內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計(jì)6200柴油機(jī)曲軸設(shè)計(jì)動力計(jì)算

1、內(nèi)燃機(jī)學(xué)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書題 目6200柴油機(jī)曲軸設(shè)計(jì)學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指導(dǎo)教師年月日1目錄1 動力計(jì)算11.1初始條件11.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動質(zhì)量的確定21.3 P-示功圖的求取21.4往復(fù)慣性力Pj（）計(jì)算31.5總作用力P（）計(jì)算31.6活塞側(cè)推力PH（）計(jì)算41.7連桿力PC（）計(jì)算41.8法向力PN（）計(jì)算51.9切向力PT（）計(jì)算61.10總切向力計(jì)算71.11曲柄銷負(fù)荷RB（）計(jì)算81.12準(zhǔn)確性校核92 曲軸設(shè)計(jì)計(jì)算102.1曲軸各部尺寸比例102.2曲軸船規(guī)驗(yàn)算111 動力計(jì)算1.1初始條件 母型機(jī)參數(shù)： 四沖程六缸、廢氣渦輪增壓、不可逆式、直接噴射、壓縮空氣

2、啟動。 D=200mm S=270mm n=600r/min Ne=440kW 增壓壓力Pk=0.241Ma,壓縮比=12.5，機(jī)械效率m=0.85,壓縮復(fù)熱指數(shù)n1=1.37,膨脹復(fù)熱指數(shù)n2=1.26，Z點(diǎn)利用系數(shù)z=0.88，燃燒過量空氣系數(shù)=2.0，中冷器出水溫度t=250 ,原機(jī)配氣定時： 進(jìn)氣門開上死點(diǎn)前60度進(jìn)氣門關(guān)下死點(diǎn)后40度排氣門開下死點(diǎn)前40度排氣門關(guān)上死點(diǎn)后60度行程失效系數(shù)可取約0.083。連桿長L=540mm，質(zhì)量為34.76kg，活塞組質(zhì)量m=35.76kg，連桿組質(zhì)量分配比0.347/0.653，單位曲柄不平衡質(zhì)量m=48.67kg。1.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動質(zhì)量的

3、確定將擺動的連桿用雙質(zhì)量系代替，一部分質(zhì)量等價到做往復(fù)運(yùn)動的活塞組中，另一部質(zhì)量等價到做回轉(zhuǎn)運(yùn)動的曲柄組中，從而可以求出往復(fù)質(zhì)量和連桿組算到大端的質(zhì)量。由于連桿尺寸并未確定，先按照母型機(jī)的連桿質(zhì)量分配比。 上式中，M表示活塞組質(zhì)量，0.347/0.653為連桿組質(zhì)量分配比，為連桿質(zhì)量，質(zhì)量單位都用kg。1.3 P-示功圖的求取將所給的P-V示功圖，用發(fā)動機(jī)運(yùn)動學(xué)公式將其展開，即得P-示功圖。將活塞的位移轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角，以代表曲柄轉(zhuǎn)角，取145個點(diǎn)，對應(yīng)0度到720度每隔5度取一次，由此可得各曲柄轉(zhuǎn)角下的氣體力值Pg（），單位為MPa。用matlab畫成曲線見圖1，其matlab程序參見附

4、錄。圖中實(shí)線表示的是氣缸壓力Pg與曲柄轉(zhuǎn)角a的關(guān)系。圖1 P,Pg,Pj與曲柄轉(zhuǎn)角a的關(guān)系1.4往復(fù)慣性力Pj（）計(jì)算 (MPa) （1）往復(fù)慣性力按照公式1計(jì)算，圖1中虛線即為往復(fù)慣性力與曲柄轉(zhuǎn)角a的關(guān)系。式中：mj往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量，kg； R曲柄半徑，mm； D氣缸直徑，mm； 曲軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s； 連桿擺角，rad。1.5總作用力P（）計(jì)算 (MPa) （2）總作用力P（a）按照公式2計(jì)算，式中PB表示活塞底部氣體壓力，取大氣壓力，即PB=0.1Mpa。圖1中點(diǎn)劃線表示總作用力與曲柄轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系。通過三者的比較可以看出氣缸壓力對總作用力影響較大。1.6活塞側(cè)推力PH（）計(jì)算 (MP

