柴油機(jī)自動減壓起動裝置的有限元分析

連萌，牛剛學(xué)

（1．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2．開封億諾泰科技有限公司，河南開封475004）

柴油機(jī)自動減壓起動裝置的有限元分析

連萌1，牛剛學(xué)2

（1．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2．開封億諾泰科技有限公司，河南開封475004）

分析了柴油機(jī)自動減壓裝置的工作原理，針對在濰柴WP10型柴油機(jī)上加裝的減壓裝置，利用Solidworks Simulation對壓板進(jìn)行了靜力分析，找出了應(yīng)力最大的部位和最大值，并按照Von Mises準(zhǔn)則，判別壓板滿足剛度要求。

柴油機(jī)；自動減壓起動裝置；固定壓板；靜力分析

0 引言

一般的車用和船用發(fā)動機(jī)都是四沖程發(fā)動機(jī)，即發(fā)動機(jī)的每個缸都需要經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣4個行程，把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。該類發(fā)動機(jī)從靜止到運(yùn)轉(zhuǎn)需要由起動機(jī)帶動曲軸轉(zhuǎn)動來完成。在這個過程中，起動機(jī)需克服發(fā)動機(jī)的起動阻轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機(jī)的起動阻轉(zhuǎn)矩一方面來自系統(tǒng)的機(jī)械摩擦，另一方面來自氣缸中壓縮沖程氣體對活塞的阻力。為了提高發(fā)動機(jī)的起動性能，開封億諾泰科技有限公司針對壓縮沖程中活塞阻力大的問題，開發(fā)了自動減壓起動裝置。該裝置可不改變原有發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，直接安裝，用于改善發(fā)動機(jī)的起動工況，延長起動機(jī)和蓄電池的壽命。由于該裝置工作條件惡劣，其核心元件的強(qiáng)度是否能滿足要求，將關(guān)系到該裝置能否正常工作，甚至?xí)绊懓l(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行。筆者試運(yùn)用Solidworks Simulation對該裝置的壓板進(jìn)行有限元分析，研判壓板是否滿足剛度要求。

1 自動減壓起動裝置的工作原理及性能

1．1 工作原理

自動減壓起動裝置主要由墊塊、固定壓板、電磁鐵、程序控制集成模塊組成［1］。發(fā)動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)（為電磁鐵、液壓缸、氣缸等）安裝在固定壓板上，壓板用螺栓連接在搖臂座上，壓板的一部分伸出在搖臂上方，但不影響搖臂的正常運(yùn)動?；钊┒税惭b一墊塊，當(dāng)搖臂一端壓下氣門時，其上方與壓板之間的空間增大，驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動墊塊伸出，墊塊移動到壓板與搖臂之間，由于墊塊的阻礙，氣門無法關(guān)閉，即可實(shí)現(xiàn)開啟氣門減小壓縮行程阻力的作用。當(dāng)發(fā)動機(jī)起動完成后，墊塊收回，不再阻礙氣門的正常關(guān)閉，發(fā)動機(jī)即可正常運(yùn)行。發(fā)動機(jī)減壓起動裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 工作性能

根據(jù)自動減壓裝置的工作原理，開封億諾泰科技有限公司開發(fā)出以電磁鐵為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的氣缸減壓裝置，并在濰柴WP10型柴油發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了試車，其結(jié)果為：原匹配的蓄電池為24V200Ah，安裝該減壓裝置后，原起動機(jī)不變，采用24V90Ah的蓄電池即可完成發(fā)動機(jī)的起動。采用方圓電器設(shè)備有限公司的汽車電器高速采集系統(tǒng)對起動電流進(jìn)行了測試，結(jié)果為：采用減壓起動裝置后，起動機(jī)的平均起動電流由268 A下降至144 A，電流波動明顯減小。采用減壓起動裝置前后起動電流的對比情況如圖2所示。由圖2可以看出，采用減壓起動裝置后，起動過程電流的穩(wěn)定性大幅提高。這說明起動過程的阻力明顯減小，起動機(jī)工作環(huán)境大為改善，有利于延長起動機(jī)和電池的壽命。另外，由于降低了電池的容量要求，也就降低了電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)對鉛和硫酸的需求量，這對鉛酸污染的治理非常有利。

