技術(shù)維修與康明斯知識(shí)

康明斯柴油機(jī)挺柱改進(jìn)案例及配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化仿真

 

摘要：針對(duì)6CTA8.3-G2型柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱與凸輪軸之間磨損的現(xiàn)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(duì)改進(jìn)后的柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算，通過對(duì)比改進(jìn)前后的各項(xiàng)參數(shù)以及接觸應(yīng)力、推桿力、氣門反跳、彈簧并圈來(lái)評(píng)估改進(jìn)方案的可行性。

 

一、背景介紹

 

      隨著現(xiàn)代柴油機(jī)強(qiáng)化程度提高、排放升級(jí)、爆壓提升等發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)柴油機(jī)各機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的兩大機(jī)構(gòu)之一，其精確性、可靠性都必須得以保證，并隨著柴油機(jī)強(qiáng)化趨勢(shì)越來(lái)越受到重視。配氣機(jī)構(gòu)的主要功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程，根據(jù)氣缸的工作次序，定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門，以保證氣缸吸入新鮮空氣和排出廢氣?，F(xiàn)代柴油機(jī)設(shè)計(jì)中，配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)占有重要地位。其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響著柴油機(jī)的技術(shù)性能、工作可靠性、耐久性和平穩(wěn)性。隨著柴油機(jī)平均有效壓力和轉(zhuǎn)速的提高，配氣機(jī)構(gòu)零件所承受的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、摩擦磨損以及振動(dòng)噪聲急劇增加。為了保證柴油機(jī)具有良好的性能和壽命，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。本文正是在這種前提下，針對(duì)6CTA8.3-G2型號(hào)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)在性能不斷提升過程中遇到挺柱與凸輪軸之間的磨損問題，對(duì)原配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

      6CTA8.3-G2型柴油機(jī)排量8.9 L，凸輪軸置于機(jī)體側(cè)面中部，通過挺柱推桿傳遞到搖臂驅(qū)動(dòng)氣門。近年來(lái)隨著排放法規(guī)的提升和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性等各方面要求的逐步提高，該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過多次改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均作了較大幅度的提升。伴隨著這些改進(jìn)和提升，柴油機(jī)本體各系統(tǒng)均進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)，配氣機(jī)構(gòu)的磨損問題日益突出，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(xiàn)狀，須解決凸輪軸與挺柱間的磨損和點(diǎn)蝕問題。通過AVL-EXCITE Timing Drive軟件對(duì)原設(shè)計(jì)方案的分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，進(jìn)排氣凸輪與挺柱底面接觸面的接觸應(yīng)力分別達(dá)到688.3 MPa和836 MPa，超過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(jī)領(lǐng)域中應(yīng)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(píng)價(jià)凸輪與挺柱之間的接觸應(yīng)力是否得到改善，并進(jìn)一步對(duì)比2種方案，從配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行仿真計(jì)算來(lái)評(píng)估改進(jìn)方案的效果和可行性。

 

二、方案說(shuō)明

 

      原柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為平底挺柱、凸輪軸下置型，其優(yōu)點(diǎn)在于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布置，如圖1所示?？紤]到售后反饋的配氣機(jī)構(gòu)耐久性問題主要集中于凸輪與挺柱間的過度磨損，因此不改變配氣機(jī)構(gòu)的布置，只考慮將平底挺柱改為滾輪挺柱，并根據(jù)挺柱變更后凸輪型線跟隨性的差異，對(duì)凸輪型線進(jìn)行微調(diào)，盡可能保證氣門運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)不發(fā)生大的變化。改進(jìn)后滾輪挺柱外觀結(jié)構(gòu)見圖2。比較2種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的主要差異如下：

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

（2）推桿長(zhǎng)度有變化。由于挺柱結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(qū)動(dòng)方式的改變會(huì)影響氣門開啟和落座的加速度

 

圖1  柴油機(jī)下置式配氣機(jī)構(gòu)示意圖

圖2  配氣機(jī)構(gòu)之滾輪挺柱平面結(jié)構(gòu)圖

 

三、建模與仿真

 

