8V280柴油機(jī)平衡方案設(shè)計(jì)與平衡性能分析

8V280柴油機(jī)平衡方案設(shè)計(jì)及平衡性能分析肖 民，錢志鵬〔212023〕摘針對8V280柴油機(jī)二階往復(fù)慣性力及傾覆力矩難以平衡的問題速工況下的柴油機(jī)進(jìn)展雙軸平衡方案設(shè)計(jì)，并基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對柴油機(jī)的平衡特性進(jìn)展多方面爭論分析。動(dòng)力學(xué)仿真分析覺察，計(jì)算出的傾覆力矩曲線與理論計(jì)算的曲線格外吻合，充分證明白仿真模型與仿真結(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)模型的根底上，完成了整機(jī)振動(dòng)烈度速度值的仿真測量，其振動(dòng)狀況到達(dá)了“容許”級(jí)別，進(jìn)一步表達(dá)了雙軸平衡方案的平衡效果，也為生產(chǎn)實(shí)體樣機(jī)的可行性供給了牢靠的依據(jù)。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；平衡軸；虛擬樣機(jī)；振動(dòng)中圖分類號(hào)：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.07.001BalancingSchemeDesignandBalancedPerformanceAnalysisof8V280DieselEngineXIAOMin,QIANZhipeng(SchoolofEnergyandPowerEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,JiangsuZhenjiang212023,China)Abstract: Aimingattheproblemthatthesecond-orderreciprocatinginertiaforceandoverturningmomentof8V280dieselenginearedifficulttobalance,thebalanceschemeofdieselengineisdesignedbybalancingperformancecalculation,andthebalancecharacteristicofdieselengineisresearchedandanalyzedbasedonvirtualprototypingtechnology.Throughthedynamicsimulationanalysis,theoverturningmomentcurvesaremeasuredandthecalculatedcurvesareingoodagreementwitheachotrhichprovesthecorrectnessofthesimulationmodelandthesimulationresults,thevalidityofthebiaxialequilibriumschemeisalsoverified.Basedontherigid-flexiblecouplingdieselenginemodel,thevibrationvelocitymeasurementiscompteevibrationsituationhasreachedtheallowablelevel,andthebalanceeffectofthebiaxialbalancingschemeisshown.Italsoprovidesareliablebasisforthefeasibilityofproducingthephysicalprototype.Keywords: dieselengine;balanceshaft;virtualprototyping;vbration0 引言目前中國中車生產(chǎn)的柴油機(jī)產(chǎn)品中2000kW～3000kW8缸機(jī)型，柴油機(jī)軸向尺寸長，且質(zhì)量大，制造本錢較高。相比直8缸柴油機(jī)，V8質(zhì)量也大大削減，緊湊性好，剛度強(qiáng)，在船舶領(lǐng)域和機(jī)車領(lǐng)域得到廣泛使用。從8V280型柴油機(jī)的平衡性能來看，該柴油機(jī)存在較大的不平衡慣性力〔矩〕，雙軸平衡因其布置便利、平]90°V6柴油機(jī)的整機(jī)振動(dòng)性能HUEGE[2在排量2.0L的雙頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的根底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)平衡方案承受雙軸平衡方案。目前，國內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)展平衡方案設(shè)計(jì)之后，大多只從單個(gè)方面對平衡效果進(jìn)展驗(yàn)證，有的學(xué)者從振動(dòng)方面HEUSER等[3]對福特內(nèi)燃機(jī)進(jìn)展平衡方案設(shè)計(jì)后，通過實(shí)體樣機(jī)測量技術(shù)覺察車體的振動(dòng)狀況有所改善。還有一些學(xué)者用平衡前后傾覆力矩的比照來驗(yàn)證平衡方案的平衡效果，如張保[4]8V150柴油機(jī)進(jìn)展平衡軸方案設(shè)計(jì)后，通過虛擬樣機(jī)仿真覺察，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)算對柴油機(jī)的平衡方案進(jìn)展設(shè)計(jì)，并結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)8V280柴油機(jī)的平衡性能進(jìn)展多方面爭論，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)展比照；最終，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量及評估。8V280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8V280柴油機(jī)最優(yōu)平衡機(jī)構(gòu)的根底上，依據(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)，并對平衡前后的效果進(jìn)展比照。平衡機(jī)構(gòu)的選用對于V型的8缸柴油機(jī)來說，目前承受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)思想修性等方面進(jìn)展權(quán)衡和決策。未選擇單軸平衡及曲軸連桿軸頸錯(cuò)拐的主要緣由是：前者緊湊性差，軸承負(fù)荷大，簡潔出故障，使用時(shí)敏捷性不好，動(dòng)力輸出頭少；后者則是制造工藝簡單，研制周期長，需要反復(fù)地進(jìn)展分析校驗(yàn)，一次性成功把握小。對于平衡塊平衡，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2倍的曲軸轉(zhuǎn)速與曲軸同向旋轉(zhuǎn)。平衡軸的位置很簡潔進(jìn)展布置，還可以對初始的安裝角進(jìn)展合理選擇，平衡軸旋轉(zhuǎn)過程中形成的離心力以及附加力矩可以有效調(diào)整以使8V280柴油機(jī)。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[7]。為了能夠讓設(shè)計(jì)的平衡軸在滿足力平衡的同Matlab的曲線擬合工具箱擬合出傾覆力矩曲線，并提取出傾覆力矩的常數(shù)項(xiàng)及二階諧波重量作8V280柴油機(jī)總的傾覆力矩：〔1〕式中：M為柴油機(jī)總傾覆力矩，N·m；φ為曲軸轉(zhuǎn)角，°CA。為了保證平衡軸在完全平衡二階往復(fù)慣性力的同時(shí)，又能產(chǎn)生一個(gè)符合要求的附加力矩，將平衡軸布置在曲軸平面下方，如圖1Q相對于基準(zhǔn)軸皆向內(nèi)偏轉(zhuǎn)。圖1 平衡軸空間布置圖233平衡軸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力與二階往復(fù)慣性力抵消：PjII

