往復(fù)慣性力平衡率對(duì)雙對(duì)置曲軸強(qiáng)度影響研究

王紅麗 吳波 劉長(zhǎng)振 郝勇剛 白軍愛

摘要：雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)由于結(jié)構(gòu)的特殊性和結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致內(nèi)外活塞的一階往復(fù)慣性力不相等。內(nèi)外活塞的一階往復(fù)慣性力平衡率的高低，對(duì)內(nèi)曲柄臂彎矩和主軸承載荷有影響。本文創(chuàng)建了內(nèi)外活塞的一階往復(fù)慣性力和平衡率的計(jì)算公式，通過計(jì)算曲軸在不同一階往復(fù)慣性力平衡率下主軸頸載荷和內(nèi)曲柄臂彎矩，分析影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算不同平衡率下曲軸的強(qiáng)度，找出曲軸強(qiáng)度隨著平衡率的增大而減小的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：曲軸;平衡率;強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TK422.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）08-0007-03

0? 引言

對(duì)置氣缸對(duì)置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱雙對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，雙對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)內(nèi)連桿和四個(gè)外連桿，內(nèi)連桿位于曲軸的中間，連接內(nèi)活塞;每缸兩個(gè)外連桿位于曲軸兩側(cè)，通過外連桿橋與外活塞相連，內(nèi)外活塞組成燃燒室。內(nèi)外活塞上的的燃?xì)鈮毫Υ笮∠嗟龋较蛳喾?，若同時(shí)內(nèi)外活塞的一階往復(fù)慣性力大小相等，則能實(shí)現(xiàn)全平衡，整機(jī)的振動(dòng)噪聲小[1]。通過計(jì)算曲軸在不同的一階往復(fù)慣性力平衡率下主軸頸的載荷，分析平衡率對(duì)主軸頸載荷和內(nèi)曲柄臂彎矩影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算不同平衡率下曲軸的強(qiáng)度，找出平衡率對(duì)曲軸強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1? 往復(fù)慣性力及平衡率分析

1.1 往復(fù)慣性力

雙對(duì)置二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的左內(nèi)連桿曲柄和左外連桿曲柄夾角158°，右內(nèi)連桿曲柄和右外連桿曲柄夾角160°，曲軸結(jié)構(gòu)見圖1，曲柄銷布置見圖2。其一階往復(fù)慣性力計(jì)算公式與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)如下[2]。

活塞組件和連桿小頭在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力，用Pj表示。一階往復(fù)慣性力：

左內(nèi)活塞一階往復(fù)慣性力Pjln1：

左外活塞一階往復(fù)慣性力Pjlw1：

右內(nèi)活塞一階往復(fù)慣性力Pjrw1：

右外活塞一階往復(fù)慣性力：

式中：mn——內(nèi)活塞組件質(zhì)量及內(nèi)連桿往復(fù)質(zhì)量之和;mw——外活塞組件質(zhì)量及外連桿往復(fù)質(zhì)量之和;R1、R2——內(nèi)、外曲柄回轉(zhuǎn)半徑，mm;？棕——曲柄角速度，？棕=n？仔/30;？琢——曲軸轉(zhuǎn)角° 。

1.2 一階往復(fù)慣性力平衡率計(jì)算

一階往復(fù)慣性力平衡率（簡(jiǎn)稱平衡率）=內(nèi)活塞一階往復(fù)慣性力/外活塞一階往復(fù)慣性力[3]，左缸平衡率=，右缸平衡率=。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，定義：平衡率=，即內(nèi)活塞側(cè)往復(fù)質(zhì)量和回轉(zhuǎn)半徑的乘積除以外活塞側(cè)往復(fù)質(zhì)量和回轉(zhuǎn)半徑的乘積。由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)內(nèi)活塞側(cè)的mnR1小于外活塞側(cè)的mnR2，即平衡率數(shù)值介于0和1之間。

2? 曲軸斷裂現(xiàn)象

樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，當(dāng)運(yùn)行在2200r/min，有效運(yùn)行時(shí)間25 h時(shí)，突然發(fā)生曲軸斷裂的故障。經(jīng)過拆檢發(fā)現(xiàn)，曲軸沿靠近飛輪側(cè)的內(nèi)外連桿軸頸曲柄臂處斷裂，斷裂起始裂紋源為內(nèi)連桿軸頸圓角處見圖3，該處為結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域。

3? 平衡率對(duì)曲軸載荷影響

3.1 平衡率對(duì)曲軸主軸承載荷影響

由于外連桿比內(nèi)連桿要長(zhǎng)的多，而且氣密性的需要外活塞比內(nèi)活塞也要長(zhǎng)得多，這就導(dǎo)致內(nèi)活塞側(cè)往復(fù)質(zhì)量小于外活塞側(cè)往復(fù)質(zhì)量，從而使方向相反內(nèi)外活塞的一階往復(fù)慣性力不平衡，由于結(jié)構(gòu)限制，內(nèi)外活塞的一階往復(fù)慣性力平衡率達(dá)不到100%。