      本次改進(jìn)設(shè)計(jì)主要集中于配氣機(jī)構(gòu)的耐久性和機(jī)械強(qiáng)度，不考慮氣缸之間的相互影響。且通常柴油機(jī)凸輪軸的扭轉(zhuǎn)剛度足夠大，因此從主要關(guān)注的耐久性、系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度上看，單獨(dú)閥系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與整個(gè)閥系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)果差異不大，可采用單閥系來(lái)模擬計(jì)算。本次模擬分析主要采用AVL-EXCITE Timing Drive軟件建立配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用proE軟件測(cè)量零件質(zhì)量、位置尺寸等參數(shù)，應(yīng)用Abaqus計(jì)算零件剛度等參數(shù)，其余參數(shù)如潤(rùn)滑油參數(shù)、材料參數(shù)來(lái)自于零部件供應(yīng)商和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

1、建模準(zhǔn)備

      原柴油機(jī)為成熟機(jī)型，質(zhì)量數(shù)據(jù)采用實(shí)物測(cè)量及模型校對(duì)的方法獲得；位置參數(shù)通過proE建立配氣機(jī)構(gòu)布置圖，進(jìn)而獲得距離、角度等機(jī)構(gòu)關(guān)鍵尺寸；缸內(nèi)壓力由樣機(jī)測(cè)試得到；氣門間隙直接測(cè)量樣機(jī)獲得；所有零部件的材料皆為配氣機(jī)構(gòu)零部件實(shí)際使用的材料。采用經(jīng)過校核的模型利用有限元軟件來(lái)計(jì)算主要結(jié)構(gòu)件的剛度。圖3、圖4、圖5和圖6為剛度計(jì)算模型。

 

圖3  柴油機(jī)排氣門橋剛度計(jì)算模型	圖4  柴油機(jī)進(jìn)氣門橋剛度計(jì)算模型
圖5  柴油機(jī)排氣搖臂剛度計(jì)算模型	圖6  柴油機(jī)進(jìn)氣搖臂剛度計(jì)算模型

 

      氣門橋、搖臂、推桿都為配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要構(gòu)件，其剛度對(duì)整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)非常重要。有限元計(jì)算得到的剛度值見表1。

表1    柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的軟件，其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)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(yīng)的集成化模塊，具有友好的用戶界面，建立模型及參數(shù)輸入較為方便。其中運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析模塊，能夠通過仿真計(jì)算，明確氣門運(yùn)動(dòng)特性及配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)性能。幫助每個(gè)常規(guī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出最好的性能和最可靠的結(jié)果。配氣機(jī)構(gòu)的每一部分都用模塊元件單獨(dú)描述，這些模塊可以連接起來(lái)形成完整的配氣機(jī)構(gòu)模型。每一個(gè)建模用的元件都經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)以使用最少的自由度，但同時(shí)保留足夠的細(xì)節(jié)來(lái)確保仿真準(zhǔn)確度M。

（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

      在AVL-EXCITE Timing Drive軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算中，閥系被當(dāng)量成雙質(zhì)量模型.即閥系當(dāng)量總質(zhì)量被分配到凸輪側(cè)和氣門側(cè)，其中凸輪側(cè)當(dāng)量質(zhì)量包括挺柱質(zhì)量和推桿質(zhì)量。氣門當(dāng)量質(zhì)量包括氣門方向運(yùn)動(dòng)的零件質(zhì)量和將轉(zhuǎn)動(dòng)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換的質(zhì)量。閥系的當(dāng)量總剛度可通過對(duì)各零件剛度串聯(lián)求和得到。運(yùn)動(dòng)學(xué)閥系總當(dāng)量剛度不包含氣門剛度4。

