8V280柴油机双轴平衡机构方案设计及平衡性能研究

摘要

8V280柴油机双轴平衡方案设计及平衡性能研究是中国中车戚墅堰机车有限公司与我校共同开展的科研项目。相对于直列8缸机，V8柴油机轴向尺寸短、重量轻，非常有利于机车的安装布置。但是V8型柴油机存在着较大的不平衡力和力矩，如果平衡问题不能得到很好地解决，将会导致柴油机的相关仪器的损坏，所以需对8V280柴油机的平衡装置进行设计并对添加了平衡装置的柴油机进行平衡性能分析。
　　其主要的研究工作如下：
　　（1）对两种曲柄型式、四种气缸夹角下的柴油机进行平衡性能计算，相互比较并选择最适合8V280柴油机的曲柄型式和气缸夹角。在此基础上计算出柴油机的倾覆力矩，并通过MATLAB软件进行曲线的拟合及谐波分析。
　　（2）利用Pro/E软件建立起8V280柴油机三维零件模型并进行装配，装配完成后导入到多体动力学仿真软件ADAMS，对导入后的模型进行材料、单位的设置，并添加约束和驱动，从而建立起8V280柴油机多刚体模型。在多刚体模型的基础上进行倾覆力矩的仿真测量，与理论计算结果进行对比，检验多刚体模型建立的准确性。
　　（3）结合理论设计和仿真分析，根据柴油机的平衡特性设计合理的平衡轴空间布置，在此基础之上设计出平衡轴的相位，并以仿真分析进行验证。然后对平衡轴平衡重质量的分布和结构参数进行设计，结构参数包括平衡轴的截面形状、厚度等。最后建立平衡轴模型进行模态分析，检验其固有频率是否会引起柴油机共振。
　　（4）按照设计平衡轴的尺寸及参数，建立平衡轴模型并装配到先前的多刚体模型，对安装平衡轴前后的柴油机模型进行动力学仿真分析，测量出平衡前后的倾覆力矩曲线并与理论计算的结果进行对比。将机架支座进行柔性化处理，建立8V280柴油机刚柔耦合模型，并对该型柴油机的振动烈度速度值进行仿真测量，验证其振动情况是否符合标准。
　　通过以上几个方面的研究工作，我们可以得出以下几点结论：
　　（1）通过柴油机的平衡性能计算，平面曲柄、气缸夹角为60°的布置方式更适合8V280柴油机。在此基础之上计算出了该型柴油机的倾覆力矩，并通过MATLAB软件对倾覆力矩进行了曲线的拟合及谐波提取，为后期的双轴平衡方案设计打下坚实的基础。
　　（2）利用Pro/E和ADAMS软件建立的8V280柴油机多刚体模型进行了倾覆力矩的仿真测量，其仿真出来的曲线与理论计算的结果一致，充分验证了所建模型的准确性。
　　（3）通过理论设计及仿真分析，V轴镜面对称布置更适合双轴平衡方案，在完全抵消二阶往复惯性力的同时，衰减了部分的倾覆力矩,平衡轴的水平距离设计为455mm,竖直距离设计为148mm。理论设计出平衡轴的相位为11.734度，通过动力学仿真分析，倾覆力矩波动的幅值明显降低。在质量分布方面：单根平衡轴设计了4个平衡块，2块为一个分段，单个平衡块的厚度为400mm，扇形平衡轴更符合平衡轴的低质量要求，扇形的夹角设计为180度，扇形的半径设计为38mm。通过对平衡轴的模态分析，平衡轴的固有频率与柴油机固有频率不同，不会引起共振，进一步验证了平衡轴参数设计的合理性。
　　（4）通过动力学仿真分析，柴油机平衡前后的倾覆力矩曲线与理论计算的结果十分的吻合，倾覆力矩的波动幅值降低了85.24％，在验证了建立模型准确性的同时也证实了双轴平衡方案的效果。安装平衡轴后的柴油机振动烈度速度值为10.28mm/s，达到了“容许”级别，再次验证了平衡方案的有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 双轴平衡国内外研究现状

1.3 柴油机平衡性能国内外研究现状

1.4 本课题主要的研究工作

第2章 8V280柴油机平衡性能计算分析

2.1 8V280柴油机平衡性能计算

2.2 倾覆力矩的计算

2.3 本章小结

第3章 8V280柴油机多刚体模型的建立及仿真验证

3.1 8V280柴油机简介

3.2 8V280柴油机三维模型的建立

3.3 8V280柴油机多刚体虚拟样机的建立

3.4 模型的仿真验证

3.5 本章小结

第4章 双轴平衡方案设计

4.1 平衡轴空间布置设计

4.2 平衡轴的相位设计

4.3 平衡轴结构设计

4.4 平衡轴的模态分析

4.5 本章小结

第5章 8V280柴油机平衡性能仿真分析

5.1 8V280柴油机动力学仿真分析

5.2 8V280柴油机整机振动仿真分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间发表文章

致谢