5、a) （3）活塞側(cè)推力按照公式3進(jìn)行計(jì)算，式中表示連桿擺角。連桿擺角與曲柄轉(zhuǎn)角純在下列關(guān)系：，活塞側(cè)推力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖2。圖2 活塞側(cè)推力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系1.7連桿力PC（）計(jì)算 (MPa) （4）連桿力按照公式4進(jìn)行計(jì)算，連桿力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖3。圖3 連桿力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系1.8法向力PN（）計(jì)算 (MPa) （5）法向力按照公式5計(jì)算，法向力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖4。圖4 法向力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系1.9切向力PT（）計(jì)算 (MPa) （6）切向力按照公式6計(jì)算，切向力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖5。圖5 曲柄轉(zhuǎn)角與切向力的關(guān)系1.10總切向力計(jì)算 (MPa) （7）對于四沖程曲柄均勻排列情

6、況的總切力按照公式6計(jì)算。氣缸之間的間隔角為120deg，總切力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖6。圖6 總切力與曲柄轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系1.11曲柄銷負(fù)荷RB（）計(jì)算 (MPa) （8）曲柄銷合力按照公式8計(jì)算，式中:曲柄銷負(fù)荷水平分量，(MPa)；曲柄銷負(fù)荷垂直分量,(MPa)； 連桿組算到大端的質(zhì)量，kg。曲柄銷合力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖7。圖7 曲柄銷負(fù)荷與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系1.12準(zhǔn)確性校核 (KW) （9）按照總切力曲線作準(zhǔn)確性校核，根據(jù)總切曲線計(jì)算出平均切力，再按公式9進(jìn)行計(jì)算，式中表示活塞面積，單位是；表示平均切力，單位是Mpa。再將指示功率與給定功率進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差。=501.2382kw =

7、-3.27%計(jì)算出來的誤差在5%以內(nèi)，符合要求。2 曲軸設(shè)計(jì)計(jì)算2.1曲軸各部尺寸比例 曲軸參數(shù)單位：mm缸心距L0（四沖程）320曲柄銷直徑dP150曲柄銷空心孔徑dpo64曲柄銷有效長度Lcp94主軸頸直徑dj160主軸頸空心孔徑djo64主軸頸有效長度Lcj90曲臂厚h68曲臂寬b310過渡圓角半徑r10在初步定出曲軸的尺寸后，應(yīng)立即作曲柄銷和主軸頸最大比壓驗(yàn)算：曲軸銷 主軸頸 式中：Pz最大燃燒壓力，Mpa； D氣徑直徑，mm； dp,dj曲柄銷及主曲頸直徑，mm; LP ,Lj曲柄銷及主軸頸有效長度，mm（考慮了過渡圓角的影響）； q考慮相鄰缸的影響系數(shù)。四沖程q1.25；二沖程q1

8、.50，式中q=1.2。2.2曲軸船規(guī)驗(yàn)算 我國船舶檢驗(yàn)局“鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范（2006）”對船舶柴油機(jī)曲軸有如下規(guī)定：對整鍛、鑄造、半組合或全組合曲軸的主軸頸及曲柄銷，其最小直徑d 如下計(jì)算。曲軸材料選用鑄鋼。對鍛鋼、鑄鋼、合金鋼材料的曲軸： 式中: D氣缸直徑，D=200mm；S活塞行程，S=270mm；L相鄰兩主軸承中心線間的距離，L=320mm；LP曲柄銷的有效長度，LP=90mm；Pz最高燃燒壓力，Pz=12.5MPa； Pi平均指示壓力， Ni由總切力得到的指示功率，Ni=501.2382kW； Vs每缸的工作容積，； n柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，n=600r/min； i 氣缸數(shù)，i=6；

9、 b材料標(biāo)定抗拉強(qiáng)度下限值，b=500MPa；A系數(shù)，對直列式單作用柴油機(jī)，A=0.50；C系數(shù)，對直列式單作用四沖程柴油機(jī)，C=2.553；B彎曲應(yīng)力集中系數(shù)，對于原機(jī)型的曲軸，B=3.39； rp過渡圓角半徑，rp=10mm； dp曲柄銷直徑，dp=130mm； b曲臂寬，b=200mm； e軸頸的重疊量，e=（dp+dj）/2-S/2=0； r扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，=1.69；由計(jì)算結(jié)果可知，d=149.2mm150mm，故設(shè)計(jì)的曲軸可用。附錄 Matlab計(jì)算程序>> %內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計(jì)動力計(jì)算%a1 =0 : 5 : 720;%曲柄轉(zhuǎn)角%Pg1=3,3,3,3,3,3,3,3,

