曲軸平衡塊配置對比應(yīng)用研究

0 引言

為了滿足日益提高的排放法規(guī)要求，同時降低燃油消耗，輕量化設(shè)計成為目前發(fā)動機設(shè)計的主要方向。曲軸質(zhì)量在發(fā)動機總質(zhì)量中的占比較大，故曲軸的輕量化設(shè)計對發(fā)動機輕量化較為重要。直列四缸發(fā)動機曲軸通常采用曲拐夾角為180°的四拐五檔設(shè)計，本身已實現(xiàn)動平衡。但是這種結(jié)構(gòu)存在比較大的內(nèi)彎矩，曲軸高速旋轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)容易造成曲軸的變形。為了改善曲軸內(nèi)部不平衡，減少主軸承負(fù)荷、內(nèi)力矩及保證最小油膜厚度等，需要合理布置平衡重。一般四缸機是全平衡的設(shè)計，平衡重的質(zhì)量矩相同且成鏡面對稱布置，通常采用八平衡塊或四平衡塊設(shè)計。作者以國內(nèi)知名的柴油發(fā)動機制造企業(yè)開發(fā)的國六3.0L輕型柴油發(fā)動機為例，前期按照八平衡塊方案設(shè)計曲軸，該方案曲軸滿足發(fā)動機扭振、整機振動及可靠性等需求，但是這種平衡塊布置導(dǎo)致曲軸重量偏重。因此，基于輕量化的考慮，進(jìn)一步開發(fā)四平衡塊曲軸。通過對兩種不同平衡重布置方案的曲軸的平衡率、扭振、結(jié)構(gòu)強度、主軸承EHD的計算對比，結(jié)合臺架試驗進(jìn)一步驗證兩種方案對發(fā)動機扭振及整機振動、可靠性等影響，來驗證為實現(xiàn)降重而采用四平衡塊配置曲軸方案的可行性。

根據(jù)式（17）可以計算得到點云中的某三維點X所對應(yīng)于候選紋理視圖中的像素坐標(biāo)。僅當(dāng)計算得到的像素坐標(biāo)pi位于候選視圖的圖像范圍內(nèi)可見，則將pi所在像素坐標(biāo)的顏色信息賦予三維點X作為紋理信息。

表1為發(fā)動機基本參數(shù)。

1 設(shè)計計算

1.1 曲軸平衡率計算

該機型四平衡塊曲軸和八平衡塊曲軸設(shè)計如圖1所示。兩個方案曲軸的平衡率對比如下：

(1)四平衡塊曲軸平衡率41%；

(2)八平衡塊曲軸平衡率52%。

世界各國的兒童，3周歲的時候就被帕帕國用輪船接走(大人不許送子女去帕帕國，如有不從，要被處以相當(dāng)重的罰款)，滿16周歲，帕帕國輪船將他們送回自己的國家，這時他們都已成才了，可以回去建設(shè)祖國。孩子們在帕帕國每年享有3個月時間的“團(tuán)圓假”，回家去同各自的父母團(tuán)圓，共享天倫之樂。

四平衡塊曲軸的平衡率相對八平衡塊曲軸有明顯的降低，有可能會造成主軸瓦潤滑變差，需要計算主軸承EHD確認(rèn)主軸承潤滑情況再做進(jìn)一步評價。

1.2 扭振計算

經(jīng)對各支腳測點振動對比分析可知，發(fā)動機左、右前支腳及右后支腳振動中， 2階振動為主要振動。各測點各方向2階振動測試結(jié)果如圖6。

此次改造耗時40天，改造后煙化爐余熱鍋爐運行平穩(wěn)，第一、第二對流管束頂部燒損的問題得到解決，改造取得了良好效果，滿足工藝生產(chǎn)的需求。具體運行效果如下：

