机车柴油机活塞改进前后曲柄连杆机构动力学对比分析

2010-08-08李明海牟恕宽

铁道机车车辆 2010年1期

李明海,王鹏,牟恕宽

(1 大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;2 大连机车车辆有限公司企业技术中心,辽宁大连116021)

随着铁路运输的提速以及重载,为提高机车用240/275系列柴油机活塞的寿命,通过一系列研究和试验,设计了一种新结构钢顶铝裙活塞。实际的运行情况说明新型的活塞在自身的性能上非常好。但是新型活塞在应用以后与原柴油机的匹配情况如何,是否对柴油机的运行工况起到了改善作用,特别是动力学性能方面的影响还不是十分清楚。本文从这一点出发,针对这一问题进行分析。希望对柴油机的改进起到一定的帮助作用。

本文以16V 240ZJ型柴油机为研究对象,运用GTCRANK软件建立比较精确的动力学虚拟样机,并且在柴油机虚拟样机内设定活塞的不同参数,模拟柴油机在不同活塞参数下的动力学特性,并作对比分析,进而确定合理的匹配方案。

1 虚拟样机的建立

柴油机在某一工况下稳定工作,可以认为曲轴是以恒定的角速度ω转动;连杆的运动比较复杂:一方面是随活塞做上下的往复运动,另一方面是由曲轴的转动产生连杆的平面摆动;活塞只是沿着气缸的上下往复运动。

用GT-CRANK软件建立包括气缸压力、活塞、连杆、曲轴、机体在内的虚拟模型,参数包括示功图、零部件的质量、几何尺寸、质心位置等,并且还添加零部件之间的接触及约束边界条件,最后在软件内部模型区组装16V 240ZJ型柴油机的虚拟样机。

运用GT-CRANK进行动力学建模,具体16V 240ZJ型柴油机动力学模型如图1。

2 样机正确性的验证

气缸内气体燃烧产生的爆发压力是柴油机的动力来源,是柴油机正常工作的根本。图2可以看出计算值曲线与试验值曲线在数值的大小和变化趋势上吻合得很好,误差在0.2%以内,验证了应用GT-CRANK软件进行柴油机动力学仿真的准确性。

3 设定参变量

图1 16V240ZJ型柴油机动力学虚拟样机模型(部分)

图2 气缸压力变化曲线

在活塞的改进过程中,最主要的变化就是活塞的质量。因此把活塞的质量设为参变量,按照软件的参变量设定方法进行。原来的球墨铸铁活塞质量是32.5 kg,而改进后的钢顶铝裙活塞的质量比球铁活塞的质量轻,大约是27.5 kg,质量减轻大约是15%。那么参变量就设为32.5 kg和 27.5 kg。

4 计算结果分析

4.1 活塞质量对部件接触力的影响

由图3和图4可以看到,随着活塞质量的减小,活塞销与曲柄销的应力平均值是变小的;但是它们的峰值变大,在其他情况下都是活塞质量小的时候应力小。这是因为在峰值情况下,活塞受到燃料的爆发压力作用,这个力是向下的,而活塞的惯性力是朝着反方向的,因此,在同样的爆发压力情况下,活塞质量小的惯性力小,抵消的爆发压力值也就小,作用在活塞销的上的力就大。曲柄销也是同样的情况。

4.2 活塞质量对输出扭矩的影响

由图5分析得知,活塞质量小的情况下,柴油机的输出扭矩平均值要比活塞大质量情况下要大,因为由于惯性力而消耗掉的有效功前者比后者小。但是质量大的扭矩峰值要大,这也是因为大的惯性力合成的原因(爆发压力峰值与输出扭矩的峰值有一个角度差)。

4.3 活塞质量对机体平衡性能的影响(图6)

4.4 活塞质量对主轴径轴承的影响(图7)

图3 活塞销载荷对比曲线

图4 曲柄销载荷对比曲线

图5 曲轴输出扭矩对比曲线

5 结论

(1)提出了在柴油机虚拟样机模型的基础上,对柴油机主轴径轴承进行分析,模拟结果证明这种方法是简便可行的;

(2)活塞质量变化之后相应的柴油机零部件接触应力和部件的工作状态也是变化的,但从曲线上看到,零部件的接触应力并不是随着活塞质量的变化而变化,它们之间不是线性关系;活塞质量的变化对主轴径轴承的动力学性能影响也不是很大;(3)总结结果可以看出,活塞质量的减小对整个柴油机的工作状态的改善是有好处的。用钢顶铝裙活塞代替球墨铸铁活塞从改善柴油机运行状态,提升柴油机性能是基本可行的,是有好处的。