日至 4 月 3 日) 五:机具设计,绘制二维图 ,制作动画; ( 4 月 4 日至 5 月 4 号) 六:设计说明书整理完善;( 5 月 4 日至 5 月 18 日) 七:答辩准备:打印图纸,说明书,答辩提纲,幻灯片制作。 ( 5 月 19 日至 6 月 3 日) 八: 答辩( 6 月 8 日至 6 月 10 日) 五 . 参考文献 1 赵雪松,任小中,于华 .机械制造 装备设计 .华中科技大学出版社 ,2009. 2 张有枕,张莉彦 .机械创新设计 .清华大学出版社 .2011. 3 楼应侯,孙树礼,卢桂萍 .互换性与技术测量 .华中科技大学出版社 .2012 4 杨可桢,程光蕴,李仲生 .机械设计基础(第五版) .高等教育出版社, 2006. 5 梁鄂 .水产养殖 .水产专业出版社, 1979 6 田光辉,林红旗主编 模具设计与制造 北京大学出版社 7 俞芙芳塑料成型工艺与模具设计武汉:华中科技大学出版社, 2007 8 吴明友 UG NX6.0 数控编程 化学工业 出版社 2012 9 邓明等现代模具制造技术北京:化学工业出版社, 2005 10何铭新,钱可强,徐祖茂 高等教育出版社 2010 11 赵敏海,徐丽娟 AutoCAD 实用教程 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2009 12 周建平 模具 CAD/CAM 技术综述 中国科技信息, 2012 年( 9) 13田绪东,管殿柱 Pro/ENGINEER wildfire 4.0 三维机械设计 .机械工业出版社,2012 14黄健求,王立涛,迟京瑞 .机械制造技术基础 .华中科技大学出版社, 2013 nts 7 指导教师审阅意见: 指导教师(签字): 年 月 日 备注: nts 8 nts 机械电气工程学院本科毕业设计 (论文 ) 题 目: 院 (系): 专 业: 学 号: 姓 名: 指导教师: 完成日期: 2013年 6 月 nts 1 摘 要 电控高压共轨式燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向 ,为了研究其 可靠性 ,本研究给出了一个高压共轨系统可靠性测试平台的设计方案。该平台还可以和部件性能试验平台相结合 ,进行部件的可靠性测试。在保证其他部件可靠的前提下 ,被测部件先在该平台上进行长时间运行 ,然后再转到部件性能试验台上进行性能测试从而判断其可靠性 . 根据系统部件的常见故障来设定系统的可靠性判据。被测的高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器组成。燃油进入高压油泵 ,经泵压缩后由高压油管进入共轨管 ,最后从喷油器喷出。高压油泵的常见故障有密封不良与柱塞副咬死等 ,密封不良会导致燃油泄漏 ,柱塞副咬死会导致油泵不供油 ,因而轨压会迅速下降 ,同时电机的驱动扭矩也会迅速升高。高压油管的破裂将直接导致燃油泄漏 ,同时轨压也将迅速下降。喷油器常见的故障有喷油器堵塞或泄漏、电磁线圈老化等 ,这些故障都将导致喷油量的不正常 ,通过比较各缸喷油量可判断喷油器是否正常工作。故轨压稳定、各缸喷油量均匀、扭矩不超限、没有泄漏时认为系统可靠。 关键词 : 液压 支架 有限元分析 Abstract Common rail fuel electric controlled high-pressure injection system is the development direction of modern diesel fuel injection system, in order to study the reliability, this study gives the design scheme of a high pressure common rail system of reliability test platform. The platform can also platform and components performance test combination, reliability testing of component. Under the premise of ensuring other parts under the first reliable, long time running on the platform components