裙部剛度對活塞動(dòng)力學(xué)影響的研究

第37卷第04期煤礦機械Vol. 37No 042016年04月Coal Mine MachineryApr.2016doi:10.13436/ j. mkjx201604014裙部剛度對活塞動(dòng)力學(xué)影響的研究*陳延鵬1,劉世英',熊培友2(1.山東理工大學(xué)交通與車(chē)輛工程學(xué)院,山東淄博255049;2.山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?山東濱州256602)摘要:建立了用來(lái)描述活塞體徑向剛度情況的剛度矩陣,對比計算了減重腔的布置對活塞徑向剛度的影響。利用AⅥ L GLIDE軟件建立了活塞動(dòng)力學(xué)參數化模型,分析了活塞裙部不同剛度分布情況對活塞二階運動(dòng)的影響,探究了在不同配缸間隙情況下活塞裙部剛度調整對敲擊能量影響的敏感程度,并對結論進(jìn)行分析。研究結果表明,減重腔對活塞徑向剛度無(wú)明顯影響,活塞裙部剛度的減小會(huì )使活塞徑向位移及最大擺動(dòng)角度有所增大,隨著(zhù)配缸間隙的增大,活塞敲擊能量的改變受裙部剛度調整的影響越來(lái)越小。關(guān)鍵詞:裙部;剛度;二階運動(dòng);配缸間隙;敲擊能量中圖分類(lèi)號:TK402文獻標志碼:A文章編號:1003-0794(2016)04-0036-03Effect of Skirt Stiffness on Piston Dynamical PerformanceCHEN Yan-peng, LIU Shi-ying, XIONG Pei-you(1. College of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2. Shandong Binzhou Bohai Piston Co, Ltd, Binzhou 256602, China)Abstract: Established the stiffness matrix to describe the overall radial stiffness of the piston, studiedthe influence of the weight reduction gallery on the stiffness of the piston, Established piston dynamicmodel by AVL GLIDE, analyzed the effect of skirt stiffness change on the secondary motion, studiedthe effect of the skirt stiffness on the impact of the kinetic energy in the case of different cylinderclearance, and analyzed the results. Calculation results show, weight reduction gallery does notsignificantly affect the overall radial stiffness of the piston, the skirt stiffness decreases will lead toincrease the radial displacement and maximum tilting angle of the piston. With the increase of thecylinder clearance, the impact of the adjustment of the skirt stiffness on the kinetic energy is becomingsmaller and smallerKey words: skirt; stiffness; secondary motion; cylinder clearance; kinetic ener1活塞剛度矩陣的建立F1F2…F活塞體徑向剛度通常采用剛度矩陣來(lái)描述,建Sn‖S2nS立剛度矩陣首先是活塞表面上剛度測點(diǎn)的布置,活S塞主推力側圓周方向上的中心位置定為0,從0位置開(kāi)始沿圓周方向每隔一定角度選取1個(gè)縱向截面,在每個(gè)截面上沿軸向選取一定數目的點(diǎn)并按一定順序進(jìn)行編號,截面的選取以及編號的順序如圖1所示。式中S一在第點(diǎn)加載時(shí)第j點(diǎn)的徑向變形量具體截面選取的數量根據裙部的實(shí)際寬度而定?