技術(shù)維修與康明斯知識

康明斯柴油機挺柱改進(jìn)案例及配氣機構優(yōu)化仿真

 

摘要：針對6CTA8.3-G2型柴油發(fā)電機組的發(fā)動(dòng)機挺柱與凸輪軸之間磨損的現象，康明斯公司提出了將平底挺柱改為滾輪挺柱方案，同時(shí)理論上進(jìn)行了科學(xué)研究和分析。為了更好地證明該方案的實(shí)際操作性，康明斯公司利用 AVL-EXCITE Timing Drive 軟件對改進(jìn)后的柴油機配氣機構進(jìn)行了仿真計算，通過(guò)對比改進(jìn)前后的各項參數以及接觸應力、推桿力、氣門(mén)反跳、彈簧并圈來(lái)評估改進(jìn)方案的可行性。

 

一、背景介紹

 

      隨著(zhù)現代柴油機強化程度提高、排放升級、爆壓提升等發(fā)展趨勢，對柴油機各機構及系統的要求也越來(lái)越高。配氣機構作為發(fā)動(dòng)機的兩大機構之一，其精確性、可靠性都必須得以保證，并隨著(zhù)柴油機強化趨勢越來(lái)越受到重視。配氣機構的主要功能是實(shí)現發(fā)動(dòng)機的換氣過(guò)程，根據氣缸的工作次序，定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門(mén)，以保證氣缸吸入新鮮空氣和排出廢氣?，F代柴油機設計中，配氣機構設計占有重要地位。其設計質(zhì)量直接影響著(zhù)柴油機的技術(shù)性能、工作可靠性、耐久性和平穩性。隨著(zhù)柴油機平均有效壓力和轉速的提高，配氣機構零件所承受的機械負荷、熱負荷、摩擦磨損以及振動(dòng)噪聲急劇增加。為了保證柴油機具有良好的性能和壽命，對配氣機構提出了更高的要求。本文正是在這種前提下，針對6CTA8.3-G2型號柴油機配氣機構在性能不斷提升過(guò)程中遇到挺柱與凸輪軸之間的磨損問(wèn)題，對原配氣機構進(jìn)行改進(jìn)設計。

      6CTA8.3-G2型柴油機排量8.9 L，凸輪軸置于機體側面中部，通過(guò)挺柱推桿傳遞到搖臂驅動(dòng)氣門(mén)。近年來(lái)隨著(zhù)排放法規的提升和對發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性等各方面要求的逐步提高，該型號發(fā)動(dòng)機經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機各項性能指標均作了較大幅度的提升。伴隨著(zhù)這些改進(jìn)和提升，柴油機本體各系統均進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)，配氣機構的磨損問(wèn)題日益突出，特別是凸輪軸和挺柱之間的磨損和點(diǎn)蝕故障越來(lái)越多?；谶@樣的現狀，須解決凸輪軸與挺柱間的磨損和點(diǎn)蝕問(wèn)題。通過(guò)AVL-EXCITE Timing Drive軟件對原設計方案的分析計算發(fā)現，進(jìn)排氣凸輪與挺柱底面接觸面的接觸應力分別達到688.3 MPa和836 MPa，超過(guò)了鋼制平底挺柱的一般許用值680 MPa。因此改用在重型柴油機領(lǐng)域中應用越來(lái)越廣、且已經(jīng)趨于成熟的滾輪挺柱，以代替原來(lái)的平底挺柱。使用AVL-EXCITE Timing Drive軟件模擬原方案與改進(jìn)方案，評價(jià)凸輪與挺柱之間的接觸應力是否得到改善，并進(jìn)一步對比2種方案，從配氣機構的運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行仿真計算來(lái)評估改進(jìn)方案的效果和可行性。

 

二、方案說(shuō)明

 

      原柴油機配氣機構為平底挺柱、凸輪軸下置型，其優(yōu)點(diǎn)在于傳動(dòng)機構簡(jiǎn)單、易于布置，如圖1所示?？紤]到售后反饋的配氣機構耐久性問(wèn)題主要集中于凸輪與挺柱間的過(guò)度磨損，因此不改變配氣機構的布置，只考慮將平底挺柱改為滾輪挺柱，并根據挺柱變更后凸輪型線(xiàn)跟隨性的差異，對凸輪型線(xiàn)進(jìn)行微調，盡可能保證氣門(mén)運動(dòng)特點(diǎn)不發(fā)生大的變化。改進(jìn)后滾輪挺柱外觀(guān)結構見(jiàn)圖2。比較2種設計結構的主要差異如下：

