8V280柴油機(jī)平衡方案設(shè)計(jì)及平衡性能分析

第8V280柴油機(jī)平衡方案設(shè)計(jì)及平衡性能分析

8V280柴油機(jī)平衡方案設(shè)計(jì)及平衡性能分析

肖民,錢(qián)志鵬

（江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212003）

摘要：針對(duì)8V280柴油機(jī)二階往復(fù)慣性力及傾覆力矩難以平衡的問(wèn)題,通過(guò)平衡性能計(jì)算對(duì)額定轉(zhuǎn)速工況下的柴油機(jī)進(jìn)行雙軸平衡方案設(shè)計(jì),并基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)柴油機(jī)的平衡特性進(jìn)行多方面研究分析.動(dòng)力學(xué)仿真分析發(fā)現(xiàn),計(jì)算出的傾覆力矩曲線與理論計(jì)算的曲線非常吻合,充分證明了仿真模型與仿真結(jié)果的正確性,同時(shí)也驗(yàn)證了雙軸平衡方案的有效性.在剛?cè)狁詈喜裼蜋C(jī)模型的基礎(chǔ)上,完成了整機(jī)振動(dòng)烈度速度值的仿真測(cè)量,其振動(dòng)情況達(dá)到了“容許”級(jí)別,進(jìn)一步體現(xiàn)了雙軸平衡方案的平衡效果,也為生產(chǎn)實(shí)體樣機(jī)的可行性提供了可靠的依據(jù).

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；平衡軸；虛擬樣機(jī)；振動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK422文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI10.13788/ki.cbgc.2017.07.001

BalancingSchemeDesignandBalancedPerformance

Analysisof8V280DieselEngine

XIAOMin,QIANZhipeng

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,JiangsuZhenjiang212003,China)

Abstract:Aimingattheproblemthatthesecond-orderreciprocatinginertiaforceandoverturningmomentof8V280dieselenginearedifficulttobalance,thebalanceschemeofdieselengineisdesignedbybalancingperformancecalculation,andthebalancecharacteristicofdieselengineisresearchedandanalyzedbasedonvirtualprototypingtechnology.Throughthedynamicsimulationanalysis,theoverturningmomentcurvesaremeasuredandthecalculatedcurvesareingoodagreementwitheachother,whichprovesthecorrectnessofthesimulationmodelandthesimulationresults,thevalidityofthebiaxialequilibriumschemeisalsoverified.Basedontherigid-flexiblecouplingdieselenginemodel,thevibrationvelocitymeasurementiscompleted,thevibrationsituationhasreachedtheallowablelevel,andthebalanceeffectofthebiaxialbalancingschemeisshown.Italsoprovidesareliablebasisforthefeasibilityofproducingthephysicalprototype.

Keywords:dieselengine;balanceshaft;virtualprototyping;vbration

0引言

目前中國(guó)中車(chē)有限公司生產(chǎn)的柴油機(jī)產(chǎn)品中,對(duì)于額定功率在2000kW～3000kW之間的柴油機(jī),只有直列8缸機(jī)型,柴油機(jī)軸向尺寸長(zhǎng),且質(zhì)量大,制造成本較高.相比直列8缸柴油機(jī),V8柴油機(jī)軸向尺寸縮短一半,質(zhì)量也大大減少,緊湊性好,剛度強(qiáng),在船舶領(lǐng)域和機(jī)車(chē)領(lǐng)域得到廣泛使用.

從8V280型柴油機(jī)的平衡性能來(lái)看,該柴油機(jī)存在較大的不平衡慣性力（矩）,雙軸平衡因其布置方便、平衡效果好和緊湊可靠等優(yōu)點(diǎn)而多被采用,如王紀(jì)福[1]采用理論設(shè)計(jì)及仿真分析的方法對(duì)3種平衡方案進(jìn)行比較發(fā)

現(xiàn),采用平衡軸方案更能有效改善90#176;V6柴油機(jī)的整機(jī)振動(dòng)性能；HUEGE等[2]在排量2.0L的雙頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上安裝了雙軸平衡機(jī)構(gòu),使得其振動(dòng)與噪聲性能大大提高,與未安裝平衡軸的發(fā)動(dòng)機(jī)相比,其噪聲水平下降了60%,振動(dòng)烈度下降了70%.所以,8V280柴油機(jī)平衡方案采用雙軸平衡方案.

