某型柴油机曲轴系统动力特性研究
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摘 要：针对于柴油机曲轴系统动力特性的研究问题，首先我们要对于柴油机曲轴系统进行了解，掌握柴油机曲轴系统的工作原理，最后对于柴油机曲轴系统的动力特性进行研究。起初，将根据柴油机曲轴系统的工作原理建立柴油机曲轴系统在动力学方面上的模型，然后依据多体动力学原理以及有限元的方法对柴油机曲轴系统动力的特性进行研究，再然后根据我们所得到的研究成果，主要是在不同的旋转速度下曲轴在曲柄处的受力载荷、主轴的承受力载荷以及副轴的承受力载荷等，最终我们将得知在不一样的转速下，柴油机曲轴系统发生的最大变形主要出现在与柴油机的连接部分，受到的最大应力主要发生在曲拐部位。
关键词：柴油机曲轴系统 动力特性 研究
中图分类号：U461 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0079-02
要想对于柴油机曲轴系统动力特性进行深一步的研究，这里将先介绍柴油机的工作原理以及曲轴系统的结构特点和技术要求。
1 柴油机的工作原理以及曲轴系统的结构特点
柴油机在进行工作时都要经历四个过程，它们依次是进气过程、压缩过程、做功过程、排气过程。柴油机在进行工作时首先在进气过程需要吸入纯净的空气，其后在进行压缩过程时，特别是在进入到压缩过程的末尾时，我们需要将柴油机的柴油经过喷油泵将柴油的压强提升到12MPa以上，然后经过喷油器当到达雾状时将其喷入到气缸内，随后喷入的雾状气体将在很短的时间内和经过压缩的高温空气进行融合，从而形成可以燃烧的混合空气。在压缩过程的末尾时，气缸内的压强可以达到3.7～4.6MPa，缸内的温度也高达478.5℃～725.5℃，远远超出了柴油的自燃温度，所以，柴油在进行入到气缸后在极短的时间内就会燃烧，燃气的压力会迅速达到7～9MPa，温度也将急剧上升，最终，在高压气体的推动之下，活塞将向下运动将废气从排气门中排除到大气中，在此同时，曲轴也将旋转运动。
曲轴主要是由主轴与连接轴组成，曲轴主要是将活塞进行的往复运动经过连接轴使其形成回转运动，所以曲轴不但要承受一定周期的弯曲力矩，与此同时曲轴还将承受离心力以及在进行旋转时所产生的附加应力，曲轴在进行工作的过程中要经历高速度的运转，因此，曲轴在硬度方面、强度方面、耐磨性方面等有着很严格的要求。所以，在制作曲轴的工作厂间里通常会采取高强度的材料进行加工，在曲轴的轴径处还要经过热处理来加强它的耐磨性质。连杆轴要具有很高的精度，具体表现在它的尺寸精准度、形状的精准度以及位置的精准度，同时还要保证连杆轴的光洁度。除此之外，对于各个连杆轴的轴心的偏移程度以及一些主动齿轮的中心的偏移度都有着严格的要求。
2 柴油机曲轴系统动力学仿真分析
由于柴油机在进行工作时曲轴系统会承受来自各个地方不同的力的作用，所以，我们无法对于在压缩腔内的气体进行测量，从而难以得出在压缩腔内气体所受到的力的变化规律。在此，我们将借助Adams中的两种函数对压缩腔内的气体受到的力进行统计和模拟，这两种函数分别是If函数以及Step函数，再根据这两种函数的模拟后得出研究结果进而对柴油机曲轴系统各个运动的零件进行约束[1]。在主平衡铁-曲轴这个零件中的运动副类型是固定，副平衡铁—曲轴零件的运动副类型同样是固定，调心球轴承-曲轴的运动副类型是旋转，与之相同的还有圆柱滚子轴承-曲轴、滚针轴承-曲轴以及动轴承-滚针轴承，但对于十字滑环-动轴承来说它的运动副类型是点线的形式。根据Adams模拟的数据我们可以得知，在转速达到1480转每分钟时，曲柄销承受的力的变化可以得知，在转速不变的状况下，曲柄销在受到的力的变化幅度并不是特别的大，但是在其受到的力进行分解时我们可以得知它的分力在转速不变的状况下受到的影响幅度还是很大的。