10、3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3.05,3.1,3.15,3.2,3.25,3.3,3.35,3.35,3.4,3.45,3.45,3.5,3.75,4,4.25,4.5,4.75,5,5.5,6.5,7,8,9,10.5,13,15,18,21.5,26,32,40,49,59,65,80,105,119,124,125,115,101,87.5,72.5,60,50,43,36.5,32,28,25,22,19.5,18,16.5,15.5,14,13,12.5,12,11,10.5,10.25,10,9

11、.75,9.5,9,8.5,8,7.75,7,6.5,6,5.5,5,4,3.5,3,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,3;%氣缸壓力，kg/cm2%a = 0 : 1 : 720;Pg = interp1(a1,Pg1,a,'spline');>> Pg = Pg/10.197;%氣缸壓力單位轉(zhuǎn)化，Mpa%Ne = 440;%單位是kw%mj = 35.76 +

12、 0.347 * 34.76; %活塞組等效質(zhì)量，kg%mb = 0.653 * 34.76; %連桿組算到大端的質(zhì)量，kg%D = 200;%活塞直徑，mm%L = 540;%連桿長度，mm%R = 135;%曲柄半徑，mm%z = 6;%氣缸數(shù)；x = R/L;%曲柄連桿比%B = asin(x*sin(a*pi/180);%連桿擺角%w = 600*pi/30;%轉(zhuǎn)速，rad/s%Pj = - mj * R * w2 *(cos(a*pi/180) + x * cos(a*pi/90)/(pi * D2/4 * 103);%往復(fù)慣性力，Mpa%Pb = 0.1;%活塞底部氣體壓力，取為大

13、氣壓力，Mpa%P = Pj - Pb + Pg;%總作用力，Mpa%figure(1);%打開新圖版;plot(a,Pg,a,Pj,'-',a,P,'-.');%藍(lán)色的為氣缸壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系，黃色為往復(fù)慣性力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系,紅色為總作用力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系%xlabel('曲柄轉(zhuǎn)角a/deg');%加橫坐標(biāo)%ylabel('(P,Pg,Pj)/Mpa');%加縱坐標(biāo)%legend('Pg','Pj','P')grid on ;%添加網(wǎng)格%Ph = P .* tan(B);%活塞

14、側(cè)推力，單位是Mpa%Pc = P./cos(B);%連桿力，單位是Mpa%Pn = Pc .* cos(a*pi/180 + B);%法向力，單位是Mpa%Pt = Pc .* sin(a*pi/180 + B);%切向力，單位是Mpa%SumPt = Pt ;%為總切力,單位是Mpa;%for i=1:721 for j=1:5 m=i+720*j/z; if m>721 m=m-720; end SumPt(i)=SumPt(i)+Pt(m); endendavePt = mean(SumPt);%平均切向力,單位是Mpa%Rbh = Pt;%曲柄銷負(fù)荷水平分量，單位是Mpa%Pr

15、b = mb * R * w2/(pi * D2/4 * 103);Rbv = Pn - Prb; %曲柄銷負(fù)荷垂直分量，單位是Mpa%Rb = (Rbh .* Rbh + Rbv .* Rbv).0.5; %曲柄銷總負(fù)荷%figure(2);%打開新圖版%plot(a,Ph);%畫側(cè)推力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系%xlabel('曲柄轉(zhuǎn)角a/deg');%加橫坐標(biāo)%ylabel('側(cè)推力Ph/Mpa');%加縱坐標(biāo)%grid on ;%添加網(wǎng)格%figure(3);%打開新圖版%plot(a,Pc);%畫連桿力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系%xlabel('曲柄轉(zhuǎn)角a/deg

16、');%加橫坐標(biāo)%ylabel('連桿力Pc/Mpa');%加縱坐標(biāo)%grid on ;%添加網(wǎng)格%figure(4);%打開新圖版% plot(a,Pn);%畫法向力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系%xlabel('曲柄轉(zhuǎn)角a/deg');%加橫坐標(biāo)%ylabel('法向力Pn/Mpa');%加縱坐標(biāo)%grid on ;%添加網(wǎng)格%figure(5);%打開新圖版%plot(a,Pt);%畫切向力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系%xlabel('曲柄轉(zhuǎn)角a/deg');%加橫坐標(biāo)%ylabel('切向力Pt/Mpa');%加縱坐標(biāo)%grid on ;%添加網(wǎng)格%figure(6);%打開新圖版%A = 0 :1: 720;plot(A,SumPt);%畫總切向力與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系%xlabel('曲柄轉(zhuǎn)角a/deg');%加橫坐標(biāo)%ylabel(