主軸承壁強(qiáng)度計(jì)算載荷獲取方法對(duì)比研究

鄭茂勇 黃鵬 孫振宇

摘要： 針對(duì)某機(jī)型柴油機(jī)機(jī)體主軸承壁，分別采用兩種不同的主軸承載荷處理方式對(duì)機(jī)體主軸承壁強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比得出兩種載荷處理方式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，為柴油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中較快速、合理地對(duì)機(jī)體主軸承強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)、優(yōu)化提供參考。

Abstract： For main bearing wall of one engine， using two methods of simulating main bearing loads to calculate MBW HCF safety， find out difference of? the two methods in process of simulating MBW HCF safety. If the difference of the two methods could be considered reasonably in process of FEA of main bearing wall， the design of main bearing wall could be improved effectually.

關(guān)鍵詞： 機(jī)體主軸承壁;高周疲勞安全系數(shù);軸承載荷

Key words： main bearing wall;HCF safety;main bearing loads

中圖分類(lèi)號(hào)：TK429? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0026-02

0? 引言

借助EXCITE Designer及EXCITE Power Unit軟件獲取柴油機(jī)機(jī)體主軸承載荷，對(duì)于獲取的EXCITE Designer結(jié)果采取經(jīng)驗(yàn)公式的方式進(jìn)行偏移分布加載到主軸承軸瓦上;對(duì)于EXCITE Power Unit計(jì)算得出的EHD載荷載荷采用直接映射的方式映射至軸瓦有限元網(wǎng)格上。對(duì)比得出兩種載荷處理方式對(duì)機(jī)體主軸承壁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的影響。

1? 機(jī)體主軸承壁強(qiáng)度計(jì)算大致流程

柴油機(jī)機(jī)體主軸承壁強(qiáng)度計(jì)算分析流程如圖1所示。包括幾何模型輸入、網(wǎng)格劃分、計(jì)算獲得載荷條件、約束與邊界設(shè)置、求解評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。本文主要針對(duì)載荷條件對(duì)機(jī)體主軸承壁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比論述，對(duì)機(jī)體主軸承壁詳細(xì)計(jì)算過(guò)程不做贅述。

2? 主軸承載荷獲取

機(jī)體主軸承壁計(jì)算過(guò)程中，機(jī)體主軸承壁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果主要受模型約束邊界、主軸瓦及襯套過(guò)盈量、螺栓預(yù)緊力及主軸承載荷的影響。因主軸瓦及襯套過(guò)盈量及螺栓預(yù)緊力可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得，除去計(jì)算模型網(wǎng)格及約束邊界條件的影響，對(duì)計(jì)算結(jié)果精度影響最大的因素來(lái)之于主軸承載荷的獲取途徑及精度。本文針對(duì)主軸承壁強(qiáng)度計(jì)算的主軸承載荷均借助AVL-EXCITE軟件通過(guò)兩種途徑獲得。

2.1 EXCITE Designer主軸承載荷獲取? 一種機(jī)體主軸承壁載荷的獲取方式是參考AVL-EXCITE Designer軟件計(jì)算得出的主軸承載荷，考慮到動(dòng)力學(xué)因素的影響適當(dāng)采用放大值，依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)：柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)載荷約在靜態(tài)載荷的基礎(chǔ)上放大約20%，汽油機(jī)放大約30%～40%（本文以某型號(hào)柴油機(jī)為例，軸承載荷參考放大約20%）。主軸瓦載荷偏移量采用經(jīng)驗(yàn)值往缸內(nèi)壓力大的氣缸側(cè)偏移。軸瓦上的合力按照軸向拋物線、徑向120°余弦分布的方式施加。軸瓦力施加的方式如圖2及式（1）所示。

式中：Fp為作用在軸瓦上的徑向載荷，由DESIGNER軟件計(jì)算得出，D為軸瓦直徑，l=軸瓦寬度L×偏移百分比。

圖3所示為本次計(jì)算所選用的六缸柴油機(jī)采用AVL-EXCITE Designer軟件計(jì)算得出的第五主軸承載荷曲線。其中，徑向合力大小為考慮柴油機(jī)缸內(nèi)爆壓氣體力及曲軸、連桿、活塞慣性力的影響求得的主軸承載荷合力大小，軸向角度為主軸承合力與軸瓦所成的角度（以缸徑垂直向上為零度，從前端看順時(shí)針為正）。

2.2 EXCITE Power Unit主軸承載荷獲取? 另一種較精確的機(jī)體主軸承壁載荷的獲取方式是采用AVL-PowerUnit軟件計(jì)算得出的主軸承EHD油膜分布載荷，映射到有限元計(jì)算的主軸瓦內(nèi)表面單元上獲得相應(yīng)軸瓦載荷。該方法主軸承載荷的計(jì)算過(guò)程中充分考慮了機(jī)體、曲軸及柴油機(jī)機(jī)前后端連接件的實(shí)際彈性和剛度，計(jì)算結(jié)果更接近于柴油機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中的軸承載荷。圖4所示為本次計(jì)算所選用的六缸柴油機(jī)采用AVL-EXCITE Power Unit軟件計(jì)算得出的第五主軸承載荷曲線。其中，徑向合力大小求得的主軸承EHD載荷合力大小，軸向角度為主軸承合力與軸瓦所成的角度（同樣以缸徑垂直向上為零度，從前端看順時(shí)針為正）。

3? 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用兩種方式獲得的柴油機(jī)機(jī)體主軸承載荷分別對(duì)柴油機(jī)機(jī)體主軸承壁壁強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，本文主要對(duì)比考察了機(jī)體主軸承壁各關(guān)注部位高周疲勞安全系數(shù)這一重要指標(biāo)。采用兩種方式分別計(jì)算得到的機(jī)體主軸承壁高周疲勞安全系數(shù)云圖如圖5～圖7所示，由圖中可以看出：采用兩種計(jì)算方式獲得的主軸承載荷所計(jì)算得出的機(jī)體主軸承壁高周疲勞安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果非常接近，經(jīng)過(guò)對(duì)各位置高周疲勞安全系數(shù)較詳細(xì)對(duì)比得出：兩種載荷方式下機(jī)體主軸承壁主要考察區(qū)域的高周疲勞安全系數(shù)相差最多不超過(guò)8%。

4? 結(jié)論

①對(duì)于高速柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，采用EXCITE Designer獲取的軸承載荷，并考慮到動(dòng)力學(xué)因素的影響，適當(dāng)采用放大約20%采用經(jīng)驗(yàn)公式分布加載到主軸承軸瓦上，與采用較精確的EXCITE Power Unit計(jì)算得出的EHD載荷采用直接映射的方式映射至軸瓦有限元網(wǎng)格上計(jì)算得出的機(jī)體主軸承壁高周疲勞安全系數(shù)非常接近，精度完全可以滿足工程設(shè)計(jì)的要求。②在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期可以采用EXCITE Designer獲取的軸承載荷較快速地對(duì)機(jī)體主軸承壁強(qiáng)度進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。

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