除曲軸不同外，其余邊界輸入一致進(jìn)行扭振計算。扭振計算結(jié)果中，扭轉(zhuǎn)角位移如圖2、圖3所示：

（二）語文教學(xué)自由化。語文教學(xué)自由化包括尊重學(xué)生的自由。小學(xué)階段，學(xué)生的身心均需要處于一個良好的、輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境當(dāng)中。該種學(xué)習(xí)環(huán)境并非無紀(jì)律性的環(huán)境，而是通過輕松的學(xué)習(xí)氛圍營造自由的學(xué)習(xí)狀態(tài)。只有在此情況下，學(xué)生方能夠根據(jù)自己內(nèi)心的需求，逐漸敞開自己的內(nèi)心，由此更加自由的進(jìn)行問題的思索與學(xué)習(xí)。蓋章教學(xué)模式下，學(xué)生能夠享受到學(xué)習(xí)的快樂，亦能夠獲得學(xué)習(xí)的成功，收獲豐富的知識。相對于傳統(tǒng)的“你方唱罷我登場”的問答教學(xué)方式，教學(xué)效果更加明顯。

由計算結(jié)果可見，兩個方案曲軸最大單階次扭轉(zhuǎn)振幅均在4階，其中四平衡塊曲軸方案扭轉(zhuǎn)振幅值為0.18deg，比八平衡塊方案的0.15deg，增加20%；四平衡塊曲軸方案合成階最大扭轉(zhuǎn)振幅為0.5deg，相對八平衡塊曲軸方案的0.49deg變化不大。兩種狀態(tài)曲軸單階及合成階振幅均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 曲軸強度計算

曲軸強度計算采用多體動力學(xué)和有限元相結(jié)合的方法計算曲軸強度，多體動力學(xué)使用AVL EXCITE建模，模型如圖4所示。

惡性病變共有10例，主要分布在胸部與腹部，CT檢查顯示病灶區(qū)域密度不均勻，有點狀鈣化病灶存在，病變周圍組織出現(xiàn)受壓，增強掃描檢查顯示病灶區(qū)域有不均勻強化。MRI檢查顯示頸部為T1WI、T2WI高信號，增強掃描不存在強化。

通過動力學(xué)計算得到主軸頸和曲柄銷的載荷譜結(jié)果，結(jié)合ABAQUS有限元軟件獲取半拐模型的單位載荷結(jié)果，用Femfat軟件計算曲軸圓角最小疲勞安全系數(shù)。

曲軸強度計算結(jié)果為：

(1)四平衡塊曲軸主軸頸圓角最小疲勞安全系數(shù)為1.57，在第五個曲柄臂處；曲柄銷最小疲勞安全系數(shù)為1.32，在第四個曲柄臂處。

(2)八平衡塊曲軸主軸頸圓角最小疲勞安全系數(shù)為1.67，在第五個曲柄臂處；曲柄銷圓角最小疲勞安全系數(shù)為1.22，在第五個曲柄臂處。

四平衡塊曲軸相對于八平衡塊曲軸，主軸頸圓角最小疲勞安全系數(shù)降低5.98%，而曲柄銷圓角最小疲勞安全系數(shù)增加8.20%，均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)。兩種狀態(tài)曲軸結(jié)構(gòu)強度差異較小，不同部位各有優(yōu)劣，可安排可靠性試驗進(jìn)一步驗證。

1.4 主軸承EHD計算

從1981—2017年南豐柑橘發(fā)展來看，種植面積在20世紀(jì)80年代逐年增加，產(chǎn)量呈上升趨勢，平均單產(chǎn)為5 100 kg／hm2。受1991年凍害影響，全縣有2／3以上的樹凍死，后期屬恢復(fù)生產(chǎn)期，種植面積從1992年的1 358 hm2到2000年的12 102 hm2，增長了近10倍。2001—2010年，柑橘種植面積從12860hm2增至38 709 hm2。2011—2013年，種植面積持續(xù)增加，2013—2017年種植面積穩(wěn)定在46 470 hm2，平均單產(chǎn)在 27 588 kg／hm2。

如前面所述，曲軸平衡塊配重方案改變，平衡率改變，四平衡塊曲軸平衡率相對八平衡塊曲軸明顯降低。而平衡率改變會影響主軸頸對軸瓦的載荷分布及大小，故需要評估不同平衡率狀態(tài)曲軸對主軸瓦EHD的影響。通過主軸承EHD計算，能夠有效預(yù)測軸承和軸徑的受載情況以及軸承內(nèi)油膜潤滑情況。按同樣的邊界輸入，分別對兩種狀態(tài)曲軸進(jìn)行主軸承EHD計算，結(jié)果對比如表2。

