基于CAD_CAE_CAM技术的曲柄连杆机构设计方法研究_商跃进.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 计算机应用 基于CAD CAE CAM技术的曲柄连杆 机 构 设 计 方 法 研 究 商跃进 曹 茹 赖文烨 兰州交通大学 机电工程学院 甘肃 兰州730070 摘要 探讨了基于CAD CAE CAM技术进行曲柄连杆机构设计的方法及其实现过程 首先进 行实体建模和虚拟装配 得到曲轴连杆机构的分析模型 然后利用所建模型进行运动学和动力学 仿真 并用动力学仿真得到的数据对连杆进行有限元分析 最后对连杆本体进行模拟加工 研究 结果表明 在曲柄连杆机构设计中引入CAD CAE CAM技术可以大大缩短产品开发周期和节约开 发费用 关键词 曲柄连杆机构 CAD CAE CAM 有限元 仿真 中图分类号 TP39117 文献标识码 B 文章编号 100321820 2008 0220018203 收修回稿日期 2007209225 作者简介 商跃进 1969 男 河北南皮人 副教授 硕 士 1 引言 柴油机是内燃机车的核心部件 随着内燃机车 向高速 大功率方向的发展 对其设计要求越来越 高 如何在柴油机零部件设计过程中引入现代设 计方法成为亟待解决的问题 为此 本文针对 CAD CAE CAM技术在柴油机曲柄连杆机构设计 中的应用进行了研究 一般认为 CAD指实体建模和虚拟装配 即利 用计算机技术进行几何设计 CAE指基于CAD所 建的几何模型 利用计算机进行模拟分析和计算 CAM包括工艺设计 数控编程及加工仿真 随着 计算机在制造业中的应用 CAD CAE CAM技术越 来越引起关注 2 曲柄连杆机构CAD设计 利用CAD软件UGNX310中的建模命令 可完 成12V180Z J型柴油机的连杆体 曲轴 连杆盖 活 塞 螺栓 轴瓦等零件的三维建模 如图1 图3所 示 将各零件的实体模型引入UG装配环境 按零 件的装配次序 完成各零件的定位和装配即可生 成曲柄连杆机构的装配模型 如图4所示 图1 活塞 图2 连杆体 第2期 总第408期 内燃机车 2008年2月 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图3 曲轴 图4 曲柄连杆机构 3 曲柄连杆机构CAE设计 3 1 曲柄连杆机构运动仿真分析 由于12V180Z J型柴油机12个气缸的运动情 况完全相同 只是彼此相差一定的相位角 所以只 取一个曲拐上的气缸进行分析 将装配模型调入运动分析模块 将各零件的装 配关系转换为运动分析模块中的运动副 设置相应 的驱动运动副即可进行分析 曲柄连杆机构分析 模型 见图 5 包括活塞 连杆组 曲轴 机体共4个 构件 包括2个转动副和1个移动副 其中曲轴转 动副为驱动运动副 其恒转速输入为驱动力 仿真 结果见图6 图9 图5 曲柄连杆机构运动分析模型 由图9可见 采用不同材料的活塞所受载荷有 较大差别 活塞越轻 载荷幅值越小 3 2 连杆有限元分析 将在CAD中建立的实体模型引入到ANSYS等 有限元软件中 施加由动力学仿真获得的载荷 可 以对其进行有限元分析 以确定其强度 图6 活塞质心位置变化 图7 活塞质心速度 图8 活塞质心加速度 将由动力学仿真获得的作用于大 小头孔径向 载荷按余弦分布规律处理后施加到连杆的有限元 模型 如图10所示 共42 027个节点 195 520个单 元 上进行有限元分析 分析结果见图11 由分析结果可见 连杆整个工字形杆身都承受 着较大的应力 最大应力为300195 MPa 出现在连 杆杆身与小头连接过渡处 连杆材料为40Cr合金 钢 其许用应力为785 MPa 故连杆的静强度满足要 求 3 3 连杆模态特性分析 随着发动机高速化和大功率化 静态设计越 91第2期 总第408期 商跃进 等 基于CAD CAE CAM技术的曲柄连杆机构设计方法研究 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图9 不同质量的活塞受力 图10 连杆有限元模型 图11 连杆应力分布 来越不能满足需要 动态特性研究已成为发动机现 代设计中的重要环节 连杆的动态特性分析是其 静态设计的补充和发展 将连杆模型引入CAE软 件可以进行模态特性分析 频谱分析结果表明 1 能量较大的气体爆发压力频谱主要在相对低的频 率范围内 因此计算时只取频率在2 000 Hz以内的 连杆模态 通过计算可知 在2 000 Hz以内有4个 模态 如图12所示 图12 连杆的模态 分析可知 尽管扭转模态和绕Y轴的振动模 态频率较低 但是由于引起振动的激励较小 因此 他们对连杆的动应力影响不大 虽然燃气爆发压 力激励不直接引起绕X轴的振动 但是 它有可能 与曲轴的纵向振动耦合而引起连杆绕X轴的振 动 因此绕X轴的振动模态对连杆的强度有一定 的影响 为了使连杆在工作过程中的动态应力不 至于过大 应对装配过程进行严格控制 并在今后 的改进设计中适当调整相应的固有频率 4 曲柄连杆机构CAM加工仿真 完成零部件的CAE分析后 将最终确定的设 计模型引入CAM模块即可进行加工仿真 首先 根据连杆的形状特点 精度要求 加工条 件和使用要求等确定连杆的加工方案 然后 对实 体模型进行分析生成 毛坯 如图13所示 利用 