to be measured, then go to the component performance test bench for performance testing to judge the reliability. To set the reliability criterion system according to the common faults of the system components. High pressure common rail system was measured by a high pressure oil pump, high pressure oil pipe, common rail pipe, an oil atomize r. The fuel to the high-pressure pump, through the pump after compression by high-pressure tubing into the common rail pipe, and finally from the injectors to spray. The common faults of high pressure oil pump plunger pair has bad sealing and seizure, bad sealing lead to fuel leakage, will cause the pump plunger pair killed no oil supply, so the rail pressure decreased rapidly, at the same time, the driving torque of the motor will increase rapidly. Rupture of the high-pressure oil pipe will lead directly to a fuel leak, and rail pressure will also decrease rapidly. The fault injector are common injector blockage or leakage, electromagnetic coil aging, these faults will cause the fuel injection quantity is not normal, by comparing the cylinder fuel injection quantity can determine whether the normal work of the fuel injector. The rail pressure stable, each cylinder injection quantity equality, torque is not overrun, no leakage that the system is reliable. nts 2 Ke ywords : Hydraulic pressure finite element analysis nts 3 a 目 录 摘 要 . 1 目 录 . 3 第一章 绪论 . 5 1.2 高压共轨燃油实验系统平台特点 . 5 1.3 高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍 . 6 1.3.1 高压油泵 . 6 1.3.2 共轨管 . 7 1.3.3 电控喷油器 . 8 1.3.4 高压油管 . 9 1.4 支架设计 . 10 1.4.1 支架的作用 . 11 1.4.2 支架的结构设计 . 11 1.4.3 支架力学分析 . 11 1.6 液压传动的工作原理和组成 . 18 .6.1 工作原理 . 18 1.6.2 液压系统的基本组成 . 19 1.7 液压传动的优缺点 . 19 1.8 研究的内容 . 20 第二章 液压系统功能原理的设计 . 21 2.1 明确技术要求 . 21 2.2 执行元件的配置确定及动 作顺序 . 21 2.3 确定液压系统主要参数 . 22 2.3.1 计算和确定液压缸的主要结构尺寸 . 22 2.3.2 计算液压缸所需流量 . 23 2.4 液压系统图的拟定 . 23 2.4.1 制定液压回路方案 . 23 2.4.2 原理草图的绘制 . 