；钊膭偠染仃嚳梢酝ㄟ^(guò)有限元法模擬計算獲得,尤其是在活塞產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期還沒(méi)有實(shí)際活塞樣品時(shí)有限元法模擬顯得更為簡(jiǎn)便、快捷。如果在獲得實(shí)際活塞樣品后,可以通過(guò)剛度實(shí)驗臺對活塞進(jìn)行剛度測試,圖2為對活塞某點(diǎn)加載后計算得到的變形云圖。圖1布點(diǎn)示意圖在1點(diǎn)位置施加一適當的徑向力F1,并記錄下所有點(diǎn)的徑向變形值,然后依次對剩余點(diǎn)施加徑向力F2,同樣記錄下所有測點(diǎn)的徑向變形值,徑向剛中國煤化工度矩陣的編寫(xiě)形式為CNMHG*山東省自然科學(xué)基金(ZR010EMO70)圖2活塞變形云圖第37卷第04期裙部剛度對活塞動(dòng)力學(xué)影響的研究——陳延鵬,等Vol. 37No 042減重腔對活塞徑向剛度的影響剛度由上端至下端逐漸減小,在相同高度上裙部越靠活塞組運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的往復慣性力,其最大值近支撐壁的位置其剛度越大,活塞裙部這樣的剛度分Fm=-mo2(1+λ)(2)布可以改善裙部與缸套之間的貼合情況,有利于油膜式中m—活塞組質(zhì)量,活塞組由活塞、活塞環(huán)、的布置?；钊N(xiāo)組成;采用減重腔的活塞通常裙部會(huì )設計成上窄下寬曲柄半徑;的形式,上部窄是因為要為布置減重腔留出空間,下曲柄旋轉的角速度部寬可以增大活塞裙部和缸套的接觸面積,減小接觸曲柄半徑與連桿長(cháng)度之比壓力,裙部接觸壓力的減小有利于減輕裙部的磨損,根據式(2)測算,柴油機活塞的最大往復慣性力延長(cháng)活塞的使用壽命。達到活塞本身質(zhì)量的300-600倍,而汽油機則達到另外通過(guò)研究不同結構調整對裙部剛度以及活100~-2000倍。因此慣性力是引起內燃機振動(dòng)、受塞質(zhì)量的影響發(fā)現,汽油機活塞可調整結構參數較多力件動(dòng)負荷和軸承磨損的主要原因,故而活塞的質(zhì)在一定程度上可以實(shí)現對活塞體剛度以及質(zhì)量的獨量要盡可能小,而且活塞承壓、傳熱、密封、導向等功立調整。能均應在輕巧的結構下實(shí)現3裙部剛度對活塞動(dòng)力學(xué)的影響減重腔是常見(jiàn)的減重手法,本文針對有無(wú)減重通過(guò)對某一機型活塞裙部加強肋以及壁厚的調腔對活塞徑向剛度的影響進(jìn)行了對比計算。帶有減整做出了具有不同裙部剛度分布情況的活塞模型,重腔設計的活塞如圖3(a)所示,經(jīng)過(guò)模擬計算圖中對比計算了活塞裙部剛度不同分布情況對活塞二階減重腔容積占活塞體積的525%,無(wú)減重腔設計的運動(dòng)的影響,研究了不同配缸間隙情況下活塞裙部活塞如圖3(b)所示?；钊麆偠葴y點(diǎn)的布置如圖3(c)剛度調整對敲擊能量影響的敏感程度。所示,表1為兩活塞模型各測點(diǎn)的徑向變形量結果有研究表明,活塞銷(xiāo)孔向主推力側偏置可降低活加載力的值為2kN。塞的敲擊力。該機型活塞銷(xiāo)孔偏心也采用偏向活塞主推力側的設計?；钊诟左w內的運動(dòng)較為復雜,本文對其二階運動(dòng)及敲擊能量的分析使用動(dòng)力學(xué)軟件AVL GLIDE進(jìn)行模擬計算。該機型活塞的主要設計參數總高/mm46.8壓縮高/mm(a)有減重腔設計(b)無(wú)減重腔設計公稱(chēng)直徑dmm銷(xiāo)孔偏心/mm0.4(1)不同裙部剛度對活塞二階運動(dòng)的影響A、B兩活塞模型裙部各測點(diǎn)徑向變形量如表2所示。測點(diǎn)所加載徑向力為2kN,測點(diǎn)1-6根據活塞裙長(cháng)按照從下至上的順序均勻布置。分析表2中2個(gè)模型裙部各測點(diǎn)的徑向變形量,可以得出,B活(c)剛度布點(diǎn)示意圖塞相較于A(yíng)活塞裙部剛度整體上都有所減小,且裙圖3模型以及布點(diǎn)圖1、2、3、4,5、6、7、8、9.測點(diǎn)部下端剛度減小得幅度較上端有所增大。表1各測點(diǎn)徑向變形量統計表2各測點(diǎn)徑向變形量統計減重腔設k計無(wú)減重腔設計測A活塞B活塞點(diǎn)20°00.2650.13300.1780.3210.17820.1560.0760.15600750.1880.1050.1200.0640.1190.064007940.1030.0560.101000.1100.06750.0880.0470.0860.0480.0550.0400075005260.0680.00.0670.0390.0450.0390.0550.042700450.03600440.035800370.0360.03600370.0350.036在內燃機缸壓以及內燃機各零部件的設計參數900280.0280029002800280.028不發(fā)生改變的前提下僅話(huà)度調憋活寒裙部的結構參從表1可以看出,減重腔的布置對裙部以及環(huán)數,活塞主中國煤化工況整體基本一岸所測部位的徑向剛度無(wú)明顯影響,另外從結果中致。