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基于Abaqus的新型卧式柴油机机体结构及动态特性研究
雷基林1,申立中1,毕玉华1,陈建明2,汪勇
3
(1.昆明理工大学交通工程学院云南省内燃机重点实验室,云南昆明650500;
2.云南新天力机械制造有限公司,昆明650300;3.云南云通司法鉴定中心,昆明650224)
摘要:针对自主创新设计开发的非道路龙门卧式柴油机机体,分析了龙门卧式机体的结构特点,采
用Abaqus软件建立了机体装配组件有限元模型并通过自由模态试验进行了验证,计算分析了龙门
卧式机体结构低阶固有频率和振型,并与传统隧道卧式机体结构的低阶模态进行了对比分析。研究
结果表明:新型非道路卧式柴油机龙门机体结构紧凑、润滑油道短、冷却效果好、铸造和加工方便;
其低阶固有频率较高,整体刚性较好,各阶模态固有频率均大于500Hz。
关键词:卧式柴油机;龙门机体;模态分析;动态特性;Abaqus软件
0引言
机体作为柴油机的骨架,是柴油机各机构、各系统的装配基体,是柴油机最为关键的零部件之一。
一方面,既要保证活塞、连杆、曲轴及凸轮轴等高速运动件运行的可靠性、耐久性和安全性,又要求机
体不仅要有足够的几何精度,而且本身应具备足够的刚度、强度。另一方面,机体作为发动机单件质量
中最大的零件,要求设计中尽可能轻量化。因此,发动机机体的刚度、强度以及轻量化设计研究一直是
众多学者研究的焦点之一[1-5]。
美国韦恩州立大学OantaE等[6]采用应变测试系统试验测试了高速船用柴油机缸体上10个重要位置
的应变,建立了缸体的有限元分析模型,计算分析了缸体的工作应力场和应变分布,并采用试验数据验
证了模型的正确性。日本国士馆大学HondaY等[7]采用锤击法研究了小型柴油机缸体的模态和振动特
性,研究结果发现,减轻重量和提高缸体刚度可以改善发动机振动特性,梯型缸体在不增加重量的情况
下可增加发动机刚度。英国萨塞克斯大学VulliS等[8]研究了发动机缸体多点激励单点测量的振动信号的识别和时频分析。国内天津大学高文志等[9]采用悬挂式自由支承方式,单点激励、多点响应的方法试验测试了ZH1110卧式单缸柴油机机体的动态特性。浙江大学郝志勇等[10]以轻量化为目标,对S1100型卧式单缸柴油机气缸体强度进行了有限元计算分析和轻量化设计。
卧式柴油机因重心低、结构简单、用途广泛、使用方便、价格低廉等特点,已成为我国农业机械、
小型工程机械和内河机动船等的主要配套动力,年需求量超过800万台[11]。现有卧式柴油机因售价低
以及冷却方式和结构的限制,技术发展严重滞后。虽然我国已是世界上卧式单缸柴油机的生产和使用大
国,但单缸柴油机的技术研发和技术水平与西欧和日本等国相比差距较大。
为此,自主设计开发了新型非道路卧式龙门机体结构,对比分析了传统隧道卧式机体与龙门卧式机
体结构刚度以及机体结构对机体动态特性的影响关系。
1非道路卧式柴油机机体结构分析
传统卧式单双缸柴油机机体大多采用直面缸壁的“箱型”隧道式结构,冷却水腔采用蒸发式冷却水
腔、主轴承采用滚动轴承支撑。这直接导致其加工工艺复杂,结构笨重,承载能力低,可靠性差等技术
缺陷。图1为传统隧道卧式柴油机机体图。
为克服现有非道路卧式柴油机的技术缺陷,提出了一种“弧面缸壁+筋”的龙门卧式结构机体,其
结构如图2所示。龙门卧式柴油机机体大量采用“弧面+筋”的结构,曲轴箱壁面按照曲柄连杆机构运
动轨迹的“琵琶线”进行设计;主轴承采用滑动轴承支撑,机体后端加设曲轴箱端盖,曲轴箱端盖上设
计维修检查窗口,可方便对发动机的日常维修和保养;采用强制冷却闭式循环系统,利用油底壳与气缸
收稿日期:2012-2-28.基金项目:云南省科技强省计划项目(2008AD007),云南省内燃机重点实验室开放基金(200903)
作者简介:雷基林(1977-),男,副教授,博士,主要从事内燃机设计与结构优化研究。E-mail:leijilin@
冷却水套之间的空间在机体下端气缸冷却水套外部设计强制冷却水腔;直接采用凸轮轴驱动机油泵,机
油泵旁设计机油滤清器,减少机油泵驱动中间传动环节缩短机油通道。
图1传统隧道卧式柴油机机体图2新型卧式柴油机龙门机体
研究机型为自主设计开发的2D25型卧式双缸柴油机,采用强制冷却闭式循环,四冲程形式,缸径
115mm,行程120mm,压缩比17.5,发动机总排量2.5L,标定功率37kW,标定转速2400r/min,最大转
矩167N?m,最大转矩转速1600r/min。
2机体组件有限元模型的建立
为了更多地模拟机体实际工作中的动态变形,建
立了机体、气缸盖、气缸套、气缸垫、主轴承盖、曲
轴箱盖、缸盖螺栓、主轴承盖螺栓、曲轴箱盖螺栓的
三
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