柴油机硅油减振器减振机理及匹配仿真技术研究

摘要

扭转振动是柴油机轴系运行时出现的一种振动形式，严重的扭转振动可能造成柴油机不能正常工作，甚至导致柴油机轴系的疲劳破坏。对于在重型运输和工程机械车辆上使用的重型车载柴油机，由于采用高增压、高速，机器的单位体积输出功率得到大幅度地提高，也加剧了轴系的扭转振动。在柴油机轴系上安装扭振减振器是减小扭转振动的重要方式，合理地设计与匹配扭振减振器对降低柴油机轴系扭转振动的振幅、减少扭转振动危害、降低振动噪声和提高车辆舒适性都有着非常重要的意义。
　　 硅油扭振减振器结构简单且减振效率高，相对于其他结构形式的减振器有着较大的优势，因此在柴油机轴系扭振减振方面的应用非常广泛。但是，目前硅油减振器匹配设计计算技术和方法并没有跟上现代柴油机技术发展的步伐，仍然沿用20世纪40年代B.I.C.E.R.A（英国内燃机协会）提出的传统理论和经验公式，设计匹配的减振器需要反复不断地通过台架实验测试来修正和改进设计才能达到预期的减振效果要求。
　　 现代柴油机的发展要求在尽量短的时间内设计开发承载能力足够高、工作稳定可靠的减振器。因此对硅油减振器匹配计算和设计方法进行深入细致的研究，提高匹配设计的准确性和可靠性具有十分重要的意义。本课题以高分子材料流变学、非牛顿流体力学、热力学、振动力学和柴油机动力学等理论为基础，在硅油流变特性实验研究之上，结合硅油减振器实际工作特点，进行减振机理分析和研究，建立基于非牛顿流体的柴油机硅油减振器的动态平衡匹配计算方法，形成较为准确和可靠的减振器匹配计算和优化设计方法。同时，利用现有的三维建模、多体动力学和有限元仿真计算软件，为工程实际应用提供基于多体动力学的柴油机曲轴系统和硅油减振器的扭转振动仿真计算的方法，作为产品设计验证的辅助手段，缩短产品开发的周期。论文的主要工作如下:
　　 1)以非牛顿流体力学、流变学、热力学、振动力学等为理论基础，借助高级扩展旋转式流变仪等仪器进行硅油的流变试验，建立了硅油的力学模型及其非线性本构方程。
　　 2)开展了硅油减振器的阻尼系数、粘性摩擦阻力矩、减振器的发热量和散热量计算方法的研究。
　　 3)通过分析硅油减振器工作过程中影响其工作性能的温度、转速、硅油粘度和振动幅值等参数的内在联系，研究模拟减振器热平衡建立过程的数值计算方法，提出了一种接近于减振器实际运行工况的动态平衡匹配计算方法，该方法能有效地提高匹配计算的准确性和效率。
　　 4)进行柴油机曲轴系统多体动力学的三维建模、边界和约束条件的设定，通过仿真计算得到了柴油机曲轴系统的瞬时转速信号，实现了对柴油机轴系扭转振动和减振器减振性能的分析。
　　 5)从硅油减振器的结构特点和设计要求出发，考虑系统动力性、经济性和可靠性等因素，建立了扭振减振器的多目标优化设计模型，采用遗传算法进行了产品的匹配计算和设计优化，实现了减振器系统主要参数的优化配置，使产品的综合性能达到最优。
　　 6)通过柴油机台架试验，进行了轴系的扭转振动和硅油减振器表面温度测试，验证了减振器动态匹配和仿真计算方法的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 目的和意义