24 2.5 元件的选型与设计 . 25 2.5.1 液压泵的选择 . 25 2.5.2 液压控制阀的选择 . 26 2.5.3 液压辅助元件及工作介质的选择 . 27 2.6 前景展望 . 28 第三章 设计中的不足及要注意的问题 . 29 3.1 设计中 的不足之处 . 29 nts 4 3.2 使用液压系统要注意的问题 . 29 参考文献 . 30 设计总结 . 31 nts 5 第一章 绪论 1.1 高压共轨燃油实验系统平台功能及其意义 电控高压共轨式燃油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向 ,为了研究其可靠性 ,本研究给出了一个高压共轨系统可靠性测试平台的设计方案。该平台还可以和部件性能 试验平台相结合 ,进行部件的可靠性测试。在保证其他部件可靠的前提下 ,被测部件先在该平台上进行长时间运行 ,然后再转到部件性能试验台上进行性能测试从而判断其可靠性 . 根据系统部件的常见故障来设定系统的可靠性判据。被测的高压共轨系统由高压油泵、高压油管、共轨管、喷油器组成。燃油进入高压油泵 ,经泵压缩后由高压油管进入共轨管 ,最后从喷油器喷出。高压油泵的常见故障有密封不良与柱塞副咬死等 ,密封不良会导致燃油泄漏 ,柱塞副咬死会导致油泵不供油 ,因而轨压会迅速下降 ,同时电机的驱动扭矩也会迅速升高。高压油管的破裂将直接导致燃油泄 漏 ,同时轨压也将迅速下降。喷油器常见的故障有喷油器堵塞或泄漏、电磁线圈老化等 ,这些故障都将导致喷油量的不正常 ,通过比较各缸喷油量可判断喷油器是否正常工作。故轨压稳定、各缸喷油量均匀、扭矩不超限、没有泄漏时认为系统可靠。 1.2 高压共轨燃油实验系统平台特点 1.2.1 共轨式喷油系统的优点 共轨式喷油系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。这类电控系统可分为:蓄压式电控燃油喷射系统、液力增压式电控燃油喷射系统和高压共轨式电控燃油喷射系统。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能,其优点有 : a. 共轨系统中的喷油压力柔性可调,对不同工况可确定所需的最佳喷射压力,从而优化 柴油机 综合性能。 b. 可独立地柔性控制喷油正时,配合高的喷射压力( 120MPa200MPa ),可同时控制 NOx 和微粒( PM )在较小的数值内,以满足排放要求。 c. 柔性控制喷油速率变化,实现理想喷油规律,容易实现预喷射和多次喷射,既可降低柴油机 NOx ,又能保证优良的动力性和经济性。 d. 由电磁阀控制喷油,其控制精度较高,高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象,因此在柴油机运转范围内,循环喷油量变动小,各缸供油不均匀可得到改善,从而减轻柴油机的振动和降低排放。 nts 6 由于高压共轨系统具有以上的优点,现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有:德国 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系统等。 1.3 高压共轨燃油喷射系统主要部件介绍 图 1 为高压共轨电控燃油喷射系统的基本组成图。它主要由电控单元、高压油泵、共轨管、电控喷油器以及各种传感器等组成。低压燃油泵将燃油输入高压油泵,高压油泵将燃油加压送入高压油轨,高压油轨中的压力由电控单元根据油轨压力传感器测量的油轨压力以及需要进行调节,高压油轨内的燃油经过高压油管,根据机器的运行状态,由电控单元从预设的 map 图中确定合适的喷油定时、喷油持续期由电液控制的电子喷油器将燃油喷入气缸。 1.3.1 高压油泵 高压油泵的供油量的设计准则是必须保证在任何情况下的柴油机的喷油量与控制油量之和的需求以及起动和加速时的油量变化的需求。由于共轨系统中喷油压力的产生于燃油喷射过程无关,且喷油正时也不由高压油泵的凸轮来保证,因此高压油泵的压油凸轮可以按照峰值扭矩最低、接触应力最小和最耐磨的设计原则来设计凸轮。 bosch 公司采用由柴油机驱动的三缸径向柱塞泵来产生高达 135Mpa 的压力。该高压油泵在每个压油单元中采用了多个压油凸轮,使其峰值扭矩降低为传统高压油泵的 1/9 ,负荷也比较均匀,降低了运行噪声。