發(fā)動機扭振測試結(jié)果顯示，扭振主要階次為4階、6階、8階，測試結(jié)果如圖5。

2 臺架測試

通過仿真計算結(jié)果可見，四平衡塊方案曲軸扭振、結(jié)構(gòu)強度、主軸承EHD計算均滿足設(shè)計評價要求，在該型號柴油機上應(yīng)用理論上是可行的。下一步需要再通過試驗驗證兩種曲軸方案在該發(fā)動機上的扭振、整機振動和可靠性差異，進(jìn)一步確認(rèn)四平衡塊配置曲軸方案在該機型上應(yīng)用的可行性。

2.1 扭振及振動測試

兩個曲軸方案的扭振及振動對比，通過控制相同的測試邊界，在同一臺發(fā)動機上，分別換裝四平衡塊和八平衡塊曲軸進(jìn)行試驗。

通過實際生產(chǎn)的經(jīng)驗證明，利用CORS技術(shù)進(jìn)行地形圖測量相比常規(guī)的測量手段有很大的優(yōu)越性，不僅節(jié)省了人工成本，測點密度也能符合成圖的需求，有效地提高了測圖的效率[2]。

2.1.1 發(fā)動機扭振測試

(1)發(fā)動機與臺架的連接采用橡膠軟墊，與測功機采用連接盤連接；

(2)將扭振工裝安裝在曲軸自由端，發(fā)動機全負(fù)荷運行，從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(800r/min)程控在約120s內(nèi)均勻加速到發(fā)動機標(biāo)定點轉(zhuǎn)速停止，采集軸系扭振數(shù)據(jù)，反復(fù)多次，選擇最有代表的一組數(shù)據(jù)讀取扭振值。

生物炭對鹽漬化農(nóng)田土壤的改良效果研究進(jìn)展………………………………………………………………… 王 凡，屈忠義（68）

具體的試驗方法如下：

通過對兩個方案開展EHD分析發(fā)現(xiàn)：四平衡塊曲軸方案在最大扭矩點工況下，最大總壓、粗糙接觸壓力及摩擦功率損失比率這幾個指標(biāo)是劣化的，劣化率較高；而在標(biāo)定點和超速點工況下無明顯劣化，甚至有些指標(biāo)是得到較大的改善。兩個方案曲軸的計算結(jié)果均在評價標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。四平衡塊曲軸相對八平衡塊曲軸，不同工況EHD計算對比有劣化、有改善，針對劣化的指標(biāo)的影響，可通過可靠性試驗進(jìn)行驗證。

由上圖可知，裝四平衡塊曲軸與八平衡塊曲軸相比，發(fā)動機主要階次(4階、6階、8階)扭振大小基本相當(dāng)，扭振主要階次的最大值遠(yuǎn)小于參考限值，均滿足評價要求。

從古代的挖泥法到今天水利疏浚工程，河道清淤疏浚技術(shù)已日漸成熟。如今在有關(guān)管理部門的努力下，我國加大了對清淤疏浚技術(shù)和人才的投入，水利疏浚也成為治理江河的關(guān)鍵 工程。造成河道淤積的原因有很多種, 像河道不穩(wěn)定，植被覆蓋少，氣候干旱以及嚴(yán)重的水土流失等都會造成很多泥沙匯入河道。有些地區(qū)是因為土壤為細(xì)砂性風(fēng)砂土,結(jié)構(gòu)較松散，因此沙塵暴天氣多，沙塵落入堵塞河道。針對巨大清淤需求,采用機械清淤進(jìn)行大面積地處理，是目前主要的方法。清淤疏?；謴?fù)河道的抗洪和灌溉能力，促進(jìn)水資源的健康持續(xù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2.1.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動

同一臺發(fā)動機，分別裝兩種方案曲軸進(jìn)行怠速、最大扭矩點轉(zhuǎn)速、標(biāo)定點轉(zhuǎn)速測試，評估對比四平衡塊曲軸與八平衡塊曲軸對轉(zhuǎn)速波動的影響差異，結(jié)果如表3。由表3可知，裝四平衡塊曲軸的發(fā)動機與裝八平衡塊曲軸的發(fā)動機相比，轉(zhuǎn)速波動基本相當(dāng)。