兩活塞CNMHG4所示(正值可以看出活塞體頭部剛度明顯大于活塞裙部,而裙部.活塞主推力側受力)。Vol,37 No 04裙部剛度對活塞動(dòng)力學(xué)影響的研究——陳延鵬,等第37卷第04期圖6為6種設計方案的敲擊能量結果,表4為6種設計方案的各敲擊能量峰值的具體情況,曲軸轉角/(°)圖4兩活塞主、次推力側受力情況180270360450540630A、B活塞主推力側2.AB活塞次推力側圖5為兩活塞不同裙部剛度情況對活塞徑向位(a)6種方案敲擊能量移(正值為偏向次推力側)擺動(dòng)角度(正值為頭部擺向次推力側)的影響結果。0.02-0.04-0.06曲軸轉角/(°)(b)6種方案敲擊能量峰值90180270360450540630曲軸轉角/(°圖66種方案敲擊能量結果(a)活塞的徑向位移1.方案12.方案23.方案34.方案45.方案56.方案6表46種方案敲擊能量峰值統計0.10配缸敲擊能量峰值/N·mm能量峰值0.05間隙/mmA活塞B活塞增大幅度%00175159995320790022522667228.162924.2450027530.110433.763612.1330.20090180270360450540630從分析結果可以看出隨著(zhù)配缸間隙的加大,活塞曲軸轉角/(°)(b)活塞的擺動(dòng)角度因裙部剛度減小造成的敲擊能量峰值的增長(cháng)幅度逐圖5徑向位移、擺動(dòng)角度的變化漸減小,對其余位置各方案敲擊能量進(jìn)行統計計算同1.A活塞2.B活塞樣得出這個(gè)結論。這是因為活塞敲擊常伴隨著(zhù)活塞從圖5(a)中可以看出活塞裙部剛度的減小會(huì )的徑向位移的突變發(fā)生,而配缸間隙的增大會(huì )使活塞引起活塞徑向位移的增大,這是因為活塞裙部剛度徑向位移的突變距離大幅增大,進(jìn)而減弱了剛度變化的減小會(huì )減弱活塞裙部的支撐能力,導致活塞徑向位移增大。從圖5(b)中可以看出,活塞裙剛度的減對活塞敲擊能量的影響。小會(huì )引起活塞最大擺動(dòng)角度的增大,這是因為在活4結語(yǔ)塞的換向過(guò)程中,裙部剛度的減小會(huì )造成受力位置1)減重腔的布置不會(huì )對活塞的徑向剛度產(chǎn)生支撐能力的下降導致擺角增大。另外結合圖5(b)明顯影響及圖4中可以看出,當活塞裙部單側受力且活塞頭(2)活塞裙部剛度的減小會(huì )使活塞徑向位移以部擺向受力側時(shí),B活塞的擺角比A活塞有所減及最大擺動(dòng)角度增大,且當活塞裙部下端剛度減小幅小,這是因為B活塞裙部下端剛度減小的幅度較上度大于裙部上端時(shí),會(huì )對裙部單側受力且活塞頭部擺端有所增大,裙部下端支撐能力變弱更為明顯,使此向受力側的活塞擺動(dòng)具有一定的抑制作用;刻活塞頭部產(chǎn)生向反方向擺動(dòng)的趨勢,因此對活塞(3)隨著(zhù)配缸間隙的增大,活塞敲擊能量的改變的擺動(dòng)具有一定抑制擺動(dòng)的作用受裙部剛度調整的影響越來(lái)越小。(2)在不同配缸間隙情況下活塞裙部剛度調整參考文獻對敲擊能量影響的敏感程度[]郭磊,郝志勇張鵬偉,等.活塞動(dòng)力學(xué)二階運動(dòng)的仿真方法與試沿用上一節中的2個(gè)活塞模型,并選取了3組驗研究[J].內燃機工程,2009647-53配缸間隙,相互搭配組成6種設計方案,各設計方案2]陶莉莉劉世英,田小青,等乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機活塞裙部剛度矩陣評的具體搭配如表3所示。價(jià)及試驗研究[J.內燃機工程,2013(5:62-6表36種設計方案3]劉宇航,張保成,吳學(xué)鋒,等三種因素對活塞二階撞擊能量的影響[J].中國農機化學(xué)報,201435(2):110-14方案活塞模型配缸間隙/mm方案1A活塞00175[4]袁兆成.內燃機設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012方案2B活塞001755]柴鎮江,蔣汪塞基擊力的影響規律分析[J.中方案3A活塞00225國工程機械中國煤化工方案4B活塞0.022作者簡(jiǎn)介:CNMHG士研究生,研究方方案5A活塞00275向:內燃機零部件設計及實(shí)驗,電子信箱: chenyanpeng8@163com方案6B活塞00275責任編輯:趙榮收稿日期:2016-02-2338