2Qcos()3Qcos()l

mR2 〔2〕jtan2l1QjIIλR；ωrad/jkξ為平衡軸和曲軸中心連線與水平線之間的夾角Cθ為旋轉(zhuǎn)慣性力與垂直于平衡軸與曲軸連線方向的夾角C1為平衡軸與曲軸之間的水平距離2的豎直距離，m。平衡軸的附加力矩為MQcos(2)lQcos(2)l2Qlsinsin223 〔3〕cos()

mR2lsinsin2jl l2l21 2N·l。4.016o平衡軸的附加力矩抵消傾覆力矩，要求附加力矩中的正弦項(xiàng)能夠與柴油機(jī)傾覆力矩中的正弦項(xiàng)相互抵消，從而得到平衡軸的相位角4.016o11.734°N，然后再設(shè)定平衡軸的旋轉(zhuǎn)半徑，求出旋轉(zhuǎn)質(zhì)量等相關(guān)參[8]。平衡性能比照8V280柴油機(jī)平衡性能比照主要是通過傾覆力矩曲線的比照來顯示。通過柴油機(jī)的平衡性能計(jì)算，得到安裝平衡軸前總傾覆力矩和安裝平衡軸后剩余傾覆力矩隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線，如2所示。由圖2可知，在添加了平衡軸之后，柴油機(jī)傾覆力矩中的二階重量正弦項(xiàng)完全被抵消，只剩下了常數(shù)項(xiàng)和余弦項(xiàng)，柴油機(jī)剩余傾覆力矩的波動(dòng)幅度顯著變小。圖2 柴油機(jī)總傾覆力矩和剩余傾覆力矩變化曲線8V280柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析建立虛擬樣機(jī)能夠更加全方面地對柴油機(jī)的平衡性能進(jìn)展?fàn)幷?，通過動(dòng)力學(xué)仿真分析及與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比照覺察，在驗(yàn)證仿真模型及仿真結(jié)果正確性的同時(shí)，也證明白雙軸平衡方案的平衡效果。8V280柴油機(jī)多剛體模型的建立利用Creo建立8V280ADAMS軟件中[9]。導(dǎo)入到軟件之后的模型需要對單位、材料屬性和重力方向進(jìn)展設(shè)置，除了活塞組件定義為鋁合金之外，其他構(gòu)件均定義為鋼鐵。為8V280柴油機(jī)多剛體模型進(jìn)展約束，所需添加的約束主要有固定副、滑[10]。8V2808V280柴油機(jī)額定運(yùn)轉(zhuǎn)1000r/miADAMS/s〔度每秒驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為6000°/s；而對于缸內(nèi)氣體壓力的施加，用在活塞頂部施加隨時(shí)間變化的缸壓曲線來實(shí)現(xiàn)，這樣活塞會(huì)對氣缸產(chǎn)生側(cè)壓力，形成傾覆力矩，在上下止點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊也會(huì)接近于柴油機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。建立好的8V280柴油機(jī)多剛體模型如圖3所示。圖3 ADAMS環(huán)境下8V280柴油機(jī)多剛體模型平衡性能分析由于內(nèi)燃機(jī)的傾覆力矩作用在機(jī)架上，因此選取柴油機(jī)的機(jī)架為爭論對象。通過測量機(jī)架上沿著曲軸方向的[1與理論計(jì)算的處理方法一樣，測量出柴油機(jī)的傾覆力矩后提取其常數(shù)項(xiàng)及二階諧ADAMS軟件中設(shè)置仿真時(shí)間及仿真步數(shù)，仿真時(shí)間設(shè)置0.12s，即曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈〔720°〕，144步。在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行一段時(shí)間后，即可測量出柴油機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)。