该系统中高压共轨腔中的压力的控制是通过对共轨腔中燃油的放泄来实现的,为了减小功率损耗,在喷油量较小的情况下,将关闭三缸径向柱nts 7 塞泵中的一个压油单元使供油量减少。 日电装公司采用了一个三作用凸轮的直列泵来产生高压,如图 2 所示。该高压油泵对油量的控制采用了控制低压燃油有效进油量的方法,其 基本原理如图 3 所示。 a 柱塞下行,控制阀开启,低压燃油经控制阀流入柱塞腔; b 柱塞上行,但控制阀中尚未通电,处于开启状态,低压燃油经控制阀流回低压腔; nts 8 c 在达到供油量定时时,控制阀通电,使之关闭,回流油路被切断,柱塞腔中的燃油被压缩,燃油经出油阀进入高压油轨。利用控制阀关闭时间的不同,控制进入高压油轨的油量的多少,从而达到控制高压油轨压力的目的; d 凸轮经过最大升程后,柱塞进入下降行程,柱塞腔内的压力降低,出油阀关闭,停止供油,这时控制阀停止供电,处于开启状态,低压燃油进入柱塞腔进入下一个循环。 该方法使高压油泵不产生额外的功率消耗,但需要确定控制脉冲的宽度和控 制脉冲与高压油泵凸轮的相位关系,控制系统比较复杂。 1.3.2 共轨管 共轨管将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油器中,起蓄压器的作用, ECD-U2 系统的供轨管如图 4 所示。它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡,使高压油轨中的压力波动控制在 5Mpa 之下。但其容积又不能太大,以保证共轨有足够的压力响应速度以快速跟踪柴油机工况的变化。 ECD-U2 系统的高压泵的最大循环供油量为 600 mm3 ,共轨管容积为 94000 mm3 。 高压共轨管上还安装了压力传感器、液流缓冲器(限流器)和压力限制器。压力传感器向 ECU 提供高压油轨的压力信号;液流缓冲器(限流器)保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油,并可减小共轨和高压油管中的压力波动;压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时,迅速将高压油轨中的压力进行放泄。 从上述分 析可见,精确设计高压共轨管的容积和形状适合确定的柴油机是并不容易的。 1.3.3 电控喷油器 nts 9 电控喷油器是共轨式燃油系统中最关键和最复杂的部件,它的作用根据 ECU 发出的控制信号,通过控制电磁阀的开启和关闭,将高压油轨中的燃油以最佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。 BOSCH 和 ECD-U2 的电控喷油器的结构基本相似,都是由于传统喷油器相似的喷油嘴、控制活塞、控制量孔、控制电磁阀组成,图 5 为 BOSCH 的电控喷油器结构图。在电磁阀不通电时,电磁阀关闭控制活塞顶部的量孔 A ,高压油轨的燃油压力通过量孔 Z 作用在控制活塞上,将喷嘴关闭;当电磁阀通电时,量孔 A 被打开,控制室的压力迅速降低,控制活塞升起,喷油器开始喷油;当电磁阀关闭时,控制室的压力上升,控制活塞下行关闭喷油器完成喷油过程。 控制了喷油率的形状,需对其进行合理的优化设计,实现预定的喷油 形状。控制室的容积的大小决定了针阀开启时的灵敏度,控制室的容积太大,针阀在喷油结束时不能实现nts 10 快速的断油,使后期的燃油雾化不良;控制室容积太小,不能给针阀提供足够的有效行程,使喷射过程的流动阻力加大,因此对控制室的容积也应根据机型的最大喷油量合理选择。 控制量孔 A 、 Z 的大小对喷油嘴的开启和关闭速度及喷油过程起着决定性的影响。双量孔阀体的三个关键性结构是进油量孔、回油量孔和控制室,它们的结构尺寸对喷油器的喷油性能影响巨大。回油量孔与进油量孔的流量率之差及控制室的容积决定了喷油嘴针阀的开启速度,而喷油嘴 针阀的关闭速度由进油量孔的流量率和控制室的容积决定。进油量孔的设计应使喷油嘴针阀有足够的关闭速度,以减少喷油嘴喷射后期雾化不良的部分。 此外喷油嘴的最小喷油压力取决于回油量孔和进油量孔的流量率及控制活塞的端面面积。这样在确定了进油量孔、回油量孔和控制室的结构尺寸后,就确定了喷油嘴针阀完全开启的稳定、最短喷油过程,同时就确定了喷油嘴的稳定最小喷油量。控制室容积的减少可以使针阀的响应速度更快,使燃油温度对喷油嘴喷油量的影响更小。 但控制室的容积不可能无限制减少,它应能保证喷油嘴针阀的升程以使 针阀完全开启。