不同潤滑油溫度下柴油機主軸承潤滑性能研究

李明海,李曉偉

(大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,遼寧大連116028)

柴油機能正常地運轉(zhuǎn)和始終處于良好的技術(shù)狀態(tài),潤滑油對各零部件的潤滑起著重要的作用。潤滑油要保持良好的潤滑性能,其工作溫度是決定性的因素之一。一般認(rèn)為柴油機熱機工作時的潤滑油溫度應(yīng)在65°C～95°C范圍內(nèi),柴油機才能發(fā)揮良好的潤滑作用。潤滑油的物理特性使其黏度隨溫度的變化較為顯著,溫度升高黏度減小,溫度下降而黏度變大。然而柴油機在工作中,不同工況下的工作溫度又有差別,因為潤滑油的溫度與柴油機的工作溫度、環(huán)境溫度密不可分。為了使柴油機在正常的工作狀態(tài)下減少磨損,并對高溫部件能形成一定厚度的潤滑油膜,保持良好的潤滑,因此在潤滑油正常溫度范圍內(nèi),潤滑油溫度對柴油機主軸承潤滑性能的研究十分必要[1,2]。

本文以機車用16V240ZJ型柴油機為研究對象,運用GT-CRANK軟件建立比較精確的動力學(xué)虛擬樣機,關(guān)鍵是建立主軸頸軸承的動力學(xué)模型模塊加入到柴油機虛擬樣機內(nèi),模擬其在不同潤滑油溫度下的動力學(xué)特性,并進(jìn)行比較分析,進(jìn)而確定合理的匹配方案。

GT-CRANK軟件的基本思想是忽略柴油機實體建模的步驟,零部件設(shè)計成交互式模式,直接輸入所需數(shù)據(jù),然后按照用戶設(shè)計的模式進(jìn)行計算。

1 液體動壓潤滑理論

雷諾方程是液體動壓潤滑的基本方程,形式如下:

式中h為油膜厚度;η為潤滑油黏度;p為油膜壓力;ρ為潤滑油密度;ω0為潤滑油流入速度;ωh為潤滑油流出速度;u為兩表面沿x方向的相對運動速度;v為兩表面沿y方向的相對運動速度。

對雷諾方程用差分法求解,可以求出軸承在各種運動狀態(tài)下的壓力分布和承載力。在GT-CRANK軟件中也是運用雷諾方程的理論進(jìn)行計算的。

最小油膜厚度大小與軸頸中心O1相對于軸承中心O2的偏移量e的大小直接相關(guān)。如果軸承的直徑間隙為S,則最小油膜厚度計算公式為:

軸心軌跡圖是繪在以軸承中心O2為心,以S/2為半徑的圓內(nèi)。軸心軌跡計算基本原理是軸頸每一瞬時的平衡位置由外載荷、旋轉(zhuǎn)油膜總承載力和擠壓油膜總承載力三者的平衡關(guān)系決定[3,4]。

2 虛擬樣機的建立

氣缸內(nèi)氣體燃燒所產(chǎn)生的爆發(fā)壓力是柴油機的動力來源,是柴油機正常工作的根本。圖1可以看出計算值曲線與試驗值曲線變化趨勢基本相同。產(chǎn)生差異的原因是軟件在計算中對精確公式進(jìn)行了簡化,以及試驗數(shù)據(jù)與真實值的差距。這樣的對比結(jié)果驗證了應(yīng)用GT-CRANK軟件進(jìn)行柴油機動力學(xué)仿真的準(zhǔn)確性。

圖1 氣缸壓力變化曲線

用GT-CRANK軟件建立包括氣缸壓力、活塞、連桿、曲軸、機體在內(nèi)的虛擬模型,參數(shù)包括示功圖、零部件的質(zhì)量、幾何尺寸、質(zhì)心位置等,并且還添加了零部件之間的接觸條件及約束(邊界條件),最后在軟件內(nèi)部模型區(qū)組裝16V240ZJ型柴油機的虛擬樣機。氣缸壓力模型的建立是整個模擬計算的基礎(chǔ),應(yīng)嚴(yán)格按照試驗數(shù)據(jù)輸入,以確保計算的正確性(如圖1所示)。潤滑油型號為CAE30。其黏度、密度等具體參數(shù)在軸承模塊內(nèi)設(shè)定。16V240ZJ型柴油機的虛擬樣機整體模型如圖2所示。

3 方案的設(shè)定

按照軟件規(guī)定的方法把潤滑油溫度設(shè)為參變量。在潤滑油正常工作溫度范圍內(nèi),選定5個值:

