李 鑫, 王志刚, 万荣华, 彭 博, 雷云龙



基于虚拟样机技术的鱼雷周转斜盘发动机动力学分析

李 鑫1, 王志刚2, 万荣华1, 彭 博1, 雷云龙1

(1. 中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西 西安, 710075; 2. 海军装备部, 北京, 100841 )

为了在鱼雷发动机的设计阶段进行正确选型, 基于虚拟样机技术, 建立了不同型式周转斜盘发动机的动力学模型, 包括静缸式直导槽发动机、转缸式直导槽发动机、静缸式“8”字导槽发动机和转缸式“8”字导槽发动机, 并运用ADAMS软件对以上型式的发动机动力学性能进行了仿真分析。仿真结果表明, 从发动机的总体启动性能、自平衡性、关键零部件之间的受力状态以及工作平稳性等方面综合考虑, 转缸式直导槽周转斜盘发动机相比较其他型式的发动机, 可基本实现自平衡, 转速输出波动不大, 在工程上应优先采用。

鱼雷; 周转斜盘发动机; 虚拟样机; 动力学模型

0 引言

鱼雷周转斜盘发动机的动力传动机构为空间连杆机构, 工作过程中各个零件在空间作复杂运动, 且由于约束型式的不同使其运动更加具有多样性。以往对周转斜盘发动机动力学的仿真分析多采用理论计算的方法, 且由于运动的复杂性其分析一般建立在一些简化的基础上, 在某些非线性的环节, 用传统的分析方法相当繁琐甚至难于计算。而运用虚拟样机技术, 通过3D模型的定义, 参数化的建模工具, 可以精确地模拟物理模型, 得到更多更精确的结果, 可以从全局上对发动机进行多方案的评估和优化设计[1]。

在发动机的设计阶段, 对发动机型式的选择显得尤为重要, 型式的差异将对发动机的动力性和经济性指标产生较大影响。本文运用ADAMS软件建立了各种不同型式周转斜盘发动机的虚拟样机模型, 并对它们的动力学性能进行了比较分析, 通过分析比较结果可对发动机设计阶段的选型提供重要的理论依据。

1 周转斜盘发动机的虚拟样机建模及工作原理

周转斜盘发动机按内外轴约束形式的不同,可分为转缸式斜盘发动机(斜轴不动, 缸体转动), 静缸式斜盘发动机(斜轴旋转, 缸体固定)以及对转式周转斜盘发动机(内外轴同时转动)。目前已有工程应用背景的有转缸式和静缸式周转斜盘发动机。斜盘和缸体之间可采用锥齿轮约束机构, 滚轮直导槽约束机构(见图1)和“8”字导槽约束机构(见图2)来保证转动部件的同步性以及内外轴转矩的可靠传递。由于锥齿轮约束机构在工作过程中会造成较大的振动和噪声[2], 工程上一般用直导槽和“8”字导槽约束机构代替。因此, 本文所做的分析主要针对采用直导槽或“8”字导槽约束机构的转缸式和静缸式周转斜盘发动机展开。

图1 周转斜盘发动机虚拟样机

图2 “8”字导槽约束机构

运用unigraphics软件对周转斜盘发动机进行了建模和装配, 如图1所示。

其工作原理: 缸内的高温高压气体推动活塞做功, 活塞通过连杆将力传递给斜盘, 斜盘挤压斜轴, 由于斜轴在空间倾斜一定的角度, 斜盘和斜轴之间将产生沿发动机轴线方向的驱动转矩, 从而将活塞的往复运动转换为输出轴的旋转运动, 滚轮和导槽之间形成滚轮导槽约束机构, 以保证运动部件的同步性[3]。

2 周转斜盘发动机的动力学分析

通过parasolid格式将unigraphics下的模型导入ADAMS中进行动力学分析。然后在ADAMS中定义相对运动部件的材料、密度、运动副、驱动力以及阻力矩[4]。

为了使结果更具可比性, 现假设所有型式发动机的轴功率为120 kW, 转速为2 000 r/min, 质量为63 kg。然后根据功率和转速以及配气关系对发动机的缸内工作过程进行数值模拟, 得到了一个周期内各个气缸(见图3)的驱动力随转角的变化曲线, 如图4所示, 将它作为发动机的驱动力。