缸內(nèi)氣體燃燒壓力是曲軸承受的主要載荷，在曲軸結(jié)構(gòu)特征一定和燃燒壓力一定的情況下，保持外活塞質(zhì)量不變通過改變內(nèi)活塞的質(zhì)量，得到不同20%、40%、60%、80%、100%的一階往復(fù)慣性力平衡率。采用動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件ADAMS/View，對(duì)算例雙對(duì)置曲軸系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真分析，考察作用于曲軸主軸頸載荷和內(nèi)曲柄臂彎矩的分布情況，得到主軸承載荷計(jì)算結(jié)果。由結(jié)果可知隨著內(nèi)外活塞一階往復(fù)慣性力平衡率的提高，主軸承載荷顯著減小，平衡率由20%提高到100%時(shí)，載荷降低了85%左右，主軸承所受載荷合力顯著減小。

3.2 平衡率對(duì)曲軸內(nèi)曲柄臂彎矩影響

經(jīng)受力分析，爆發(fā)時(shí)刻內(nèi)連桿軸頸受壓力，外連桿軸頸受拉力。缸內(nèi)燃燒壓力主要作用在內(nèi)曲柄臂上，內(nèi)曲柄臂承受較大的彎曲載荷。在動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到不同平衡率下內(nèi)曲柄臂的彎矩。

由彎矩結(jié)果可知，在一階往復(fù)慣性力平衡率為20%時(shí)，內(nèi)曲柄臂所受彎矩最大值為5755.23Nm;平衡率為100%時(shí)，內(nèi)曲柄臂所受合彎矩最大值為3213.49Nm，比20%的彎矩降低了44%。隨著內(nèi)外活塞一階往復(fù)慣性力平衡率的提高，內(nèi)曲柄臂彎矩顯著減小，其影響曲線見圖4。

4? 平衡率對(duì)曲軸強(qiáng)度影響

在動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)曲軸施加不同平衡率下的載荷，采用Ansys-Workbench有限元計(jì)算軟件對(duì)曲軸進(jìn)行計(jì)算。采用平衡力系法加載，模擬曲軸的工作狀態(tài)[4]。有限元模型的所有實(shí)體部分，均采用十節(jié)點(diǎn)四面體單元。在應(yīng)力集中嚴(yán)重的主軸頸與曲柄臂過渡圓角處、曲柄銷與曲柄臂過渡圓角處均采用單元長(zhǎng)度為2mm的細(xì)網(wǎng)格，其余部分根據(jù)計(jì)算要求采用的單元長(zhǎng)度為7mm，在有限元模型中需施加相應(yīng)的位移邊界約束條件，加載情況見圖5。

計(jì)算得出各方案的最大主應(yīng)力云圖見圖6，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)連桿軸頸圓角處。由結(jié)果可知，平衡率為20%時(shí)，曲軸最大主應(yīng)力和等效應(yīng)力為801.9MPa和861.9MPa，隨著平衡率的提高到100%時(shí)，曲軸最大主應(yīng)力和等效應(yīng)力為440.7MPa和472.5MPa，分別降低了41%和45%?？梢娗S最大應(yīng)力和最大等效應(yīng)力隨一階往復(fù)慣性力平衡率的增加而減小，其影響曲線見圖7。曲軸的安全系數(shù)隨一階往復(fù)慣性力平衡率的增加而減小，其影響曲線見圖8。

5? 故障解決

經(jīng)過對(duì)斷裂曲軸故障分析，此樣機(jī)的一階往復(fù)慣性力平衡率為47%，內(nèi)曲柄臂承擔(dān)載荷過大。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將平衡率提高至85%，降低了內(nèi)曲柄臂載荷，該樣機(jī)順利通過50個(gè)小時(shí)考核試驗(yàn)。

6? 總結(jié)

通過計(jì)算分析，找出一階往復(fù)慣性力平衡率對(duì)主軸承載荷和內(nèi)曲柄臂彎矩的影響規(guī)律以及一階往復(fù)慣性力平衡率對(duì)曲軸強(qiáng)度的影響規(guī)律。①主軸承載荷隨著一階往復(fù)慣性力平衡率的增大而減小。②內(nèi)曲柄臂所受彎矩隨著一階往復(fù)慣性力平衡率的增大而減小。③曲軸最大應(yīng)力和等效應(yīng)力隨一階往復(fù)慣性力平衡率的增加而減小。④曲軸的疲勞安全系數(shù)隨一階往復(fù)慣性力平衡率的增加而增大。

提高內(nèi)外活塞的一階往復(fù)慣性力平衡率可以有效降低主軸承載荷和內(nèi)曲柄臂彎矩，從而降低曲軸最大主應(yīng)力，提高曲軸的疲勞安全系數(shù)，是雙對(duì)置柴油機(jī)曲軸系設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：286-298.

[2]（英）皮羅（Pirault，J.P.），（英）弗林特（Flint，M.）對(duì)置活塞發(fā)動(dòng)機(jī)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012：4-6.

[3]馬勝利.雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)軸系運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析[C].上海：2012年中國(guó)特種發(fā)動(dòng)機(jī)工程及應(yīng)用學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2012，77-81.

[4]史照熙.柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1984：583-613.