方案1:70℃;方案2:75℃;方案3:80℃;方案4:85℃;方案5:90℃。

圖2 16V240ZJ型柴油機模型

4 計算結(jié)果對比分析

潤滑油溫度不同,曲軸主軸頸軸承各方面的性能也隨之發(fā)生改變,通過GT-CRANK軟件輸出的曲線對比分析具體的變化規(guī)律。

4.1 軸承負(fù)荷

軸承負(fù)荷及其負(fù)荷線變化角是評價軸承與軸頸之間是否有擦傷危險的重要參數(shù)[4]。如圖3及表1所示。潤滑油溫度變化略微改變了軸承載荷的變化。因為溫度升高,潤滑油黏度降低,最小油膜厚度變小,潤滑油黏度的降低則承載力下降,但最小油膜厚度變小又會導(dǎo)致承載能力升高,兩者相互影響。85°C時最大軸承負(fù)荷最小。

4.2 最小油膜厚度

比較幾種潤滑油溫度下的主軸頸軸承油膜厚度對比曲線可以看出,潤滑油溫度升高,主軸頸軸承油膜厚度變小(如圖4及表1所示)。一定的油膜厚度對良好的潤滑性能有著關(guān)鍵的影響。最小油膜厚度應(yīng)在允許范圍內(nèi),若過小,則有發(fā)生金屬直接接觸的可能性[5]。

表1 最大軸承負(fù)荷及最小油膜厚度值

4.3 瞬時摩擦功率損耗

對功率輸出的影響體現(xiàn)在軸承的功率損耗上,實際中我們要求軸承的功率損耗越小越好。比較幾種潤滑油溫度下的主軸頸軸承的功率損耗曲線可以看出,潤滑油溫度升高,瞬時摩擦功率損失減少(如圖5所示)。為了降低柴油機燃油消耗和提高柴油機功率輸出,應(yīng)盡可能減少柴油機機械摩擦損耗。所以,僅出于摩擦功率損失的影響,應(yīng)提高潤滑油的溫度[6]。

4.4 軸心軌跡

比較幾種潤滑油溫度下的主軸頸軸承軸心軌跡曲線可以看出,潤滑油溫度升高,軸承軸心軌跡范圍呈增大趨勢(如圖6所示)。

圖3 軸承負(fù)荷

圖4 最小油膜厚度對比曲線

圖5 主軸頸軸承摩擦瞬時功率損耗對比曲線

圖6 主軸頸軸承軸心軌跡對比曲線

4.5 摩擦扭矩

如圖7所示,隨著潤滑油溫度降低,軸承摩擦扭矩增大,這與溫度降低,潤滑油黏度增大有關(guān)。但就數(shù)值來說,潤滑油溫度對軸承摩擦扭矩的影響不大。

圖7 主軸頸軸承摩擦扭矩曲線

5 結(jié)論

利用虛擬樣機技術(shù)對機車柴油機進(jìn)行數(shù)字化建模,并針對主軸頸軸承進(jìn)行動力學(xué)研究,通過分析計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)潤滑油溫度的變化對軸承潤滑性能的影響較大,隨著潤滑油溫度的降低,軸心軌跡范圍減少;最小油膜厚度增大;軸承負(fù)荷會有所下降和軸心軌跡的縮小;這些都是主軸頸軸承性能改善的表現(xiàn),其主要原因是潤滑油的溫度降低,潤滑油的黏性增加,流動性降低,油膜厚度就會增加,相應(yīng)的軸心軌跡范圍也縮小。

(2)隨著潤滑油溫度的降低,軸承的摩擦扭矩以及摩擦損耗功增加,因為潤滑油黏性增大,流動性降低,潤滑油流量降低,機油泵的泵油損失也增加,但其變化很小。

(3)從以上分析可以看到潤滑油溫度不易過高,但潤滑油溫度過低,也有其不利影響。潤滑油溫度的變化,對最小油膜厚度影響最大,然而最小油膜厚度也是軸承潤滑性能最重要的參數(shù)。所以綜合考慮,可得出潤滑油溫度保持在80℃比較適宜。同時也要看到,要確保最佳的潤滑油溫度,就會對柴油機的冷卻系統(tǒng)提出嚴(yán)格要求。

本文仿真計算是參考樣機設(shè)計參數(shù)進(jìn)行的,說明只要正確掌握動力學(xué)仿真的基本方法,建立準(zhǔn)確的虛擬樣機,就能對1臺正在研制中的內(nèi)燃機進(jìn)行正確的動力學(xué)性能仿真,并得到所需要的各種數(shù)據(jù),為設(shè)計開發(fā)高性能內(nèi)燃機提供強有力的參考依據(jù)。

[1] 上海鐵道學(xué)院.機車柴油機動力學(xué)[M].北京:中國鐵道出版社,1983:19-30.

[2] 蒙留記,盧小虎,賈中剛.潤滑油溫度對內(nèi)燃機的影響[J].潤滑與密封,2003,(1):84-85.

[3] 張鵬偉,楊世文.直列六拐曲軸軸承負(fù)荷的分析[J].機械管理開發(fā),2005,(2):55-58.

[4] 柴油機設(shè)計手冊編輯委員會.柴油機設(shè)計手冊(上冊)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1984:633-697.

[5] 王 謙,高永平,施愛平,等.內(nèi)燃機曲軸主軸承潤滑分析 與節(jié)省功率的研究[J].農(nóng)業(yè)機械報,2003,(4):19-21.