图3 缸号表示

图4 6个缸的缸内压力曲线

2.1 不同滚轮导槽约束型式发动机动力学对比

2.1.1 对活塞速度影响

从仿真曲线可以看出, 采用直导槽约束机构, 1缸、2缸和3缸活塞的运动将变得不对称, 即1, 2, 3缸的活塞运动到同一空间位置时, 其速度将有少许差别(见图5), 而采用“8”字导槽约束机构, 各个缸活塞的运动将变得严格对称, 活塞的运动更为平稳(见图6)。

图5 直导槽活塞速度

图6 “8”字导槽活塞速度

2.1.2 对缸体和斜盘转速影响

直导槽约束机构缸体和斜盘的转动角速度不同步(见图7), 它们的转动角速度均有较大波动, 每个气缸连杆前球心和后球心的运动状态在主轴转到同一空间位置时不一致, 使得各缸活塞的侧向力也有较大差异。“8”字导槽约束机构使得缸体和斜盘的转动角速度基本严格同步且比较平稳(见图8), 保证了各个气缸运动和受力的一致性, 避免某一缸活塞在工作过程中承受过大的侧向力。

2.1.3 对滚轮和导槽之间受力影响

采用直导槽约束机构滚轮始终和一侧导板有力的作用, 换向时也紧贴导板, 不会产生冲击力(见图9)。“8”字导槽约束机构采用6个滚轮和导槽, 6个滚轮中对称的一对将同时工作, 且相邻的滚轮工作时存在重叠。工作过程中滚轮和导板之间并不是一直接触, 在滚轮和导板由不接触变为接触也就是在滚轮换向时, 它们之间存在着较大的高频换向冲击力(见图10)。

图7 直导槽缸体和斜盘转速

图8 “8”字导槽缸体和斜盘转速

图9 直导槽滚轮和导槽作用力

图10 “8”字导槽滚轮和导槽作用力

2.2 不同型式发动机对转速和启动过程影响

从内外轴约束型式来说, 静缸式发动机转速波动较大, 转缸式较为平稳(见图11和图12)。从滚轮导槽约束型式来说, 采用“8”字导槽约束机构的发动机其转速比采用直导槽约束机构的转速平稳(见图13和图14)。从实际过程定性分析, 转缸式发动机和静缸式发动机比较, 其外轴转动部件较多, 回转半径大, 从一定程度上对转速的波动有阻尼作用; 而采用“8”字导槽的转缸式发动机其缸体和斜盘保持严格同步, 因此其转速基本没有波动, 可以保证发动机功率的稳定输出, 这些和仿真曲线达到了很好的一致性。但在启动速度方面, 静缸式发动机明显比转缸式快。

图11 静缸式直导槽发动机转速

图12 转缸式直导槽发动机转速

图13 静缸式“8”字导槽发动机转速

图14 转缸式“8”字导槽发动机转速

2.3 周转斜盘发动机的动平衡分析

周转斜盘发动机为高速旋转机械, 缸内压力较高且频繁进行着进气、膨胀、排气、压缩过程, 空间运动复杂, 且加速度较高, 在工作过程中会产生惯性力和惯性力矩, 作用在动力装置和雷壳的连接装置上(如图1中的连接处1和连接处2), 最终作用在壳体上引起整个鱼雷的振动。因此, 可以从连接处1和连接处2的受力来对发动机的动平衡性能进行评估, 并采取添加配重的方法对其进行平衡。

由于“8”字导槽在大功率、高转速工作中滚轮和导板之间会出现冲击, 在工程中应用较少, 为节省篇幅, 仅对采用直导槽约束型式的周转斜盘发动机进行分析。

2.3.1 转缸式斜盘发动机的动平衡分析

转缸式斜盘发动机在工作过程中产生的惯性力和惯性力矩包括2个方面: 1)活塞的往复惯性力矩和离心惯性力矩; 2)连杆部件的前球头相对于旋转缸体作往复运动, 后球头和斜盘部件一起作旋转运动, 而且由于采用了直导槽的约束方式, 导致缸体和斜盘的转动不再同步, 因此6个连杆部件为空间的复杂运动将产生惯性力和惯性力矩。斜盘在空间作纯旋转运动且其旋转轴线和自身对称轴线重合, 因此不会产生惯性力和惯性力矩。图15和图16为连接处1和2的受力。

图15 连接处1的受力(转缸式)

图16 连接处2的受力(转缸式)

2.3.2 静缸式发动机的动平衡分析

静缸式发动机在工作过程中产生的惯性力和惯性力矩除了上述的2项外还包括: 1)摆盘的渐进运动产生惯性力和惯性力矩; 2)斜轴部件的不对称产生的惯性力和惯性力矩。图17和图18为连接处1和连接处2的受力。