操作导航器设置各种加工参数 在刀具路径后处理 中设置主轴转速 移动进给率 刀具号 打开或关闭 冷却液等参数 最后 进行仿真加工 加工仿真结果 如图14所示 图13 连杆毛坯体 图14 仿真结果 下转第24页 02 内燃机车2008年 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图4 测点布置 室平均压力为 5516 Pa 动力室平均压力为 7411 Pa 冷却室平均压力为 12114 Pa 辅助室平均压力 为 4616 Pa 而采用原传统进气系统 电气室 动力 室 冷却室 辅助室平均压力分别为 130 Pa 180 Pa 270 Pa 270 Pa 从测试数据分析 该集中 供风和独立通风进气系统与原传统进气系统相比 相应各室负压值大大减小 达到了预期设计效果 表1 对应测点与环境大气压比较的压差值 位置点压差值 Pa位置点压差值 Pa 1 65 611 49 0 2 58 812 58 8 3 78 213 123 4 4 78 214 123 4 5 78 415 121 4 6 121 016 68 6 7 120 817 82 2 8 118 618 58 8 9 39 219 49 0 10 39 220 49 0 4 进气系统的特点 传统机车进气系统主要是采用两侧墙进气方 式 进气阻力与空气过滤效果是一对矛盾 为了提 高过滤效果而加大滤网的密度 则进气阻力相应增 大 进气量不够 反之 为了提高进气量而减小滤网 的密度 则进气过滤效果差 沙粒易进入车内 该 进气系统采用独立通风的方式 减少了从机车 两侧墙的进气 减小了进气阻力 也降低了车内 负压 采用排尘通风机自动除尘 减少了人工出 尘工作量 降低了劳动力成本 在不降低牵引电机冷却要求的前提下 同 时兼顾到降低空气压缩机进气温度 有利于提高螺 杆空气压缩机的工作可靠性 侧墙过滤器与侧墙采用快接搭扣连接 拆装快 捷方便 而且便于清洗和更换 5 结论 采用该进气系统的SDD1A型机车在苏丹铁路 已运行了近1年 实际运用情况表明 无论是机车 内部还是集气腔的积沙 与原传统进气系统相比均 大大减少 除了冷却室有少量积沙外 电气室 动力 室 辅助室内都很干净 大顶盖的集气腔内无沙沉 积 整流柜内各元件都干净 主发电机排风口基本 无沙排出 因此 延长了柴油机进气用滤芯的清洗 和更换周期 由原来的800 h延长至2 500 h 既减少 了清洗 更换滤芯的工作量 也大大节约了机车运 用成本 这说明了该套机车进气系统设计是成功 的 并在我公司供其它用户的机车上得到推广运 用 参考文献 1 熊英萍 眭小利 雪域神舟 号青藏高原货运试验样车电气 室车顶夹层独立外进风系统的设计 J 内燃机车 2006 6 4 6 2 许人华 兰新线东风11型机车的设计改进及试验运用 J 内 燃机车 2001 8 6 10 3 夏寅荪 ND5型内燃机车 M 北京 中国铁道出版社 1988 上接第20页 5 结语 动力学分析表明 活塞质量对其受力幅值有较 大影响 在活塞选材时应予以重视 静态分析表 明 连杆杆身与小头接合处应力最大 该值小于连 杆材料的许用应力 连杆强度满足要求 模态分析 表明 在气体爆发压力瞬时载荷和曲轴纵振引起的 激励载荷作用下 连杆有发生共振的可能 因此在 今后的设计中应该引起重视 参考文献 1 岳东鹏 苗德华 张伯俊 车用发动机连杆有限元分析 J 天 津工程师范学院学报 2007 2 19 22 2 杨基厚 机构运动学与动力学 M 北京 机械工业出版社 1987 3 商跃进 有限元原理与ANSYS应用指南 M 北京 清华大学 出版社 2005 4 傅杰 UG NX数控加工案例精选 M 北京 人民邮电出版 社 2005 5 胡小康 UGNX2运动分析培训教程 M 北京 清华大学出 版社 2004 42 内燃机车2008年 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved bration signal wavelet packet G A2BP neutral network Study of CAD CAE CAM2based design method for crank2connecting rod mechanism SHANG Yue2jin CAO Ru LAI Wen2ye School of Electromechanical Engineering Lanzhou Jiaotong University Lanzhou 730070 China Abstract Based on CAD CAM CAE technology the design method and process for crank2connecting rod mechanism are discussed in this paper First the crank2 connecting rod mechanism is modeled and virtual assembled to establish a model Then using the virtual assembling model the kinematics and dynamics simulation is completed