2.1.3 發(fā)動機整機振動測試

針對溫度上升，作物蒸騰加速、水分損失增多、干旱發(fā)生幾率加大的情況，采用先進(jìn)的滴灌、噴灌、滲灌、微灌等技術(shù)，減少無效蒸散和滲漏，提高作物的水分利用效率。

在同一臺發(fā)動機上分別換裝四平衡塊曲軸和八平衡塊曲軸，臺架連接機腳及軟墊一致。布置左、右前支腳及右后支腳測點(左后支腳由于臺架空間原因無法布置，故后端只有右后支腳測點)。

曲軸扭振計算主要采用AVL-Designer軟件，其中曲軸剛度的計算使用Abaqus有限元軟件。

課題組在長三角地區(qū)的蘇州、無錫、杭州和上海四地的勞動力市場發(fā)放了3 400份調(diào)查問卷。利用“出生時的戶籍”（城市/農(nóng)村）、“近30年來家中是否有過被征地的情況”（有過/未曾有過）這兩道題遴選出失地農(nóng)民（這兩道題是參與上述開放式問題作答的前置條件），在剔除掉無效作答樣本之后，最終獲得有效樣本513份。這些樣本的被試，均具有出生時為“農(nóng)村”戶籍、近30年來家中“有過”被征地情況的特征。鑒于這些被試都在勞動力市場中求職，可將其視作“失業(yè)或無業(yè)狀態(tài)”中的失地農(nóng)民。被試的人口學(xué)特征如表1所示。

由圖6可知：

(1)發(fā)動機左前機腳主要振動中，裝四平衡塊曲軸和裝八平衡塊曲軸相比，上下、左右方向2階振動基本相當(dāng)；前后方向2階振動略大。

(2)發(fā)動機右前機腳主要振動中，裝四平衡塊曲軸和裝八平衡塊曲軸相比，前后、上下方向2階振動基本相當(dāng)；左右方向2階振動略小。

(3)發(fā)動機右后機腳主要振動中，裝四平衡塊曲軸和裝八平衡塊曲軸相比，上下方向2階振動基本相當(dāng)；前后、左右方向2階振動略大。

由發(fā)動機整機振動對比結(jié)果可見，發(fā)動機裝四平衡塊曲軸相對裝八平衡塊曲軸，整機振動略大，但差異不明顯。

2.2 可靠性測試

裝四平衡塊曲軸方案和八平衡塊曲軸方案的發(fā)動機，分別開展500h三超(超速、超負(fù)荷、超爆壓)可靠性試驗及負(fù)荷循環(huán)可靠性試驗，試驗過程監(jiān)控均無異常，試驗完成后拆檢，曲軸及相關(guān)部件均無異常，均通過可靠性考核。。

3 結(jié)論

綜述，通過對該輕型柴油發(fā)動機進(jìn)行兩種曲軸平衡塊配置方案的仿真計算及臺架試驗對比表明：

(1)四平衡塊曲軸相對八平衡塊曲軸，無論是仿真計算，或是臺架試驗實測，發(fā)動機扭振主要階次最大振幅、合成階最大振幅相當(dāng)；實測發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動、整機振動相當(dāng)；

(2) 四平衡塊曲軸相對八平衡塊曲軸，平衡率相對低；但曲軸結(jié)構(gòu)強度、主軸承EHD計算結(jié)果評價指標(biāo)各有優(yōu)劣；均通過可靠性試驗考核。

因此，該輕型柴油發(fā)動機采用四平衡塊配置曲軸替代八平衡塊配置曲軸是可行的。該發(fā)動機通過采用簡化平衡塊配置曲軸方案實現(xiàn)了重量降低，達(dá)到輕量化的目的，同時降低發(fā)動機成本，提高了該機型的市場競爭力。

[1]畢玉華;申立中;雷基林;徐躍強，曲軸平衡塊配置對曲軸動力潤滑特性影響的仿真研究[J]，昆明理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013-02-15.

[2]徐躍強;畢玉華;申立中;雷基林，發(fā)動機主軸承EHD分析研究，科學(xué)技術(shù)與工程[J]，2010-12-08.

[3]程勉宏;龔鵬;李播博，發(fā)動機扭轉(zhuǎn)振動試驗研究，汽車實用技術(shù)[J]，2020-09-30.