大缸徑船用柴油機曲軸復(fù)合圓角結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

邰強娟，徐志遠(yuǎn)，柳海濤 ，李繼光，王厚權(quán)，張琳琳

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061; 2.濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108

0 引言

近年來，市場對船用發(fā)動機提出了高功率、高可靠性、高經(jīng)濟性的要求。曲軸作為發(fā)動機的重要零部件，在發(fā)動機運行過程中發(fā)揮重要作用，設(shè)計過程中需重點關(guān)注其可靠性。如果曲軸設(shè)計不合理，不僅本身強度不能滿足要求，對其進行優(yōu)化時，其重要接觸件機體也可能需要重新設(shè)計，大大增加設(shè)計成本。因此設(shè)計時應(yīng)對曲軸的可靠性進行計算分析，使其滿足可靠性要求。

曲軸在不斷的周期性變化的缸內(nèi)壓力、旋轉(zhuǎn)和往復(fù)慣性力以及扭矩和彎矩的共同作用下工作，使曲軸既彎曲又扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，80%左右的曲軸破壞由彎曲疲勞產(chǎn)生[1]，導(dǎo)致曲軸各個圓角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，多數(shù)曲軸的破壞產(chǎn)生在主軸圓角和曲柄銷圓角區(qū)域[2]。

為提升大缸徑船用柴油機曲軸圓角疲勞安全系數(shù)，本文中使用AVL-PU軟件建立柴油機的工作過程模型，搭建機體、缸套、缸蓋、曲軸、連桿等零部件的總成模型，對曲軸進行動力學(xué)計算分析，得到圓角最低疲勞安全系數(shù)[3-5]，對不滿足限值要求的曲軸圓角，進行優(yōu)化分析，設(shè)計復(fù)合圓角方案，使其滿足可靠性要求。

1 仿真模型建立

以某直列、六缸、增壓中冷、缸內(nèi)直噴柴油機為研究對象，柴油機的主要參數(shù)如表1所示?；趯嶋H物理模型參數(shù)在AVL-PU軟件中建立仿真模型。為了最大程度還原柴油機在實際工作過程中的狀態(tài)，保證機體組件和曲軸總成以具體的網(wǎng)格模型導(dǎo)入整機建模中，進行動力學(xué)計算，再通過圓角部分的應(yīng)力恢復(fù)，進行最終的疲勞計算[6-7]，具體工作流程如圖1所示。

表1 柴油機的主要參數(shù)

圖1 計算流程圖

動力學(xué)模型主要由體單元、連接單元、載荷及參數(shù)設(shè)置等組成。在EXCITE軟件中搭建的動力學(xué)模型如圖2所示，圖中各個體單元為以子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合方式形成的柔性體總成結(jié)構(gòu)，各個連接單元通過各自界面進行設(shè)置。由圖2可知，動力學(xué)模型中的體單元包括曲軸軸系、機體組和連桿組，連接單元包括連桿大頭軸承、主軸承、活塞缸套導(dǎo)向單元以及止推軸承[8-9]。

圖2 某六缸柴油機曲軸系仿真模型

建模過程中注意：1)機體必須由實體網(wǎng)格模態(tài)減縮得到，以更好地保證其剛度和質(zhì)量；2)與曲軸接觸區(qū)域如軸瓦、主軸承壁等區(qū)域的網(wǎng)格必須細(xì)化，以保證曲軸應(yīng)力準(zhǔn)確；3)曲軸圓角處網(wǎng)格細(xì)化要求加密不少于12層，以保證計算精度[10]；4)本次建模設(shè)置的曲柄連桿機構(gòu)和機體模型應(yīng)為柔性體結(jié)構(gòu)。

曲軸總成的三維模型圖3所示。

圖3 曲軸總成三維模型

2 圓角疲勞安全系數(shù)計算

2.1 輸入載荷

最高運行工況下通過發(fā)動機性能試驗得到的缸內(nèi)壓力曲線如圖4所示。將缸壓曲線中的數(shù)據(jù)作為外部載荷輸入導(dǎo)入模型中，由計算分析可以得到該機型曲軸圓角處疲勞安全系數(shù)。

圖4 缸壓曲線

2.2 材料參數(shù)