（1）滾輪挺柱質(zhì)量大于平底挺柱。根據零件實(shí)測滾輪挺柱的質(zhì)量為242g，原平底挺柱質(zhì)量為160g。

（2）推桿長(cháng)度有變化。由于挺柱結構變化引起推桿比原來(lái)縮短24mm。

（3）搖臂組件的接觸角度、接觸位置有變化。

（4）挺柱與凸輪之間的接觸由滑動(dòng)加轉動(dòng)狀態(tài)變?yōu)闈L動(dòng)狀態(tài)。

（5）平底挺柱改為滾輪挺柱，驅動(dòng)方式的改變會(huì )影響氣門(mén)開(kāi)啟和落座的加速度

 

圖1  柴油機下置式配氣機構示意圖

圖2  配氣機構之滾輪挺柱平面結構圖

 

三、建模與仿真

 

      本次改進(jìn)設計主要集中于配氣機構的耐久性和機械強度，不考慮氣缸之間的相互影響。且通常柴油機凸輪軸的扭轉剛度足夠大，因此從主要關(guān)注的耐久性、系統機械強度上看，單獨閥系的系統動(dòng)力學(xué)與整個(gè)閥系的系統動(dòng)力學(xué)結果差異不大，可采用單閥系來(lái)模擬計算。本次模擬分析主要采用AVL-EXCITE Timing Drive軟件建立配氣機構運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，應用proE軟件測量零件質(zhì)量、位置尺寸等參數，應用Abaqus計算零件剛度等參數，其余參數如潤滑油參數、材料參數來(lái)自于零部件供應商和經(jīng)驗數值。

1、建模準備

      原柴油機為成熟機型，質(zhì)量數據采用實(shí)物測量及模型校對的方法獲得；位置參數通過(guò)proE建立配氣機構布置圖，進(jìn)而獲得距離、角度等機構關(guān)鍵尺寸；缸內壓力由樣機測試得到；氣門(mén)間隙直接測量樣機獲得；所有零部件的材料皆為配氣機構零部件實(shí)際使用的材料。采用經(jīng)過(guò)校核的模型利用有限元軟件來(lái)計算主要結構件的剛度。圖3、圖4、圖5和圖6為剛度計算模型。

 

圖3  柴油機排氣門(mén)橋剛度計算模型	圖4  柴油機進(jìn)氣門(mén)橋剛度計算模型
圖5  柴油機排氣搖臂剛度計算模型	圖6  柴油機進(jìn)氣搖臂剛度計算模型

 

      氣門(mén)橋、搖臂、推桿都為配氣機構傳動(dòng)系統的主要構件，其剛度對整個(gè)配氣機構來(lái)說(shuō)非常重要。有限元計算得到的剛度值見(jiàn)表1。

表1    柴油機配氣機構的剛度值

2、仿真模型的建立

      AVL-EXCITE Timing Drive是奧地利AVL公司用于配氣機構運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的軟件，其運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計算基于多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型的理論，采用多個(gè)集中質(zhì)量塊來(lái)簡(jiǎn)化模型。軟件本身提供了相應的集成化模塊，具有友好的用戶(hù)界面，建立模型及參數輸入較為方便。其中運動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析模塊，能夠通過(guò)仿真計算，明確氣門(mén)運動(dòng)特性及配氣機構動(dòng)力學(xué)相關(guān)性能。幫助每個(gè)常規配氣機構設計出最好的性能和最可靠的結果。配氣機構的每一部分都用模塊元件單獨描述，這些模塊可以連接起來(lái)形成完整的配氣機構模型。每一個(gè)建模用的元件都經(jīng)過(guò)精心的設計以使用最少的自由度，但同時(shí)保留足夠的細節來(lái)確保仿真準確度M。

（1）運動(dòng)學(xué)仿真模型

      在A(yíng)VL-EXCITE Timing Drive軟件的運動(dòng)學(xué)計算中，閥系被當量成雙質(zhì)量模型.即閥系當量總質(zhì)量被分配到凸輪側和氣門(mén)側，其中凸輪側當量質(zhì)量包括挺柱質(zhì)量和推桿質(zhì)量。氣門(mén)當量質(zhì)量包括氣門(mén)方向運動(dòng)的零件質(zhì)量和將轉動(dòng)零件的轉動(dòng)慣量轉換的質(zhì)量。閥系的當量總剛度可通過(guò)對各零件剛度串聯(lián)求和得到。運動(dòng)學(xué)閥系總當量剛度不包含氣門(mén)剛度4。

（2）動(dòng)力學(xué)模型的建立

      動(dòng)力學(xué)計算是將各部件看作彈性質(zhì)點(diǎn)，根據作用在彈性系統中各構件的力的彈性關(guān)系，并考慮系統中的阻尼、間隙、脫離、落座等各種因素，建立氣門(mén)運動(dòng)的微分方程，最后求解各種轉速下氣門(mén)的真實(shí)運動(dòng)。對動(dòng)力學(xué)結果的評價(jià)主要考慮從動(dòng)件的飛脫、氣門(mén)反跳、凸輪接觸應力，氣門(mén)彈簧裕度以及彈簧并圈等現象。應用AVL EXCITE Timing Drive軟件，根據柴油機配氣機構實(shí)體結構及零部件布置情況，建立了進(jìn)、排氣系統單閥系動(dòng)力學(xué)仿真模型。

