陳 睿，張 萍，李育學(xué)

（海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院， 武漢 430033）

柴油機(jī)作為大多數(shù)艦艇的主推進(jìn)動力和發(fā)電機(jī)拖動動力的動力來源，在艦船設(shè)備中占有非常重要的地位，特別是隨著艦船使用要求的不斷提高，對艦船動力提出了更高的要求。[1]從生命力角度分析，柴油機(jī)為多數(shù)艦艇提供主動力，是動力系統(tǒng)的的心臟，保證著艦艇在海上的順利航行，這是保存己方、消滅敵方的基礎(chǔ)。[2]

配氣機(jī)構(gòu)作為內(nèi)燃機(jī)兩大機(jī)構(gòu)之一，[3]其主要功能是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的換氣過程，根據(jù)氣缸的工作次序，定時地開啟和關(guān)閉進(jìn)排氣門，以保證氣缸吸入新鮮空氣和排除燃燒廢氣?，F(xiàn)今對于發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計，一方面希望氣門加速度較大，以使氣門迅速地開、關(guān)，從而達(dá)到最好的換氣效果以提高動力性和經(jīng)濟(jì)性；另一方面，希望載荷保持相對較小，以減小加速度，從而減小振動和噪聲，并延長使用壽命。[4]這樣的矛盾要求給配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計帶來困難，因此需要精心設(shè)計進(jìn)排氣門的升程曲線，以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計。[5]而且隨著化石燃料的枯竭和排放法規(guī)的愈趨嚴(yán)格，柴油機(jī)朝著高功率密度、低污染、低排放、低噪聲、高可靠性方向發(fā)展，這些都給配氣機(jī)構(gòu)帶來了新的挑戰(zhàn)。

目前，配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)研究中，都僅建立配氣機(jī)構(gòu)多體動力學(xué)模型?；诖四Ｐ蛯ε錃鈾C(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真，這樣雖然也能夠獲得配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)，但同時將丟失許多柴油機(jī)工作過程中的有用信息。為此本文以多體動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用多體動力學(xué)軟件ADAMS，建立了柴油機(jī)整機(jī)的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型，對某型柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真計算。

一、建立柴油機(jī)整機(jī)多體動力學(xué)模型

（一）柴油機(jī)動力學(xué)建模方法

柴油機(jī)動力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)是建立研究對象簡化而又精確的動力學(xué)模型。[6]動力學(xué)模型的詳細(xì)程度取決于研究目的和計算能力，動力學(xué)模型的精確性取決于對柴油機(jī)各運(yùn)動組件之間的運(yùn)動約束、力的傳遞等有效、準(zhǔn)確描述。如何兼顧柴油機(jī)動力學(xué)模型的簡化性和有效性成為柴油機(jī)動力學(xué)建模的關(guān)鍵。根據(jù)對模型簡化性和精確性的側(cè)重點(diǎn)不同，目前比較常用的柴油機(jī)動力學(xué)建模方法主要由三種：集中質(zhì)量方法、有限元方法和多體動力學(xué)方法。本文中采用的是多體動力學(xué)方法。

多體系統(tǒng)是指有多個物體通過運(yùn)動副連接的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，[7-8]多體系統(tǒng)動力學(xué)的根本目的是應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)分析，它的基本建模過程為：首先根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系抽象出力學(xué)模型，然后構(gòu)建系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程，最后經(jīng)過數(shù)值計算得到系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)。

機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System，ADAMS）是世界上應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用行業(yè)最多的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真工具，[9]在本文中就采用這一軟件進(jìn)行仿真。

（二）準(zhǔn)備工作

某型柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)主要由凸輪軸、挺柱、頂桿、搖臂、固定支座、氣門、氣門座圈及氣門彈簧組成。建立柴油機(jī)氣門機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型，首先在三維實體建模軟件Pro/E中建立柴油機(jī)氣門機(jī)構(gòu)各零件的三維實體模型，按照氣門機(jī)構(gòu)實際的位置關(guān)系和工作順序，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配，獲得氣門機(jī)構(gòu)的三維實體模型，見圖1，借助與Pro/E與ADAMS之間的接口軟件M/Pro，定義各構(gòu)件之間的約束副（見表1）、構(gòu)件上標(biāo)示點(diǎn)等，建立氣門機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型。

圖1 A1缸配氣機(jī)構(gòu)模型

表1給出了配氣機(jī)構(gòu)各部件間的約束關(guān)系。

表1 柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)各部件約束關(guān)系表

二、仿真邊界條件

對于單獨(dú)的配氣機(jī)構(gòu)模型，在凸輪軸上添加1 500 r/min的恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動motion，對配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真計算。

三、參數(shù)設(shè)置

（一）接觸參數(shù)

由于接觸剛度與材料特性有關(guān)，表2給出了各接觸零部件的材質(zhì)屬性。

表2 各零部件材質(zhì)屬性

凸輪與挺柱之間接觸剛度為6.8×105N/mm，氣門與搖臂之間接觸剛度為8.0×105N/mm，氣門與氣門座之間接觸剛度為8.0×105N/mm。

阻尼系數(shù)難以精確給出，參照文獻(xiàn)[10]，配氣機(jī)構(gòu)中各接觸對取阻尼系數(shù)c=10 N-s/mm；接觸力指數(shù)e=1.5；接觸點(diǎn)變形量φ=0.1 mm。

（二）氣門彈簧參數(shù)