图17 连接处1的受力(静缸式)

图18 连接处2的受力(静缸式)

2.3.3 结果分析及改进措施

从仿真曲线上可以看出, 采用转缸式发动机在连接处1和连接2的受力比较小(基本在200 N左右), 发动机基本实现了自平衡。

而采用静缸式的机构, 连接处2的受力达到3 500 N左右, 表明其存在着较大的动不平衡量, 大小和方向同时变化的力作用在动力装置和雷壳的连接处则会造成雷体的振动, 进一步产生噪声影响自导系统正常工作, 因此必须对其配加平衡块以实现其动平衡。

在工程上实现动平衡必须考虑在其结构允许的位置添加, 经分析可在图1所示的位置添加配重, 设为配重块1和配重块2, 平衡后连接处2的受力如图19所示。

平衡后在连接2处的受力减少了75%(最大值由3 500 N降为880 N), 但发动机的不平衡力和力矩不能完全平衡, 利用发动机的运动学和动力学分析, 是由于活塞的往复运动, 连杆的复杂运动以及直导槽的约束使发动机产生的总不平衡力和不平衡力矩并非简单的随内轴转角的三角函数关系, 而是多种函数的叠加, 而且受到鱼雷狭小紧凑结构限制, 只能平衡其中的部分主要分量。

图19 连接处2的受力(平衡后静缸式)

3 结论

综合以上对周转斜盘发动机的动力学分析, 可得出以下结论: 1) 转缸式发动机(直导槽)可基本实现自平衡, 转速输出波动不大; 2) 静缸式发动机(直导槽)的平衡性能比较差, 必须采用加平衡块的方法对其主要的不平衡分量进行平衡, 转速输出波动较大; 3) “8”字导槽约束结构可以保证运动部件运动和受力的一致性, 且转速基本没有波动, 但其滚轮和导板之间的受力状态比较恶劣(频繁的换向冲击), 而且导槽表面为复杂曲面, 加工和装配精度比较高, 工程上不易使用; 采用直导槽约束机构滚轮始终和一侧导板接触, 不会发生换向冲击, 结构简单, 要求精度相对较低, 工程上比较容易实现; 4) 综合考虑发动机动力学性能, 工程上应优先选用转缸直导槽型式的斜盘发动机。

[1] 李鑫, 彭博, 何长富, 等. 鱼雷凸轮发动机动力传动机构相关参数化建模与仿真研究[J]. 鱼雷技术, 2006, 14(5): 42-45. Li Xin, Peng Bo, He Chang-fu, et al. Correlatively Pa- rameterized Modeling and Dynamic Simulation of Power Transmission Mechanism for Torpedo Cam Engine [J]. Torpedo Technology, 2006, 14 (5): 42-45.

[2] 马世杰. 鱼雷热动力装置设计原理[M]. 北京: 兵器工业出版社, 1992.

[3] 赵连峰. 鱼雷活塞发动机原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1991.

[4] MSC. Software. MSC. ADAMS/VIEW高级培训教程[M]. 邢俊文, 陶永忠, 译. 北京: 清华大学出版社, 2004.

Dynamic Analysis of Torpedo Swashplate Engine Based on Virtual Prototype Technology

LI Xin1, WANG Zhi-gang2, WAN Rong-hua1, PENG Bo1, LEI Yun-long1

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Naval Armament Department, Beijing 100841, China)

Based on the prototype technology, we establish dynamical models for different types of torpedo swashplate engines, including the engine with straight groove and static cylinder, the engine with straight groove and rotational cylinder, the engine with 8-shape groove and static cylinder, and the engine with 8-shape groove and rotational cylinder, in order to select perfect types in torpedo swashplate engine design. The dynamical performances of the different engines are simulated and analyzed by using software ADAMS. The results show that the swashplate engine with straight groove and rotational cylinder is superior to other types of engines, comprehensively considering general starting performance, self-balance characteristic, force state on key parts, and working stability. This type of swashplate engine can basically realize self-balance, and its undulation of rotational speed output is small.

torpedo; swashplate engine; virtual prototype; dynamic model

TJ630.32

A

1673-1948(2011)04-0285-05

2011-01-15;

2011-01-31.

李 鑫(1982-), 男, 硕士, 工程师, 研究方向为鱼雷热动力技术.

(责任编辑: 陈 曦)