4-理論比照圖，從圖中可以看出仿真的曲線與理論計(jì)算的曲線比較吻3150031311，誤差為計(jì)算的最小值為24140N·m，理論計(jì)算最小值為24169N·m，誤差為0.12%。從波動(dòng)的幅值上來看，理論計(jì)算的波動(dòng)幅值為7360N·m，仿真計(jì)算的波動(dòng)幅值為7142N·m，誤差為3.08%。圖4 安裝平衡軸前總傾覆力矩仿-理論比照曲線圖圖5-理論比照圖28304N·m，理論計(jì)算最大值為28298N·m，誤差為0.02%；仿真計(jì)算的最小值為27218N·m，理論計(jì)算最小值為27182N·m，誤差為10861116差為2.68%，仿真的曲線與理論計(jì)算的曲線比較吻合。圖5 安裝平衡軸后剩余傾覆力矩仿-理論比照曲線圖4圖6為安裝平衡軸前后傾覆力矩比照圖7360N·m,1086N·m，波動(dòng)幅值降低了85.24%。從平衡的效果來看，平衡軸抵消了大局部二階傾覆力矩，與理論計(jì)算的平衡效果同樣顯著，同時(shí)也證明白仿真模型及仿真結(jié)果的正確性。485圖6 安裝平衡軸前后傾覆力矩比照圖8V280柴油機(jī)整機(jī)振動(dòng)仿真分析為了從多個(gè)方面對平衡方案的效果進(jìn)展評估，在柴油機(jī)模型上選取多個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)展振動(dòng)烈度速度值的測量，檢驗(yàn)其振動(dòng)狀況是否符合標(biāo)準(zhǔn)。由于剛體模型不會(huì)發(fā)生形變，從而在仿真過程中不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，柴油機(jī)的振動(dòng)通過機(jī)架支座傳遞給其他部件，其振動(dòng)狀況最為猛烈[12]，所以選擇機(jī)架支座進(jìn)展柔性化處理建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，可以在保證仿真計(jì)算精度的同時(shí)，軟件計(jì)算量及計(jì)算效率也都占有很大的優(yōu)勢。機(jī)架支座的柔性化處理機(jī)架支座體網(wǎng)格的劃分承受的是四周體網(wǎng)格劃分，四周體網(wǎng)格劃分快捷，在網(wǎng)格的修改方面比較便捷，可在。機(jī)架支座在導(dǎo)入HyperMesh后，首先對4個(gè)機(jī)架支座進(jìn)展前處理，以便于畫出高質(zhì)量的面網(wǎng)格。面網(wǎng)格劃分完畢后，在面網(wǎng)格的根底上進(jìn)展體網(wǎng)格的劃分及調(diào)整，以到達(dá)高質(zhì)量水平，定義材料屬性并賜予單元。機(jī)架支座的反面與機(jī)架接觸，并通過螺栓連接，所以需將機(jī)架支座的反面設(shè)置為剛性面。將機(jī)架支座反面全部的節(jié)點(diǎn)定義為剛性節(jié)點(diǎn)即完成了剛性區(qū)域的定義，機(jī)架支座有限元模型如圖7所示。剛性區(qū)域定義后，設(shè)置模態(tài)分析的方法，建立掌握卡片，模態(tài)分析生NF文件。將生成的MNF文件導(dǎo)入ADAMS中，通過三點(diǎn)法進(jìn)展柔性體與剛體之間的準(zhǔn)確替換，替換之后的剛?cè)狁詈喜裼蜋C(jī)模型如圖7 機(jī)架支座有限元模型圖8 8V280柴油機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ驼駝?dòng)烈度速度值的測量及評估對于建立的剛?cè)狁詈?V280選取多個(gè)Marker點(diǎn)進(jìn)展x、y、z三個(gè)方向上振動(dòng)速度的測量，計(jì)算出整個(gè)柴油機(jī)的振動(dòng)烈度速度值，對安裝了雙平衡軸后的8V280柴油機(jī)進(jìn)展振動(dòng)狀況評估。我國柴油機(jī)振動(dòng)均承受整機(jī)的當(dāng)量振動(dòng)烈Vs