两个控制量孔决定了控制室中的动态压力,从而决定了针阀的运动规律,通过仔细调节这两个量孔的流量系数,可以产生理想的喷油规律。 由于高压共轨喷射系统的喷射压力非常高,因此其喷油嘴的喷孔截面积很小,如 BOSCH 公司的喷油嘴的喷孔直径为 0.169mm 6 ,在如此小的喷孔直径和如此高的喷射压力下,燃油流动处于极端不稳定状态,油束的喷雾锥角变大,燃油雾化更好,但贯穿距离变小,因此应改变原柴油机进气的涡流强度、燃烧室结构形状以确保最佳的燃烧过程。 对于喷油器电磁阀,由于共轨系统要求它 有足够的开启速度,考虑到预喷射是改善柴油机性能的重要喷射方式,控制电磁阀的响应时间更应缩短。关于电磁阀的研究已由较多的文献报道,本文不再对此进行分析。 1.3.4 高压油管 高压油管是连接共轨管和电控喷油器的通道,它应有足够的燃油流量减小燃油流动时的压降,并使高压管路系统中的压力波动较小,能承受高压燃油的冲击作用,且起动时共轨中的压力能很快建立。各缸高压油管的长度应尽量相等,使柴油机每一个喷油器有相同的喷油压力,从而减少 发动机 各缸之间喷油量的偏差。各高压油管应尽可能短,使从共轨到喷油嘴的压力损失最小。 BOSCH 公司的高压油管的外经为 6mm ,内径为 2.4mm ,日本电装公司的高压油管的外经为 8mm ,内径为 3mm 。 1.4 支架设计 nts 11 1.4.1 支架的作用 支架再本系统中有着很重要的作用。支撑着很多的管路部件,要给这些部件提供称重,和稳定性。 稳定性是本系统的一个重要影响因素。管路的稳定性,能够防止泄露,防止元器件在工作过程中发生震动而松弛。 所有本 系统中支架的设计至关重要。 1.4.2 支架的结构设计 如下图所示为支架的设计结果 其主要功能为支撑管路部件,防止工作过程中产生震动,固定管路部件,使其在工作过程中稳定。 支架采用不锈钢板,厚度为 10mm 1.4.3 支架力学分析 1.4.3.1 有限元介绍 本设计使用有限元方法对支架进行力学分析 在数学中,有限元法( FEM, Finite Element Method)是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解,每个子区域都成为简单的部分,这种简单部分就称作有限元。它通过变分 方法,使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线逼近圆的思想,有限元法包含了一切可能的方法,这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来,并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连 子域 组成,对每一单元假定一个合适的 (较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件 (如结构的平衡条件),从而得到问题nts 12 的解。这个解不是准 确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是 50年代首先在连续体力学领域 -飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析。 方法,随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下:物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型,这一步称作单元剖分。离散 后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来;单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质,描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确,即越接近实际变形,但计算量越大)。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物,而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样,用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理,则所获得的结果就与实际情况相符合。 