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行平衡方案設(shè)計(jì)之后,大多只從單個(gè)方面對(duì)平衡效果進(jìn)行驗(yàn)證,有的學(xué)者從振動(dòng)方面對(duì)平衡效果進(jìn)行驗(yàn)證,如HEUSER等[3]對(duì)福特內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行平衡方案設(shè)計(jì)后,通過(guò)實(shí)體樣機(jī)測(cè)量技術(shù)發(fā)現(xiàn)車(chē)體的振動(dòng)情況有所改善.還有一些學(xué)者用平衡前后傾覆力矩的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證平衡方案的平衡效果,如張保成等[4]對(duì)8V150柴油機(jī)進(jìn)行平衡軸方案設(shè)計(jì)后,通過(guò)虛擬樣機(jī)仿真發(fā)現(xiàn),平衡后的柴油機(jī)傾覆力矩波動(dòng)幅值顯著降低.本文運(yùn)用平衡性能計(jì)算對(duì)柴油機(jī)的平衡方案進(jìn)行設(shè)計(jì),并結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)8V280柴油機(jī)的平衡性能進(jìn)行多方面研究,驗(yàn)證仿真模型及其結(jié)果正確性,以及雙軸平衡方案的平衡效果.首先,運(yùn)用傳統(tǒng)的柴油機(jī)平衡性能計(jì)算,計(jì)算出安裝平衡軸前后傾覆力矩的變化曲線,并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的平衡方案；然后,基于虛擬樣機(jī)技術(shù),分析該型柴油機(jī)在額定運(yùn)轉(zhuǎn)工況下安裝平衡軸前后傾覆力矩曲線,并與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；最后,建立剛?cè)狁詈系奶摂M樣機(jī)模型,完成該柴油機(jī)振動(dòng)烈度速度值的仿真測(cè)量及評(píng)估.

18V280柴油機(jī)平衡方案設(shè)計(jì)

8V280柴油機(jī)平衡方案的設(shè)計(jì)主要從平衡機(jī)構(gòu)的選取、平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和平衡效果的對(duì)比3個(gè)方面進(jìn)行.在8V280柴油機(jī)最優(yōu)平衡機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,根據(jù)額定轉(zhuǎn)速工況下柴油機(jī)的平衡特性設(shè)計(jì)出平衡機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù),并對(duì)平衡前后的效果進(jìn)行對(duì)比.

1.1平衡機(jī)構(gòu)的選用

對(duì)于V型的8缸柴油機(jī)來(lái)說(shuō),目前采用的平衡措施主要包括平衡塊平衡、單軸平衡、雙軸平衡及曲軸連桿軸頸錯(cuò)拐[5]4種.考慮到系列化設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想、試制周期以及一次性成功的要求,需從緊湊性、可靠性、簡(jiǎn)易性和維修性等方面進(jìn)行權(quán)衡和決策.未選擇單軸平衡及曲軸連桿軸頸錯(cuò)拐的主要原因是：前者緊湊性差,軸承負(fù)荷大,容易出故障,使用時(shí)靈活性不好,動(dòng)力輸出頭少；后者則是制造工藝復(fù)雜,研制周期長(zhǎng),需要反復(fù)地進(jìn)行分析校驗(yàn),一次性成功把握小.對(duì)于平衡塊平衡,雖然可以在前后傳動(dòng)系統(tǒng)中布置平衡塊,但是機(jī)體會(huì)承受較大的內(nèi)力矩,增大機(jī)體的變形,并且在前傳動(dòng)系統(tǒng)添加質(zhì)量會(huì)增大機(jī)械噪聲.

雙軸平衡方案就是在曲軸的兩側(cè)布置平衡軸,使其以2倍的曲軸轉(zhuǎn)速與曲軸同向旋轉(zhuǎn).平衡軸的位置很容易進(jìn)行布置,還可以對(duì)初始的安裝角進(jìn)行合理選擇,平衡軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中形成的離心力以及附加力矩可以有效調(diào)整以使離心力抵消往復(fù)慣性力的同時(shí),還能產(chǎn)生附加力矩衰減傾覆力矩[6].此外,柴油機(jī)機(jī)體的附件布置可保持不變,機(jī)體的變形相對(duì)較小,所以雙軸平衡方案更適合8V280柴油機(jī).

1.2雙軸平衡方案設(shè)計(jì)

柴油機(jī)的傾覆力矩是引起柴油機(jī)振動(dòng)最主要的因素,氣體壓力及一、二階往復(fù)慣性力在活塞處產(chǎn)生一個(gè)側(cè)推力而形成力矩,這個(gè)力矩將使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生側(cè)向振動(dòng),即傾覆力矩[7].為了