2 減壓裝置的靜強(qiáng)度分析［2～3］

固定壓板是減壓裝置的核心部件，一旦損壞或嚴(yán)重變形，就會使減壓裝置無法工作，甚至?xí)绊憙?nèi)燃機(jī)的正常運(yùn)行。減壓裝置起作用時，壓板將承受源自氣門彈簧的作用力，而且該作用力會隨著內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動作而呈周期性變化。為保證減壓裝置安全工作，有必要對固定壓板的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析。

在氣門打開時，該減壓裝置的驅(qū)動墊塊伸出到壓板與搖臂之間，使氣門無法關(guān)閉，從而起到減小壓縮行程阻力的作用。在減壓裝置工作時，墊塊位于壓板與搖臂之間，驅(qū)動氣門復(fù)位的彈簧力將通過墊塊作用于壓板上。

圖1 發(fā)動機(jī)減壓起動裝置原理示意圖Fig．1 Schematic diagram of engine decompressor starter device

圖2 起動電流對比Fig.2 Starting current comparison

2．1 參數(shù)設(shè)置

固定壓板采用普通碳鋼材料，用于有限元分析的主要參數(shù)有：彈性模量為2．1×1011N／m2；泊松比為0．28；密度為7 800 kg／m3。

2．2 邊界條件［4～7］

固定壓板通過缸蓋螺栓和螺母安裝在搖臂座上，相對于缸蓋，它是固定件。所以，在固定壓板下部與搖臂座接觸的部分以及上部與螺母墊圈相接觸的區(qū)域，為固定約束。

固定壓板上所承受的壓力是氣門復(fù)位時氣門彈簧的彈力通過搖臂和墊塊作用于固定壓板的，所以固定壓板上承受的載荷可以通過彈簧的變形求得。內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧多采用圓柱螺旋彈簧，其載荷可按式（1）計算。

式中：x為彈簧的變形量；k為彈簧的彈性系數(shù)，按式（2）計算。

式中：G為材料的切變模量；d為彈簧絲直徑，mm；D2為彈簧外徑，mm。

氣門關(guān)閉時，氣門彈簧長度近似于彈簧的自由長度。墊塊位于搖臂與固定壓板之間時，氣門彈簧的變形量可認(rèn)為就是墊塊的厚度。對于有些內(nèi)燃機(jī)，氣門彈簧是兩個，其載荷按式（3）計算。

為增大墊塊與固定壓板的接觸面積，墊塊設(shè)計為圓柱形，固定壓板與墊塊接觸部分為圓柱形凹槽，半徑與墊塊匹配。為模型添加“力”載荷，方向在豎直向上，作用在圓柱形凹槽上。壓板下部用分割線分出與搖臂座接觸的部分，在壓板的上面用分割線分出與墊圈接觸的部分，并在這些區(qū)域添加固定約束。壓板的載荷和約束情況如圖3所示。

圖3 添加邊界條件Fig．3 Boundary condition

2．3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分將直接影響計算精度。網(wǎng)格劃分太粗，計算不夠精確；劃分太細(xì)，計算量大，耗時長。本文采用平均大小為3．2 mm的網(wǎng)格。對于應(yīng)力可能集中的壓板拐角處、凹陷處的棱邊以及分割線處，進(jìn)行網(wǎng)格控制，網(wǎng)格控制的平均長度為1 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig．4 Meshing results

2．4 計算結(jié)果分析

圖5為壓板受載荷作用時的變形情況。由圖5可知，最大變形出現(xiàn)在壓板上距固定孔最遠(yuǎn)處的邊角上，最大變形量為7．759×10－3mm。最大變形量出現(xiàn)在此處是因?yàn)閴喊灞还潭ㄓ趽u臂座上，壓板的伸出部分相當(dāng)于懸臂梁，在載荷作用下，會發(fā)生彎曲變形，變形大小可通過公式（4）求得。