1.4.3.2 支架受力分析 本设计使用 solidworks 的 simulation 模块进行理学分析 首先选择静力分析 进入分析模块,需要对模型赋予材料。如下图所示, nts 13 选择不锈钢材料,点击应用,赋予材料。材料的泊松比为 0.28。 许用应力为 2.1e11 接下来需要对模型施加载荷,包括,约束和载荷。 先选取,支架下面两个螺丝空,固定,这样就成功将模型进行了约束,模拟现实中,底部固定的结构。 接下来需要对模型施加载荷,载荷分为压力,力等 nts 14 支架在工作过程中主要收到如下力, 1 支撑压力表等部件 2 油笔部分 所有对支架进行如下载荷施加 选取圆面向下施加载荷 10N,在油笔处向下施加力 载荷,如下图所示 载荷施加完毕,进入解析模块,首先需要对模型进行王哥划分。如下图,点击网格,右击进入设置界面,点击生成网格。可以设置网格质量。质量越高所划分的网格越细腻,但是更加耗费电脑配置。所有,在设置过程中,需要根据实际进行设计。 nts 15 网格划分效果如上图所示。 nts 16 nts 17 最后进入运算模式。点击 solve,软件进入解析状态。最后得出应力,应变和位移三个结果。我们可以根据彩虹图进行评定。图中分别列出了支架在受力以后的最大应力部位,最大位移部位。经过评定,位移值和应力值没有超过许用范围,支架能够保证正常工作。 nts 18 1.6 液压传动的工作原理和组成 .6.1 工作原理 液压传动是以液体为工作介质,利用压力能来驱动执行机构的传动方式。 该装置工作台的液压系统是由油箱、过滤器、液压泵、溢流阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头等组成。 1)工作原理如下:电动机驱动液 压泵经滤油器从油箱中吸油,油液被加压后 ,从泵的输出口输入管路。油液经开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸,推动活塞而使工作台左右移动。液压缸里的油液经换向阀和回油管排回油箱。 2)工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时,进入液压缸的油量增多,工作台的移动速度增大;当节流阀关小时,进入液压缸的油量减少,工作台的移动速度减少。由此可见,速度是由油量决定的。 nts 19 1.6.2 液压系统的基本组成 1)能源装置 液压泵。它将动力部分(电动机或其它远动机)所输出的机械能转换成液压能,给系统提供压力油液。 2)执行 装置 液压机(液压缸、液压马达)。通过它将液压能转换成机械能,推动负载做功。 3)控制装置 液压阀(流量阀、压力阀、方向阀等)。通过它们的控制和调节,使液流的压力、流速和方向得以改变,从而改变执行元件的力(或力矩)、速度和方向。 4)辅助装置 油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等 .通过这些元件把系统联接起来,以实现各种工作循环。 5)工作介质 液压油。绝大多数液压油采用矿物油,系统用它来传递能量或信息。 1.7 液压传动的优缺点 液压传动能得到如此迅速的发展和广泛的应用,是由于它与机械传动 、电气传动、气压传动相比,具有以下优点: 1)单位功率的重量轻,即在输出同等功率的条件下,体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、动态特性好等如轴向柱塞泵的重量只是同功率直流发电机重量的 10% 20%,前者的外形尺寸只有后者的 12% 13%。 2)液压传动能方便地实现无级调速,并且调速范围大。 3)液压传动装置工作平稳、反应快、冲击小、能快速启动制动和频繁换向。 4)液压传动装置的控制、调节比较简单,操纵比较方便、省力,易于实现自动化。当机、电、液配合使用时,易实现较复杂的自动工作循环。 5)液压传动易获得很 大的力和转矩,可以使传动结构简单。 6)液压系统易于实现过载保护,同时,因采用油液作为传动介质,相对运动表面键能自行润滑,故元件的使用寿命长。 7)由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化,所以液压系统的设计、制造和使用都比较方便,液压元件排列布置以具有较大的机动性 液压传动的主要缺点: 1)液压传动是以液体为工作介质,在相对运动表面间不可避免要有泄漏,同时,液体又不是绝对不可压缩的,因此不宜在传动比要求严格的场合采用。 