机车柴油机动力学虚拟样机的研制与应用

论文摘要

应用虚拟样机技术开发柴油机产品是借鉴、消化、吸收国外先进技术,增强我国柴油机企业自主开发和技术创新能力的有效途径。利用虚拟样机技术,在柴油机的设计阶段对其运动学、动力学、强度、刚度、振动特性进行仿真,可以实现柴油机的总体性能匹配和整体优化;在其改进阶段,针对某一方面的性能进行仿真研究并进行匹配优化,缩短产品改良周期,降低成本,改进设计质量,提高市场竞争力有重要的理论意义和实用价值。本文以机车240ZJ型柴油机为基础,建立了16V240ZJ/8V240ZJ型柴油机的虚拟样机,在虚拟样机的基础上,对柴油机的曲柄连杆机构进行了动力学分析模拟研究,目的是为了更好的研究柴油机曲柄连杆机构在工作过程中的运动规律、机构运动过程中的惯性力作用、主轴径轴承的动力学性能、对柴油机机体产生的干扰力以及惯性力等的平衡问题。主要研究了在不考虑摩擦阻力、作用在柴油机曲轴上的负载阻力的影响的情况下,针对以下参数进行了模拟计算,V型夹角和发火顺序对柴油机动力学性能的影响,对其输出功、平衡性能、轴承负荷的影响;不同的连杆比(曲轴回转半径与连杆长度的比值)对柴油机平衡性能和输出扭矩的影响;活塞质量的变化对活塞销载荷状态、曲轴输出扭矩的影响;以及主轴径轴承的各项参数如轴承间隙、润滑油温度、主轴径直径等参数的变化对主轴承性能的影响等等,并且通过这一系列的计算得出较优的参数匹配,并且完成建立虚拟样机的目标。研究结果表明:利用虚拟样机进行柴油机的动力学模拟是准确的,具有实际应用价值的;虚拟样机技术用于动力学分析中,通过动力学模型,对柴油机各项性能参数进行分析,并与实验分析结构进行了比较,为柴油机的设计和改进提供可靠的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 一、引言
• 1. 机构动力学分析方法的研究现状
• 2. 现代设计理论和方法在内燃机开发中的应用
• 二、虚拟样机概念和研究意义
• 1. 虚拟样机技术的内涵
• 2. 实施虚拟样机的意义
• 3. 虚拟样机技术在内燃机开发中的应用研究
• 三、课题主要研究的内容和意义
• 1. 课题主要研究的内容
• 2. 课题研究的意义和方法
• 本章小结
• 第一章 动力学虚拟样机的基本数学模型
• 1.1 曲柄连杆机构运动学
• 1.1.1 内燃机曲柄连杆机构的运动规律
• 1.2 曲柄连杆机构动力学
• 1.2.1 气体力
• 1.2.2 曲柄连杆机构的惯性力
• 1.3 曲柄销及主轴径轴承的动力学分析
• 1.3.1 Reynolds 方程的基本形式
• 1.3.2 流体动力润滑
• 1.4 内燃机的平衡分析和平衡方法
• 1.4.1 外部平衡分析
• 1.4.1.1 往复惯性力及力矩
• 1.4.1.2 离心惯性力及力矩
• 1.4.2 内部平衡分析
• 1.4.3 V 型8 缸柴油机的平衡
• 1.4.4 机车用V 型8 缸柴油机的平衡研究
• 本章小结
• 第二章 动力学虚拟样机的建立
• 2.1 软件的应用
• 2.2 模型的建立
• 2.2.1 基本参数的输入
• 2.2.1.1 启动软件
• 2.2.1.2 创建新模型
• 2.2.1.3 加载模板
• 2.2.1.4 定义对象
• 2.2.2 边界条件的确定
• 2.2.2.1 整机配置
• 2.2.2.2 曲轴初始配置
• 2.2.2.3 飞轮参数
• 2.2.2.4 气缸
• 2.2.2.5 机体
• 2.2.2.6 轴承
• 2.2.3 部件连接及计算参数的选取
• 2.2.4 运行设置
• 2.3 多缸柴油机动力学建模与性能评价标准
• 2.3.1 16V240ZJ 型柴油机动力学模拟计算结果与理论计算结果的对比分析
• 2.3.1.1 16V240ZJ 型柴油机虚拟样机的建立
• 2.3.1.2 样机的参数输入
• 2.3.1.3 模型运算设置
• 2.3.2 计算结果分析
• 2.3.2.1 曲轴造型
• 2.3.2.2 运动学计算评价
• 2.3.2.3 动力学计算评价
• 本章小结
• 第三章 动力学虚拟样机的应用
• 3.1 8V240ZJ 型柴油机动力学虚拟样机的建立
• 3.1.1 基本模型的建立
• 3.1.2 参变量的设置
• 3.2 V 型夹角与点火顺序对柴油机性能的影响
• 3.2.1 设定参变量
• 3.2.2 计算结果分析
• 3.2.2.1 不同发火顺序对柴油机输出功的影响
• 3.2.2.2 不同发火顺序对主轴径轴承的影响
• 3.2.2.3 不同发火顺序对机体平衡性的影响
• 3.2.3 结论
• 3.3 连杆比（曲柄半径与连杆长度比）对柴油机性能的影响
• 3.3.1 设定参变量
• 3.3.2 计算结果分析
• 3.3.3 结论
• 3.4 活塞质量对柴油机性能的影响
• 3.4.1 设定参变量
• 3.4.2 计算结果分析
• 3.4.2.1 活塞质量对部件接触力的影响
• 3.4.2.2 活塞质量对输出扭矩的影响
• 3.4.2.3 活塞质量对机体平衡性能的影响
• 3.4.2.4 活塞质量对主轴径轴承的影响
• 3.4.3 结论
• 3.5 活塞销偏置对柴油机性能的影响
• 3.5.1 设定参变量
• 3.5.2 计算结果分析
• 3.5.2.1 活塞销偏置对接触力的影响
• 3.5.2.2 活塞销偏置对曲轴输出扭矩的影响
• 3.5.2.3 活塞销偏置对主轴径轴承动力性能的影响
• 3.5.2.4 活塞销偏置对机体平衡性能的影响
• 3.5.3 结论
• 3.6 轴承间隙对主轴径轴承性能的影响
• 3.6.1 设定参变量
• 3.6.2 计算结果分析
• 3.6.2.1 轴承间隙对轴心轨迹的影响
• 3.6.2.2 轴承间隙对最小油膜厚度的影响
• 3.6.2.3 轴承间隙对轴承载荷的影响
• 3.6.3 结论
• 3.7 润滑油温度对主轴径轴承性能的影响
• 3.7.1 设定参变量
• 3.7.2 计算结果分析
• 3.7.2.1 润滑油温度对轴心轨迹的影响
• 3.7.2.2 润滑油温度对最小油膜厚度的影响
• 3.7.2.3 润滑油温度对轴承负荷的影响
• 3.7.3 结论
• 3.8 主轴径直径对主轴径轴承性能的影响
• 3.8.1 设定参变量
• 3.8.2 计算结果分析
• 3.8.3 结论
• 3.9 运用软件DOE 设计功能对柴油机设计参数进行匹配优化
• 3.9.1 实验设定
• 3.9.2 计算结果分析
• 3.9.3 结论
• 本章小结
• 第四章 总结及展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