1．2 柴油机轴系扭振计算综述

1．2．1 计算模型

1．2．2 扭振计算方法

1．3 硅油减振器匹配设计计算综述

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 硅油减振器的台架试验

1．4．1 柴油机轴系扭振测试

1．4．2 模拟试验台架

1．5 课题来源及本文的主要工作

1．5．1 问题提出与课题来源

1．5．2 论文主要工作与章节安排

第2章 硅油的力学特性研究

2．1 硅油的化学成分

2．2 硅油的流变性

2．3 硅油的粘度

2．3．1 硅油温度对粘度的影响

2．3．2 硅油的剪切粘度

2．4 硅油的粘弹性

2．4．1 动态实验原理

2．4．2 硅油的动态试验分析

2．5 硅油本构方程的建立

2．5．1 本构方程构建的原理

2．5．2 常用的粘度经验方程

2．5．3 硅油幂律本构方程的建立

2．5．4 粘弹性材料本构方程

2．5．5 硅油粘弹性本构方程建立

2．6 本章小结

第3章 硅油减振器的减振机理分析

3．1 硅油减振器工作原理

3．2 硅油减振器对柴油机轴系减振作用的计算分析

3．2．1 柴油机轴系扭转振动分析

3．2．2 硅油作为纯粘性流体的减振计算

3．2．3 硅油作为粘弹性流体的减振计算

3．2．4 硅油减振器的减振性能影响因素

3．3 硅油减振器阻尼系数的计算

3．3．1 粘性阻尼器的一般结构和作用原理

3．3．2 减振器实际阻尼系数的计算

3．3．3 减振器实际阻尼系数影响因素分析

3．4 硅油减振器的发热量计算

3．4．1 纯粘性材料消耗的能量

3．4．2 粘弹性材料消耗的能量

3．5 硅油减振器散热量计算

3．5．1 经验公式法

3．5．2 CFD热分析法

3．5．3 散热系数的修正

3．5．4 实例计算修正

3．6 本章小结

第4章 硅油减振器动态匹配计算方法研究

4．1 常用硅油减振器匹配计算方法

4．2 动态匹配计算方法

4．2．1 减振器工作中动态平衡的建立过程

4．2．2 热平衡的计算流程

4．2．3 减振器动态平衡计算流程

4．3 动态匹配计算方法的实现

4．3．1 选取的计算模型参数

4．3．2 计算模型的简化

4．3．3 热平衡过程的实例计算

4．3．4 基于幂律流体的动态平衡计算

4．3．5 基于Kelvin-Voigt力学模型粘弹流体的动态平衡计算方法

4．3．6 基于三参量剪切粘弹流体的动态平衡计算方法

4．3．7 基于Maxwell力学模型粘弹流体的动态平衡计算方法

4．4 不同匹配计算方法的比较分析

4．4．1 常用匹配方法的计算结果

4．4．2 不同匹配计算方法的计算结果比较

4．5 本章小结

第5章 基于多体动力学的硅油减振器匹配仿真计算

5．1 理论基础

5．1．1 多刚体动力学方程及求解

5．1．2 ADAMS柔性模块的求解

5．1．3 柔性体动力学模型的建立

5．2 硅油减振器动力学模型建立

5．3 仿真计算

5．3．1 曲轴系统的装配模型

5．3．2 曲轴系统动力学模型

5．3．3 曲轴多体动力学模型

5．3．4 轴系的主要载荷的施加

5．3．5 边界约束条件

5．4 未安装硅油减振器时仿真计算结果

5．5 安装硅油减振器后仿真计算结果

5．6 本章小结

第6章 硅油减振器多目标优化匹配设计方法研究

6．1 硅油减振器优化设计数学模型

6．1．1 设计变量

6．1．2 目标函数

6．1．3 约束条件

6．2 硅油减振器优化设计方法

6．2．1 多目标优化方法

6．2．2 典型多目标进化算法

6．2．3 NSGA-Ⅱ多目标优化算法

6．3 基于NSGA-Ⅱ硅油减振器优化设计方法的实现

6．4 实例计算

6．4．1 设计变量选取

6．4．2 优化结果分析

6．5 本章小结

第7章 硅油减振器试验验证

7．1 试验台架

7．2 测试系统构成

7．3 试验方案制定

7．3．1 硅油减振器样品的试制

7．3．2 柴油机扭振测试工装的制作

7．3．3 测试工装的安装

7．3．4 测试过程

7．4 试验结果分析

7．4．1 硅油减振器失效时的测试结果

7．4．2 安装新硅油减振器后

7．5 试验与理论计算的比较

7．5．1 与动态平衡方法计算结果的比较

7．5．2 与多体动力学仿真计算结果的比较

7．5．3 与不同力学模型的数值计算结果的比较

7．6 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和从事科研工作