nts 20 2)液压传动在工作过程中有较多的能量损失,如摩擦损失、泄漏损失等,故不宜于远距离传 动。 3)液压传动对油温的变化比较敏感,油温变化会影响运动的稳定性因此,在低温和高温条件下,采用液压传动有一定的困难。 4)为了减少泄漏,液压元件的制造精度要求较高,因此,液压元件的制造成本较高,而且对油液的污染比较敏感。 5)液压系统故障的诊断比较困难,因此对维修人员提出更高的要求,即需要系统的掌握液压传动的理论知识,液压具有一定的实践经验。 6)随之,高压、高速、高效率和大流量化,液压元件和系统的噪声日益增大,这也是需要解决的问题。 1.8 研究的内容 (1)确定整体方案及拟定液压系统图 (2)确定 液压系统参数,选择液压元件 液压泵的选择 液压缸的选择 液压控制阀的选择 油箱及工作介质的选择 nts 21 第二章 液压系统功能原理的设计 2.1 明确技术要求 1)本机是通过液压传动系统将棉花进行打包进而捆扎的机械,结构布局是立式的,能够在室内或室外全天候的工作,对环境工作要求不高。 2)本机的液压驱动机构的运动形式是直线往复运动,能够平稳的工作。 3)本机通过液压传动系统的控制能够平稳的工作,通过手动控制能够快速启动制动。 4)本机经济性好,投资费用小,运行耗能低,且维修费用较少,对防 尘,防寒要求不高,安全性能好。 打包捆扎机的技术要求式设计液压系统的依据和出发点,已知的数据如下表: 参数名 数值 压缩后的棉花块长度 压缩后的棉花块宽度 压缩后的棉花块厚度 液压缸主工作腔压力 最大负载力 液压缸最大速度 350mm 250mm 150mm 10MP 25KN 0.02m/s 2.2 执行元件的配置确定及动作顺序 本机的执行元件在运行过程中的运动形式是往复直线运动,尺寸和质量比较小,安装简单,因此选用液压缸中的单杆活塞缸。 本机的动作顺序是启动时从原位先快进,然后达到工 进,然后制动。往返时从停留位置快推到原位。 nts 22 2.3 确定液压系统主要参数 2.3.1 计算和确定液压缸的主要结构尺寸 单杆活塞缸的主要结构尺寸,设计如下: 无杆腔为主工作腔,则, P1A1-P2A2=Fmax/ cm A1=D 2/4 A2=(D 2-d2)/4 式中 P1 主工作腔压力, Pa; P2 回油腔压力(背压力), Pa; A1 无杆腔的有效面积, m2; A2 液压缸有杆腔活塞的有效面积, m2; D d 液压缸活塞(缸筒)内径、活塞杆直径, m; Fmax 液压缸的最大负载力, N; cm 液压缸机械效率,一般取 cm=0.90.97。 通常,液压缸以无杆腔作为主工作腔,即活塞杆受压工作,活塞面积为 A1=1P 1(F cm + P2 A2) 运用此公式确定缸的尺寸时,须事先确定 A1 和 A2的关系或活塞杆径 d 与活塞直径 D的关系。杆径比 =d/D 可按压力来取。 表 1 按压力选取 =d/D 压力 / Mpa 5 .0 5.07.0 7.0 杆径比 =d/D 0.50.55 0.620.70 0.7 而 )1(4221 ppFDcm( m) 因为 设计压力 10 Mpa5.0 Mpa, nts 23 表 2 液压系统背压力 则根据表 2 可选杆径比 =d/D=0.50.55 ,取 =d/D=0 .7 由于该系统比较简单,属于一般轻载节流调速,则 背压力 P2=0.20.5 Mpa,取 P2=0.5 Mpa, 液压缸机械效率 cm取 0.9, 代入式 ,可得 D=60.26mm,则 d=42mm 根据液压工程式设计手册,查的可知,可选取 HSG 01-63/dE型号的液压缸,缸径 D为 63mm,活塞杆直径 d为 45mm,最大行程为 750mm,符合要 求。 2.3.2 计算液压缸所需流量 液压缸的最大流量 qmax qmax=Avmax 式中 A 液压缸的有效面积, m2 vmax 液压缸的最大速度 则, qmax=Avmax= d2 *vmax =3.14 20315.0 0.02 =62.31 10-6m3/s =62.31ml/s 2.4 液压系统图的拟定 2.4.1 制定液压回路方案 1)方向控制与调速方式方案的拟定 方向控制方案的拟定,此装置是做简单的往复直线运动,则采用 标准的普通换向阀进系 统 结 构 情 况 背 压 力 pb ( MPa) 用节流阀的回路节流调速系统 0.30.5 对中高压液压系统背压力数值应放大 50%100% 用调速阀的回路节流调速系统 0.50.8 回有路上有背压阀的系统 0.51.5 采用辅助泵补油的闭式回路 0.81.5 nts 24 行换向即可,此机构采用三位四通手动换向阀。 