（2）動(dòng)力學(xué)模型的建立

      動(dòng)力學(xué)計(jì)算是將各部件看作彈性質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)作用在彈性系統(tǒng)中各構(gòu)件的力的彈性關(guān)系，并考慮系統(tǒng)中的阻尼、間隙、脫離、落座等各種因素，建立氣門運(yùn)動(dòng)的微分方程，最后求解各種轉(zhuǎn)速下氣門的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。對(duì)動(dòng)力學(xué)結(jié)果的評(píng)價(jià)主要考慮從動(dòng)件的飛脫、氣門反跳、凸輪接觸應(yīng)力，氣門彈簧裕度以及彈簧并圈等現(xiàn)象。應(yīng)用AVL EXCITE Timing Drive軟件，根據(jù)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)實(shí)體結(jié)構(gòu)及零部件布置情況，建立了進(jìn)、排氣系統(tǒng)單閥系動(dòng)力學(xué)仿真模型。

 

四、分析結(jié)果及對(duì)比

 

      配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)結(jié)果的分析，主要從系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)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(yīng)力、氣門落座速度、彈簧動(dòng)態(tài)力等。以原型機(jī)凸輪型線為參考，重新設(shè)計(jì)凸輪型線。

1、排氣型線設(shè)計(jì)變更前后主要差異

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

（2）緩沖段末端氣門速度由2.228增大至3.308 mm/°；

（3）開啟、關(guān)閉段包角由64°、64°分別減為60°、58°；

（4）開啟、關(guān)閉段豐滿度由0.5223、0.5223增大至0.539、0.5386。

2、進(jìn)氣凸輪型線設(shè)計(jì)變更前后主要差異

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

（2）緩沖段末端氣門速度由1.91增大至2.3mm/°左右；

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

（4）開啟、關(guān)閉段豐滿度由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(jié)果

       針對(duì)改進(jìn)后的配氣機(jī)構(gòu)，需要驗(yàn)算其滾輪挺柱與凸輪間的動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力、彈簧動(dòng)態(tài)力、氣門落座速度等，以評(píng)價(jià)改進(jìn)后配氣機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足動(dòng)力學(xué)要求。

      圖7~圖12對(duì)改進(jìn)的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的結(jié)果進(jìn)行了整理：改進(jìn)后氣門動(dòng)力學(xué)升程、速度曲線均滿足一般設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；凸輪與挺柱的接觸應(yīng)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)氣門開啟段沒有飛脫現(xiàn)象；緩沖段氣門速度有所升高，但氣門落座力平穩(wěn)、無(wú)反跳現(xiàn)象；推桿力均滿足屈曲強(qiáng)度要求；氣門彈簧顫振情況良好，沒有發(fā)現(xiàn)并圈現(xiàn)象；

      氣門的開啟關(guān)閉段豐滿度提高，有利于進(jìn)排氣效率的提高。綜上所述并結(jié)合配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)后的配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)果皆滿足使用要求。

 

圖7  柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)型線（排氣門）	圖8  柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)型線（進(jìn)氣門）
圖9  柴油機(jī)推桿力曲線圖（排氣門）	圖10  柴油機(jī)推桿力曲線圖（進(jìn)氣門）
圖11  柴油機(jī)氣門彈簧動(dòng)態(tài)力曲線圖（排氣門）	圖12  柴油機(jī)氣門彈簧動(dòng)態(tài)力曲線圖（進(jìn)氣門）

 

總結(jié)：

      為解決某成熟機(jī)型出現(xiàn)的挺柱底面與凸輪軸磨損問題，將配氣機(jī)構(gòu)中的平底挺柱改為滾輪挺柱；并基于滾輪挺柱結(jié)構(gòu)以原凸輪型線為參考重新設(shè)計(jì)凸輪型線，應(yīng)用AVL-EXCITE Timing Drive軟件設(shè)計(jì)型線，并對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。由分析結(jié)果得知，挺柱改進(jìn)后，型線設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析皆滿足設(shè)計(jì)要求。下一步著重從試驗(yàn)驗(yàn)證及性能優(yōu)化2個(gè)方向同步進(jìn)行，試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)后機(jī)構(gòu)的可靠性、耐久性等，并可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)分析模型進(jìn)行校驗(yàn)；另一方面，可以在性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)型線進(jìn)行優(yōu)化，可考慮在包角不變的前提下優(yōu)化凸輪型線，這樣改進(jìn)后的新型線在不調(diào)整配氣正時(shí)的情況下就可以直接應(yīng)用。

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