在建立模型時，彈簧的剛度取氣門彈簧工作段時的剛度值，文中彈簧剛度取40 N/mm。

阻尼系數(shù)難以精確給出，參照文獻(xiàn)[10]，氣門彈簧阻尼為0.001 N-s/mm。

為了方便配件通用化，進(jìn)、排氣門彈簧選擇相同的氣門彈簧。經(jīng)計算，彈簧預(yù)緊力取300 N。

四、仿真結(jié)果

（一）凸輪升程及氣門升程

圖2是由柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型分析得到的進(jìn)、排氣凸輪升程曲線。由圖2可得，進(jìn)、排氣凸輪升程最大值均為8.2 mm，進(jìn)氣凸輪升程轉(zhuǎn)角為340°曲軸轉(zhuǎn)角，排氣凸輪升程轉(zhuǎn)角為380°曲軸轉(zhuǎn)角。

圖2 凸輪升程

圖3為氣門升程，進(jìn)排氣門升程均為13 mm。從圖3中可以清楚地看出氣門開、閉規(guī)律。進(jìn)氣門開：上止點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角46°，進(jìn)氣門閉：下止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角41°；排氣門開：下止點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角63°，排氣門閉：上止點(diǎn)后曲軸轉(zhuǎn)角47°；氣門重疊角：曲軸轉(zhuǎn)角 93°。

圖3 進(jìn)、排氣門升程

圖4為排氣門升程與凸輪升程的關(guān)系，圖5為進(jìn)氣門升程與凸輪升程的關(guān)系。從圖4、圖5可以看出，由于氣門間隙的存在，氣門升程與凸輪升程并不是同步的。

圖4 排氣門升程與排氣凸輪升程

圖5 進(jìn)氣門升程與進(jìn)氣凸輪升程

圖6為柔性凸輪軸位移，最大位移幅值為0.0015 mm，由于柔性凸輪軸位移相對于凸輪升程相差很小，故柔性凸輪的位移對于凸輪升程影響很小。

（二）進(jìn)排氣門速度

圖6 柔性凸輪軸位移

氣門運(yùn)動速度是配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)重要參數(shù)之一，通過分析氣門速度，可以評價配氣系統(tǒng)傳動鏈的優(yōu)劣。氣門與氣門座圈之間的摩擦磨損是氣門失效的主要方式之一，氣門落座速度常用來分析氣門落座時氣門與氣門座的沖擊、配氣機(jī)構(gòu)的噪聲以及氣門座的磨損等，一般對于合金鋼材料的氣門座圈，氣門落座速度應(yīng)小于0.6 m/s；對于鑄鐵或粉末冶金材料的氣門座圈，其落座速度應(yīng)小于0.3 m/s。[11]

圖7為單缸配氣機(jī)構(gòu)氣門速度，排氣門最大正向速度為1 398 mm/s，最大負(fù)向速度為1 450 mm/s；排氣門最大離座速度為112 mm/s，最大落座速度為98 mm/s。進(jìn)氣門最大正向速度為1 289 mm/s，最大負(fù)向速度為1 330 mm/s；進(jìn)氣門最大離座速度為100 mm/s，最大落座速度為89 mm/s。

圖7 單缸配氣機(jī)構(gòu)氣門速度

圖8為單缸配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣門落座速度局部放大圖，圖9為單缸配氣機(jī)構(gòu)排氣門落座速度局部放大圖。

圖8 單缸配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣門落座速度局部放大圖

圖9 單缸配氣機(jī)構(gòu)排氣門落座速度局部放大圖

（三）凸輪-挺柱接觸力

凸輪-挺柱間的接觸是柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中重要的摩擦源之一，凸輪-挺柱之間過早的磨損或擦傷、劈裂是柴油機(jī)的常見故障。因此，無論是在前期的設(shè)計準(zhǔn)備，還是后期的論證校核，凸輪-挺柱之間的接觸力都是衡量柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)性能的重要參數(shù)。圖10、圖11分別為單缸配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)、排氣凸輪-挺柱接觸力。

圖10 單缸配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣凸輪-挺柱接觸力

圖11 單缸配氣機(jī)構(gòu)排氣凸輪-挺柱接觸力

（四）搖臂-氣門接觸力

氣門搖臂在擺動過程中承受很大的彎矩，要求搖臂具有很高的強(qiáng)度和剛度。搖臂工作面與氣門桿尾端面的接觸力很大，且工作時有相對劃移，磨損嚴(yán)重，研究搖臂與氣門桿端面的接觸力，可以在設(shè)計早期為搖臂與氣門材料的選取提供依據(jù)。圖12、圖13分別為單缸配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)、排氣搖臂與進(jìn)、排氣門之間接觸力。

圖12 單缸配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣搖臂-氣門接觸力

圖13 單缸配氣機(jī)構(gòu)排氣搖臂-氣門接觸力

五、結(jié)論

第一，只要模型構(gòu)建合理,ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真具有相當(dāng)?shù)那蠼饩取?/p>

第二，基于ADAMS進(jìn)行的多體動力學(xué)仿真研究可得到各運(yùn)動件的運(yùn)動規(guī)律及各運(yùn)動件之間相互作用力和接撞力的變化規(guī)律。

第三，在無實際的物理樣機(jī)條件下,多體動力學(xué)仿真研究可提供大量運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)結(jié)果,這些結(jié)果可用于分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性,也可為今后作進(jìn)一步的分析和預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

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