调速方式方案的拟定,此装置功率较小,负载变换不大,速度变化小,因此,采用节流调速。 2)油路的循环形式 由于此系统选用了节流调速方式,则系统必然为开始循环系统。 3)动力源方案的拟定 液压系统的工作介质完全由液压源提供,液压源的核心是液压泵。液压源型式与调速方案有关,此系统采用节流调速方案,则只能采用定量泵作为液压源。 4)压力控制方案的制定 液压系统的工作压力必须与所承受的负载相适应。对于定量泵供油的节流调速系统,系统应 采用溢流阀与液压泵相连进行恒压控制。 综上所述,本系统的主要回路部分是进油路节流调速回路以及回油路的平衡回路。 2.4.2 原理草图的绘制 由图可知,当换向阀处于( a)位置时,系统处于停车状态,处于( b)位置时,系统启动液压缸带动工作台工作,处于( c)位置时液压缸往回收缩。因此可见,通过换向阀,可以改变压力油的通路,使液压缸不断换向以实现工作台的往复直线运动。在回油路设置顺序阀与单向顺序阀,当回油路的油液压力小于 H型顺序阀设定的压力值时,顺序阀处于nts 25 关闭状态;当油液压力大于顺序阀设定的压力值时,顺序阀才会打 开,这种设置可避免活塞杆在向下运动的过程中由于压板重力而失控,增加了设备的安全系数。 2.5 元件的选型与设计 选择液压元件时一般应考虑以下问题: 应用方面的问题,如主机的类型、原动机的特性、环境情况、安装形式及外形连接尺寸、货源情况及维护要求等。 系统要求,如压力和流量的大小、工作介质的种类、循环周期、操纵控制方式等。 经济性问题,如使用量,购置及更换成本,货源情况及产品质量和信誉等。 应尽量使用标准化,通用化及货源条件较好的元件,以缩短制造周期,便于零部件的互换和维护。 2.5.1 液压泵的选择 计算液压泵的最大工作压力 P( Pa) 液压泵的最大工作压力 P 取决于执行元件的最大工作压力,即 PpP 1+P 式中 P1 液压缸的最大工作压力, Pa P 系统进油路上的总压力损失, Pa,简单系统取 P= ( 0.20.5) 10 6Pa,则 ppP 1+P =10 106Pa+0.5 106Pa =10.5 106Pa 计算液压泵的最大流量 qp( m3/s) 取决于系统所需流量 qv qpq v=K( q ) max 式中, qv 系统所需流量; K 系统的泄漏系 数;一般取 1.11.3(大流量取小值,小流量取大值) ( q) max 同时动作时液压缸的最大总流量,对于工作过程始终用流量阀节流调速的系统,还需加上溢流阀的最小溢流量,一般取( 0.0330.05) 10-3 m3/s 则 qpq v=K( q ) max=1.3 (4510 -6 +62.31 106 )=139.503 106 m3/s 其中 K取 1.3; 溢流阀的最小溢流量取 0.045 10-3 m3/s nts 26 选择液压泵的技术规格 为了保证系统不致因为过渡过程中过高的动态压力作用被破坏,液压泵应有一定的压力储备量,所选泵的压力一般要比最大工作压力 25%60%。 该系统选用齿轮泵,则根据 CB-B 型齿轮泵技术规格,选择产品型号 CBT-E308 的齿轮泵。 产品型号 排量( ml/r) 转速范围( r/min) 额 定 压 力( Mpa) CBT-E308 8 8003000 16 计算液压泵的驱动功率并选择电动机 a 驱动功率的计算 在工作循环中,泵的压力和流量比较恒定,则液压泵驱动功率 Pp应按下式 计算 Pp=pp qp cm 式中, Pp 、 qp为液压泵的最大工作压力( Pa)和最大流量 (m3/s), cm为液压泵的总效率 则 Pp= pp qpcm=(10106 Pa139.503106 3m /s)/0.9 =1550W 其中, pp取值 10 106Pa, qp取值 139.503 10-6m3/s, cm取值 90%。 b 电机的选择,固定设备的液压系统,其液压泵通常用电机驱动。 根据上述算出的功率和液压泵的转速及使用环境,根据 G/T9616-1999, Y系列( IP44)三相异步电动机主要技术参数可知,选用 Y801-4 型号的电动机比较合适。其技术参数如下表: 型号 额定功率 /kW 满载转速 /(r/min) 最大转矩 /Nm 净重 /kg Y100L1-4 2.2 143
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