and the analysis results is used to complete finite element analysis of the connecting rod Finally NC manufacture simulating of connecting rod is done The result showthat by use of CAD CAE CAM technology of the crank2connecting rod mechanism the development period can be shorten and the cost for the development can be cut down Key words crank2connecting rod nechanism CAD CAE CAM finite element dynamics simulation Design of air intake system for SDD1Alocomotive XIE Qing Zhiyang Locomotive Co Ltd Zhiyang 641301 China Abstract In view of that it is very windy and dusty in Sudan an air intake system which can be protected from sand storm and can meet the cooling requirement for locomo2 tive is installed on SDD1Alocomotive built by Zhiyang Loco2 motive Co Ldt for Sudan Railways and its structural ar2 rangement and characteristics are described The real opera2 tion results of the locomotives show that the design of the air intake system is very successful Key words SDD1Alocomotive sand storm air in2 take system design structural arrangement characteristics Development of electronic air pressure switch for DF4locomotive HUANGDa2qing MA Yue2ming Ge ermu Engineering Department of Xining Locomo2 tive Depot Ge ermu 816000 China Abstract In view of higher failur rate of mechanical air pressure switch for DF4locomotive the electronic air pressure switch has been developed The paper discusses the structure and working principle of the electronic air pressure switch It is proven by practice that the electronic air pres2 sure switch canfull meet the requirementsfor locomotive ser2 vice Key words DF4locomotive electronic air pressure switch development Suppression of inductive load over2voltage for diesel locomotive circuit CUI Bing HE Rui North Houma Locomotive Depot Houma 043000 China Abstract In viewof troubles occured in operation of DF4and DF8Blocomotives the reason of causing inductive load over2voltage was analised and several common suppres2 sion networks were discussed The methods of suppressing inductive load over voltage in locomotive circiut were given Key words diesel locomotive inductive load over2 voltage interference suppression Reason analysis and precautions of DF4Blocomotive w ater inlet pipe leakage ZHAO Wen2jie LIN Zhi2jun S