在进行一个压缩的过程当中，我们发现主轴所承受的力出现了周期性的变化，这主要是因为主平衡铁受到了离心力以及重力的作用，这就使得主轴承所受到的载荷变得十分的大。在另外一个模拟的实验当中我们发现在转速变得不相同的情况下，曲柄销所受到的力、主轴所受到的力以及副轴所受到的力的变化情况大致是相同的，在不同的转速下，曲柄销与主副轴在随着转速的不断加大时，它们所受到的力也在不断的加大，而导致这种情况的主要原因是由于在转速增大的过程中，曲轴结构所受到的向心力在不断的加大，与此同时这也就加大了柴油机曲轴振动急剧的可能性，同时这也为我们计算轴承的寿命以及如何选择轴承的类型提供了依据。
3 曲軸系统有限元方法的探究
在对曲轴系统利用有限元法进行探究之前，我们首先要对有限元法进行了解认识。有限元法的基本原理指的是在进行求解过程中我们会碰到一个连续变化的求解区域，而有限元法就是将这些连续变化的求解区域进行分散，即将这片区域用节点分割成相互有关联的有限个单元，然后对这些有限个的单元里的未知变量通过合适的方法将他们联系在一起，是它们具有连续变化区域的特征，将它们组成方程组进行求解[2]。在这里我们将运用到Ansys这个软件，对柴油机的曲轴系统所受到的力进行计算以及对计算结果加以分析，最终得出结论。
在经过Ansys软件的计算处理后，我们得到了以下结果，在不同的转速下，我们得知柴油机曲轴应力的分布情况以及它的最大型变量[3]。在转速达到1480转每分钟时柴油机曲轴的应力达到了12MPa，与其同时它的最大型变量为67μm，在后来的实验当中，我们分别将转速增大到2000转每分钟、3000转每分钟以及最终的4000转每分钟，我们分别得到了在以上3个转速下柴油机曲轴系统所受到的应力达到了16MPa、27MPa以及42MPa，而其所达到的最大型变量依次是85μm、144μm以及222μm。通过以上的计算结果分析，在不同的转速之下，曲轴系统所受的负荷力在不断的增大，因此曲柄销处所受到的载荷力也在不断的增大，这就给曲轴带来了很大的安全隐患，所以需要较大的疲劳安全系数，这样才能确保曲轴系统能够更加稳定的工作，延长它的寿命。
4 对曲轴系统疲劳安全系数的计算
在通过Ansys软件计算不同转速下曲轴所受到的应力以及最大形变量后，我们根据：此项材料最大的形变量除以危险情况下所受到的应力得到曲轴强度的大小，此后根据：疲劳的最大极限值除以不对称敏感系数与应力平均值的乘积得到疲劳安全系数。在经过Ansys软件进行计算后我们得知在3000转每分钟时曲轴强度为1.6，安全系数为10.1，在4000转每分钟时曲轴强度为2.6，安全系数为25.6，均在疲劳安全系数的范围之内，满足对于零件的标准要求。
5 结语
在对于柴油机的工作原理以及曲轴系统的结构特点进行了解之后，我们采用了Admas软件对柴油机曲轴系统的动力特性进行了仿真分析，得到了在不同的转速下，曲轴所受到的力在随着转速的增大而增大。接下来又对曲轴有限元法进行了探究得出了在不同的转速下，曲轴所受到的应力大小以及最大形变量的变化，最后根据曲轴强度的计算公式以及疲劳安全系数的计算公式得出在4000转每分钟时的安全是得到保证的。
参考文献
[1] 朱海荣，彭培英，熊义强，等.基于Adams的往复式运动结构仿真研究[J].振动、测试与诊断，2016.
[2] 张洪才.Ansys14.0理论分析与工程应用实例[M].北京：机械工业出版社，2016.
[3] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2017.
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