大功率低速船用柴油机曲轴转子—轴承系统动力学研究

摘要

大功率低速船用柴油机是船舶的心脏，曲轴是柴油机最主要的关键部件。柴油机性能不仅与曲轴转子-轴承系统中的摩擦学行为与动力学行为有关，而且与它们之间的耦合作用密切相关。大功率低速半组合式船用柴油机曲轴转子-轴承系统动力学研究将有助于建立多缸柴油机各设计参数之间更加准确的相互依赖关系，为进一步提高柴油机性能提供理论指导。具体内容有： (1)建立了圆瓦滑动轴承动静态特性参数数据库，把轴瓦的节点压力值、轴心偏心距，作为独立未知量，一次性求得全部未知数：通过算例，阐述了数据库的使用原理； (2)建立了大型低速船用柴油机曲轴转子-滑动轴承系统的动力学模型，得到由于滑动轴承油膜刚度和阻尼随载荷、转速变化，滑动轴承支承的曲轴转子系统的动力学特性，不同于刚性支承和滚动轴承支承的曲轴转子系统；曲轴系统径向不平衡质量不但能激起径向振动，也会激起轴向振动；由于曲轴结构的各向异性，曲轴转子-轴承系统的振动多以耦合振动的方式出现；虽然大型船用曲轴的几何尺寸很大，但其刚度相对较小，因而固有频率很低，不适宜高速运转，也不适宜高速加工； (3)利用有限元法求解主轴颈偏移量对曲轴臂距差的影响，得到臂距差和轴承偏移量近似的线性解析表达式。该方法考虑到了曲轴主轴颈、曲臂和连杆轴颈的变形，并且考虑到了重力对臂距差的影响，对同一型号的曲轴，只需求解一次即可建立臂距差和轴承偏移量的关系，相比较于传统的经验公式，更加方便快捷和精确； (4)为了控制曲轴动态加工误差(曲轴轴颈、滑动轴承和动压油膜三者相互作用引起的误差)，从加工误差产生的根源出发，提出了一种刀具转动的大型曲轴精加工新工艺： a)从加工方式上，改变“曲轴转动刀具不动”为“曲轴不动刀具转动”。 由于主轴颈的动态加工误差主要是由曲拐偏心质量的离心力引起的，如果曲轴自身处于静止状态，则这种离心力从根本上得以消除，从而可以在很大程度上减小动态加工误差； b)降低曲轴转速，以减小曲轴加工误差： 由于曲拐偏心质量的离心力与曲轴转动频率的平方成正比，因此，降低转速可以有效地降低曲拐离心力，进而减小加工误差； c)通过对每个曲拐加装配重以减小曲轴加工误差。对曲拐加装配重可以减小曲拐质心的偏心距，从而减小曲轴加工误差； (5)在ANSYS软件二次开发工具APDL和UIDL的基础上，利用APDL工具开发出具有变参数自适应功能的专用软件工具，基于UIDL工具开发出GuI的软件界面，实际应用表明，利用ANSYS的前后处理器和求解技术，开发出专用曲轴有限元分析程序可以有效应用于曲轴精加工的工艺参数优化； (6)通过自行设计的曲轴转子-轴承系统实验台，用于研究系统的时间响应、频率响应、轴心轨迹，检测气缸内的压力变化规律，控制曲轴的转速和气缸内的压力等动力学特性。试验结果表明：该试验台能够反映大型船用柴油机曲轴转子-轴承系统的动力学特性。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1研究背景

1.1.1大功率低速船用柴油机曲轴简介

1.1.2曲轴关键问题研究

1.2曲轴动力学的研究现状

1.2.1曲轴动力学行为的表现形式

1.2.2曲轴动力学分析的建模方法

1.2.3曲轴动力学问题的求解方法

1.3国内外发展现状

1.4经济效益与社会效益

1.5本课题的研究内容

2径向滑动轴承油膜动静特性参数的计算

2.1前言

2.2数学模型的建立

2.2.1 Reynolds方程及其边界条件

2.2.2油膜厚度方程

2.2.3载荷平衡方程

2.2.4偏位角

2.2.5摩擦力和摩擦系数

2.2.6流量

2.2.7油膜动态特性

2.3数学模型的无量纲化

2.3.1无量纲化的意义和方法

2.3.2 Reynolds方程及其边界条件的无量纲化

2.3.3膜厚方程的无量纲形式

2.3.4载荷平衡方程的无量纲化

2.3.5摩擦力的无量纲化

2.3.6流量方程的无量纲化

2.3.7动特性系数的无量纲化

2.4求解方法

2.4.1 Newton-Raphson概述

2.4.2程序流程图

2.5数据库的使用

2.5.1说明

2.5.2数据库的使用方法

2.6小结

3曲轴转子-轴承系统的振动特性

3.1前言

3.2滑动轴承的简化及其在ANSYS中的模拟

3.2.1滑动轴承的油膜动力系数

3.2.2滑动轴承在ANSYS中的模拟

3.3算例

3.3.1曲轴结构和轴承参数

3.3.2曲轴系统模态分析

3.3.3不平衡质量响应

3.4小结

4曲轴中心线偏移量的计算方法

4.1前言

4.2臂距差的定义

4.3传统方法及其不足

4.3.1调整轴承偏移的传统方法

4.3.2传统方法的不足

4.4基于有限元的调整方法

4.4.1基本假设和边界条件

4.4.2臂距差和轴承偏移的关系

4.4.3利用臂距差求解轴承偏移量

4.5算例

4.6小结

5曲轴动态加工误差分析

5.1前言

5.2曲轴加工的约束条件

5.3曲轴主轴颈动态加工误差分析

5.4曲轴连杆轴颈动态加工误差分析

5.5小结

6基于ANSYS的曲轴有限元分析程序的开发

6.1前言

6.2ANSYS的二次开发技术

6.2.1参数化程序设计语言(APDL)

6.2.2用户界面设计语言(UIDL)

6.3曲轴建模分析软件的设计

6.3.1功能设计和宏的开发

6.3.2界面和程序构架

6.4分析实例

6.5小结

7曲轴转子-轴承系统试验分析

7.1前言

7.2试验校核

7.3小结

8结论

参考文献

致谢

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