 

四、分析結果及對比

 

      配氣機構改進(jìn)結果的分析，主要從系統機械強度要求的角度來(lái)考慮，重點(diǎn)關(guān)注凸輪與挺柱之間的接觸應力、氣門(mén)落座速度、彈簧動(dòng)態(tài)力等。以原型機凸輪型線(xiàn)為參考，重新設計凸輪型線(xiàn)。

1、排氣型線(xiàn)設計變更前后主要差異

（1）凸輪挺柱間接觸應力，由于接觸形式的改變，接觸應力由688.3增大至904.7MPa；

（2）緩沖段末端氣門(mén)速度由2.228增大至3.308 mm/°；

（3）開(kāi)啟、關(guān)閉段包角由64°、64°分別減為60°、58°；

（4）開(kāi)啟、關(guān)閉段豐滿(mǎn)度由0.5223、0.5223增大至0.539、0.5386。

2、進(jìn)氣凸輪型線(xiàn)設計變更前后主要差異

（1）凸輪與挺柱間接觸應力，由于接觸形式的改變，接觸應力由836增大至842.8 MPa；

（2）緩沖段末端氣門(mén)速度由1.91增大至2.3mm/°左右；

（3）開(kāi)啟、關(guān)閉段包角由58°、58°分別減為58.5°和57.5°；

（4）開(kāi)啟、關(guān)閉段豐滿(mǎn)度由0.5283、0.5283增大至0.542、0.5422。

3、改進(jìn)后的動(dòng)力學(xué)分析結果

       針對改進(jìn)后的配氣機構，需要驗算其滾輪挺柱與凸輪間的動(dòng)態(tài)接觸應力、彈簧動(dòng)態(tài)力、氣門(mén)落座速度等，以評價(jià)改進(jìn)后配氣機構的系統設計是否滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)要求。

      圖7~圖12對改進(jìn)的配氣機構動(dòng)力學(xué)的結果進(jìn)行了整理：改進(jìn)后氣門(mén)動(dòng)力學(xué)升程、速度曲線(xiàn)均滿(mǎn)足一般設計標準；凸輪與挺柱的接觸應力雖比原平底挺柱的高，但均小于滾輪挺柱的許用值；在整個(gè)氣門(mén)開(kāi)啟段沒(méi)有飛脫現象；緩沖段氣門(mén)速度有所升高，但氣門(mén)落座力平穩、無(wú)反跳現象；推桿力均滿(mǎn)足屈曲強度要求；氣門(mén)彈簧顫振情況良好，沒(méi)有發(fā)現并圈現象；

      氣門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉段豐滿(mǎn)度提高，有利于進(jìn)排氣效率的提高。綜上所述并結合配氣機構系統動(dòng)力學(xué)分析標準，改進(jìn)后的配氣機構系統動(dòng)力學(xué)結果皆滿(mǎn)足使用要求。

 

圖7  柴油機動(dòng)力學(xué)型線(xiàn)（排氣門(mén)）	圖8  柴油機動(dòng)力學(xué)型線(xiàn)（進(jìn)氣門(mén)）
圖9  柴油機推桿力曲線(xiàn)圖（排氣門(mén)）	圖10  柴油機推桿力曲線(xiàn)圖（進(jìn)氣門(mén)）
圖11  柴油機氣門(mén)彈簧動(dòng)態(tài)力曲線(xiàn)圖（排氣門(mén)）	圖12  柴油機氣門(mén)彈簧動(dòng)態(tài)力曲線(xiàn)圖（進(jìn)氣門(mén)）

 

總結：

      為解決某成熟機型出現的挺柱底面與凸輪軸磨損問(wèn)題，將配氣機構中的平底挺柱改為滾輪挺柱；并基于滾輪挺柱結構以原凸輪型線(xiàn)為參考重新設計凸輪型線(xiàn)，應用AVL-EXCITE Timing Drive軟件設計型線(xiàn)，并對整個(gè)機構的運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。由分析結果得知，挺柱改進(jìn)后，型線(xiàn)設計、運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析皆滿(mǎn)足設計要求。下一步著(zhù)重從試驗驗證及性能優(yōu)化2個(gè)方向同步進(jìn)行，試驗驗證改進(jìn)后機構的可靠性、耐久性等，并可根據試驗結果對分析模型進(jìn)行校驗；另一方面，可以在性能試驗的基礎上對型線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化，可考慮在包角不變的前提下優(yōu)化凸輪型線(xiàn)，這樣改進(jìn)后的新型線(xiàn)在不調整配氣正時(shí)的情況下就可以直接應用。

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