式中：P為集中載荷；l為自由端距離固定端的距離；EI為抗彎剛度。

由式（4）可知，自由端的變形量與載荷成正比，與自由端距固定端距離的三次方成正比，與梁的抗彎剛度成反比。所以，距離搖臂座與壓板接縫處越遠(yuǎn)，變形越大。同時，沿遠(yuǎn)離固定孔方向，壓板的截面形狀在不斷發(fā)生改變。即，壓板的抗彎剛度EI不是恒定的，它沿遠(yuǎn)離固定孔方向不斷減小。

圖5 變形分析結(jié)果Fig．5 Deforamtion analysis results

壓板所受的應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在固定孔與圓柱凹槽之間的分割線位置，最大應(yīng)力值為41．589 5 MPa。這主要是因?yàn)楣潭撞糠峙c搖臂座通過缸蓋螺栓固定連接，而載荷的作用會使壓板左端向上彎曲，從而使壓板上表面受壓應(yīng)力，下表面受拉應(yīng)力。另外，通過計算結(jié)果可以看到，固定孔與圓柱凹槽之間所受的載荷普遍比較大。所以，可以通過增加該部位的材料來提高壓板強(qiáng)度。

圖6 應(yīng)力分析結(jié)果Fig．6 Stress analysis results

按照von Mises準(zhǔn)則判別壓板的安全系數(shù)，可以得到壓板的安全系數(shù)云圖，如圖7所示。由圖7可知，壓板的大多數(shù)區(qū)域安全系數(shù)比較一致，為最低值5．3。這說明，壓板可以滿足強(qiáng)度要求。壓板右側(cè)固定孔處安全系數(shù)非常高，如果考慮壓板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可以考慮減少該處的材料來降低成本。

3 結(jié)語

通過在Solidworks中建立自動減壓裝置中固定壓板的三維模型，分析了壓板的連接情況和載荷作用情況，據(jù)此，運(yùn)用Solidworks Simulation對壓板進(jìn)行了有限元分析。通過靜力分析可知，固定孔與圓柱凹槽之間的分割線處應(yīng)力最大，壓板右側(cè)固定孔處安全系數(shù)最高。在今后的優(yōu)化設(shè)計中，依據(jù)本結(jié)果對壓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，可以達(dá)到減小應(yīng)力、減少材料消耗和降低成本的目的。

圖7 安全系數(shù)云圖Fig．7 Safety coefficient of cloud

［1］牛剛學(xué)．柴油機(jī)自動減壓起動方案與潛力［J］．內(nèi)燃機(jī)與配件，2011（7）：33－34．

［2］陳超祥，胡其登．Solidworks Simulation高級教程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：35－53．

［3］二代龍震工作室．Solidworks＋Motion＋Simulation建模／機(jī)構(gòu)／結(jié)構(gòu)綜合實(shí)訓(xùn)教程［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2009：33－62．

［4］李金鳳，劉金環(huán)．工程力學(xué)［M］．大連：大連理工出版社，2005：180－187．

［5］王連森．機(jī)車柴油機(jī)氣門彈簧強(qiáng)度分析［J］．柴油機(jī)，2009（2）：39－41．

［6］彭宇，郝志勇．利用有限元技術(shù)獲得彈簧參數(shù)［J］．浙江大學(xué)學(xué)報，2008（10）：1 756－1 760．

［7］蔣祖星．熱能動力基礎(chǔ)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：430－453．

[責(zé)任編輯 胡修池]

Finite Element Analysis on Diesel Engine Automatic Decompressor Starter Device

Lian Meng1，Niu Gangxue2
（1．Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China；2．Kaifeng Yinuotai S＆T Ltd，Kaifeng 475004，Henan，China）

It analyzes the principle of diesel engine automatic decompressor devices，aiming at the decompressor devices of WP10 diesel engine，using Solidworks Simulation to finish the static analysis．Then it finds out the maximum stress of the shortest part，according to the Von Mises criterion，to differentiate the plate stiffness requirement．

Diesel engine；automatic decompressor starter device；fixed plate；static analysis

TH137.9

A

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．03．011

2016-12-27

連萌（1982-），男，河南鄭州人，講師，碩士，主要從事高校工程機(jī)械專業(yè)的教學(xué)和科研工作。