為評定量標(biāo)。V (s

Vx)2(Nx

Vy)2(Ny

Vz)2 〔5〕NzVVV分別為z三個(gè)方向上各規(guī)定測點(diǎn)的振動(dòng)速度均方根值mm/NN

分別為三個(gè)方x y z x y z向上的測點(diǎn)數(shù)。測點(diǎn)數(shù)至少取5個(gè)，即機(jī)架前端、后端上沿、機(jī)架前后端的支座位14]。在8V280柴油機(jī)振動(dòng)測量點(diǎn)的選取上，分別選取了4個(gè)機(jī)架支座的質(zhì)心及2個(gè)機(jī)架前后端頂點(diǎn)，測量的振動(dòng)速度變化曲線如9所示。x方向y方向z方向圖9 6個(gè)測點(diǎn)外表速度變化組合曲線x、y、z三個(gè)方向上的振動(dòng)速度均方根值，計(jì)算出的振動(dòng)速度均方根如表1所示。Vs10.28表1 各點(diǎn)振動(dòng)烈度速度值〔單位mm/Vs10.28外表速度測量點(diǎn)1測量點(diǎn)2測量點(diǎn)3測量點(diǎn)4測量點(diǎn)5測量點(diǎn)6Vx0.10620.11370.09780.09761.0080.9528Vy0.05220.03490.01990.03060.14180.1366Vz10.1510.2510.9710.939.3410.04GB/T6075.6-2023《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)[15，而TB/T3164-2007柴油機(jī)車車內(nèi)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)烈度評定方法16]的評定標(biāo)準(zhǔn)比前者要求更高8V280柴油機(jī)全面適用船舶領(lǐng)域和機(jī)車領(lǐng)域，所以承受《柴油機(jī)車車內(nèi)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)烈度評定方法》8280柴油機(jī)8V28010.28mm/s，依據(jù)表2的評定標(biāo)準(zhǔn)，8V280柴油機(jī)在機(jī)器和設(shè)備分類屬于V真測量出的振動(dòng)烈度速度值可以判定安裝雙軸平衡后8V280柴油機(jī)振動(dòng)級(jí)別到達(dá)了B無V280得了顯著的平衡效果。機(jī)器和設(shè)備分類IIIIIIIVV0.28～0.450.45～0.710.71～1.121.12～1.801.80～2.802.80～4.504.50～7.107.10～11.211.2～18.018.0～28.028.0～45.045.0～71.0AAAABABCBCBCBCDDCDDD結(jié)論通過傳統(tǒng)的平衡性能計(jì)算與虛擬樣機(jī)仿真相結(jié)合的方法，在進(jìn)展動(dòng)力學(xué)仿真分析爭論和振動(dòng)烈度速度值的測量及評估后，得到以下結(jié)論：從8V280柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真的結(jié)果來看，仿真出來的傾覆力矩曲線與理論計(jì)算的曲線格外吻合，傾覆力矩85.24%，平衡性能問題得到了很好解決，在充分證明白仿真模型及仿真結(jié)果正確性的同時(shí)，也表達(dá)出了雙軸平衡方案的平衡效果。對8V280柴油機(jī)整機(jī)振動(dòng)烈度速度值進(jìn)展測量及評估度速度值上到達(dá)了“容許”級(jí)別，這也再次證明白雙軸平衡方案的有效性。參考文獻(xiàn)：,,,.2023,34(5):456-462.andOptimization[C]//S