曲軸材料為42CrMo4，其力學(xué)性能如表2所示，表中材料力學(xué)性能參數(shù)存活率為97.5%。

表2 曲軸材料力學(xué)性能 MPa

疲勞強度計算時考慮到各種影響因素對疲勞強度的影響，主要考慮應(yīng)力梯度、平均應(yīng)力、修正海格圖、統(tǒng)計影響，同時分散帶(10%～90%)為1.35、徑圓角強化系數(shù)為1.6、存活率為97.5%，疲勞安全系數(shù)參考限值為1.05。

2.3 計算結(jié)果

以疲勞安全系數(shù)最低的曲柄臂圓角為例，其主軸頸和曲柄銷圓角疲勞云圖如圖5、6所示。

圖5 主軸承圓角疲勞云圖 圖6 曲柄銷圓角疲勞云圖

由圖5、6可知，曲柄臂主軸承圓角和曲柄銷圓角最小疲勞安全系數(shù)分別為0.981和0.974，不滿足最低疲勞安全系數(shù)限值為1.05的要求。

3 復(fù)合圓角優(yōu)化與仿真計算

3.1 復(fù)合圓角方案

根據(jù)原復(fù)合圓角方案與圓角疲勞安全系數(shù)計算結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)成本、制造工藝等對曲軸主軸頸和連桿軸頸圓角進行優(yōu)化改進，改進方案為：1)優(yōu)化圓角結(jié)構(gòu)，加大復(fù)合圓角主圓角角度，避免圓角處應(yīng)力集中[11]；2)降低爆壓峰值，通過降低外部載荷來提高圓角疲勞安全系數(shù)；3)優(yōu)選曲軸材料[12]。

通過分析，結(jié)合制造工藝和低成本要求，考慮到降低爆壓峰值后會失去一部分柴油機性能[13]，確定采取復(fù)合圓角優(yōu)化措施。復(fù)合圓角優(yōu)化方案如圖7、8所示。

圖7 主軸頸復(fù)合圓角方案 圖8 曲柄銷軸頸復(fù)合圓角方案

由圖7、8可知，原方案中主軸頸復(fù)合圓角由R1、R2、R3、直線段組成，原曲柄銷復(fù)合圓角由R4、R5、直線段組成。設(shè)計3種優(yōu)化方案，總體原則為：加大主圓角，保留卸荷槽圓角R1，同時保證圓角凹入深度不要太深，避免影響曲柄的剛度。優(yōu)化前后主軸頸復(fù)合圓角和曲柄復(fù)合圓角方案如表3所示。

表3 優(yōu)化前后主軸頸圓角和曲柄銷圓角方案 mm

3.2 優(yōu)化方案仿真結(jié)果

對不同的復(fù)合圓角優(yōu)化方案進行對比仿真計算[14-15]，圓角疲勞安全系數(shù)結(jié)果如圖9、10所示。

圖9 主軸頸復(fù)合圓角不同方案計算結(jié)果云圖

圖10 曲柄銷復(fù)合圓角不同方案計算結(jié)果云圖

由圖9、10可知：方案一、二、三主軸頸圓角疲勞安全系數(shù)分別為1.016、1.026、1.075，曲柄銷圓角最小疲勞安全系數(shù)分別為0.956、0.965、1.064，方案3最小疲勞安全系數(shù)計算結(jié)果可以滿足大于1.05的限值要求，該優(yōu)化方案可以為實際應(yīng)用提供參考。

4 結(jié)論

應(yīng)用AVL-PU軟件建立某6缸大缸徑柴油機工作過程仿真模型，結(jié)合整機的實際結(jié)構(gòu)和運行工況，綜合考慮曲軸圓角的成本、制造、裝配等要求，對曲軸不同復(fù)合圓角的設(shè)計方案進行仿真計算，得出以下結(jié)論。

1)通過優(yōu)化復(fù)合圓角結(jié)構(gòu)，對優(yōu)化后的主軸頸圓角和曲柄銷圓角進行仿真對比計算，優(yōu)化后提升了圓角疲勞安全系數(shù)。

2)針對復(fù)合圓角結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化過程中，除優(yōu)化主圓角，應(yīng)盡可能保證其它圓角不變，降低應(yīng)力集中，提升疲勞安全系數(shù)，避免降低曲柄臂質(zhì)量對曲軸的影響，提高曲軸可靠性。

3)對大缸徑發(fā)動機復(fù)合圓角處進行仿真優(yōu)化處理，理論上提升了曲軸圓角疲勞安全系數(shù)，實際應(yīng)用時還需要進行曲軸疲勞及發(fā)動機耐久試驗驗證。