某型高速柴油机配气机构的动力失效研究

论文摘要

配气机构控制发动机进、排气过程,对发动机性能和使用寿命具有重要影响。随着发动机技术的发展,配气机构失效问题逐渐受到重视。气门和凸轮作为配气机构的关键元件,它们既是配气机构工作状态的决定因素,又是整机性能的重要影响因素,尤其是对于高速大功率柴油发动机,二者的重要性更加突出。为了保证气门和凸轮在较恶劣的条件下仍能可靠地工作,对它们进行动力失效分析具有重要的理论意义和工程应用价值。本研究是在大量阅读国内外有关文献资料的基础上,结合某柴油机公司配气机构的实际情况,探讨了气门和凸轮磨损的失效因素,应用ANSYS和AVL TYCON软件,建立了该发动机配气机构运动学及动力学模型,通过仿真分析明确了该配气机构气门和凸轮的失效原因,并提出了改进思路。首先,根据气门在落座稳定后的实际工作情况,本文采用热应力耦合有限元方法,应用ANSYS软件建立了气门的二维有限元实体模型,根据实测的配气气门的温度分布图和实际工作中的受力情况,在ANSYS环境下进行了网格划分、边界条件施加以及对气门的热-结构耦合应力分析,通过计算得到了气门复杂工况下的位移场、应力场和温度场分布,得到气门失效的主要原因,为配气机构冷却系统的改进提供参考。其次,采用集中质量法对该型发动机配气机构进行适当的简化,建立多质量数学模型,通过创建配气机构的整体实体模型,获得各元件的质量参数。为获得准确的配气机构各元件刚度参数,利用有限元方法及相关软件分别对各元件进行静力分析,得出各元件的应变等值线图,继而得出准确的刚度参数值。然后,对配气机构进行运动学和动力学仿真计算,计算结果表明:弹簧裕度、丰满系数、润滑效果、振动特性这四项均是满足要求的;气门落座速度、气门弹簧的受力情况及气门反跳、从动件飞脱这四项也均在合理范围之内;根据计算出的气门落座速度,对气门落座时的碰撞接触过程进行动力分析,分析结果表明气门落座时的碰撞接触应力远小于许用应力,不会造成气门低周失效;但凸轮-挺柱接触应力比材料的许用接触应力大,过大的接触应力是造成凸轮磨损失效的主要原因。最后,在动力失效分析的基础上,提出了凸轮-挺柱接触应力过大的解决方法,为配气系统的优化设计和可靠性研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 配气机构的国内外研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 1.3.1 研究对象
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 配气机构的工作原理及结构
• 2.1 配气机构的工作原理
• 2.2 配气机构的结构类型
• 2.3 本章小结
• 第三章 配气机构气门的热应力耦合分析
• 3.1 气门简介及失效因素分析
• 3.1.1 气门简介
• 3.1.2 气门失效因素分析
• 3.2 热应力耦合分析的理论介绍
• 3.3 气门的热应力耦合分析
• 3.3.1 气门稳态热分析
• 3.3.2 气门耦合应力分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 配气机构力学模型分析
• 4.1 单质量模型
• 4.1.1 微分方程和初始条件
• 4.1.2 原始数据的确定
• 4.2 二质量模型
• 4.2.1 二质量数学模型的建立
• 4.2.2 二质量模型微分方程
• 4.3 多质量模型
• 4.4 三种模型的比较分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 配气机构动力学模型的建立
• 5.1 配气机构运动学模型
• 5.2 配气机构动力学模型
• 5.2.1 微分方程和初始条件
• 5.2.2 参数设置
• 5.3 本章小结
• 第六章 配气机构的动力仿真计算
• 6.1 AVL TYCON软件功能简介及其应用
• 6.2 配气机构运动学计算分析
• 6.2.1 配气机构的运动学模型及参数
• 6.2.2 运动学计算结果及分析
• 6.3 配气机构动力学计算分析
• 6.3.1 配气机构的动力学模型及参数
• 6.3.2 动力学计算结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表学术论文