內(nèi)燃機課程設(shè)計柴油機曲軸設(shè)計動力計算

目錄TOC\o"1-9"\h\u64561動力計算 136371.1初始條件 1241461.2曲柄連桿機構(gòu)運動質(zhì)量的確定 2278821.3P-φ示功圖的求取 2245141.4往復(fù)慣性力Pj（α）計算 364121.5總作用力P（α）計算 3119491.6活塞側(cè)推力PH（α）計算 411541.7連桿力PC（α）計算 4279761.8法向力PN（α）計算 5104531.9切向力PT（α）計算 6139501.10總切向力計算 799221.11曲柄銷負(fù)荷RB（α）計算 8152781.12準(zhǔn)確性校核 9305812曲軸設(shè)計計算 1044642.1曲軸各部尺寸比例 10257892.2曲軸船規(guī)驗算 111動力計算1.1初始條件母型機參數(shù)：四沖程六缸、廢氣渦輪增壓、不可逆式、直接噴射、壓縮空氣啟動。D=200mm S=270mmn=600r/minNe=440kW增壓壓力Pk=0.241Ma,壓縮比ε=12.5，機械效率ηm=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點利用系數(shù)ξz=0.88，燃燒過量空氣系數(shù)α=2.0，中冷器出水溫度t=250,原機配氣定時：進(jìn)氣門開——上死點前60度進(jìn)氣門關(guān)——下死點后40度排氣門開——下死點前40度排氣門關(guān)——上死點后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曲柄連桿機構(gòu)運動質(zhì)量的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)運動的活塞組中，另一部質(zhì)量等價到做回轉(zhuǎn)運動的曲柄組中，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。1.3P-φ示功圖的求取將所給的P-V示功圖，用發(fā)動機運動學(xué)公式將其展開，即得P-φ示功圖。將活塞的位移轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角，以α代表曲柄轉(zhuǎn)角，取145個點，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α下的氣體力值Pg（α），單位為MPa。用matlab畫成曲線見圖1，其matlab程序參見附錄。圖中實線表示的是氣缸壓力Pg與曲柄轉(zhuǎn)角a的關(guān)系。圖1P,Pg,Pj與曲柄轉(zhuǎn)角a的關(guān)系1.4往復(fù)慣性力Pj（α）計算(MPa)（1）往復(fù)慣性力按照公式1計算，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)運動質(zhì)量，kg；R—曲柄半徑，mm；D—氣缸直徑，mm；ω—曲軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；β—連桿擺角，rad。1.5總作用力P（α）計算(MPa)（2）總作用力P（a）按照公式2計算，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（α）計算(MPa)（3）活塞側(cè)推力按照公式3進(jìn)行計算，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（α）計算(MPa)（4）連桿力按照公式4進(jìn)行計算，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（α）計算(MPa)（5）法向力按照公式5計算，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（α）計算(MPa)（6）切向力按照公式6計算，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總切向力計算(MPa)（7）對于四沖程曲柄均勻排列情況的總切力按照公式6計算。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（α）計算(MPa)（8）曲柄銷合力按照公式8計算，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)總切曲線計算出平均切力，再按公式9進(jìn)行計算，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，計算出誤差。=501.2382kw=-3.27%計算出來的誤差在5%以內(nèi)，符合要求。2曲軸設(shè)計計算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q≤1.25；二沖程q≤1.50，式中q=1.2。2.2曲軸船規(guī)驗算我國船舶檢驗局“鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范（2006）”對船舶柴油機曲軸有如下規(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如下計算。曲軸材料選用鑄鋼。對鍛鋼、鑄鋼、合金鋼材料的曲軸：EMBEDEquation.3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—柴油機轉(zhuǎn)速，n=600r/min；i—氣缸數(shù)，i=6；σb—材料標(biāo)定抗拉強度下限值，σb=500MPa；A—系數(shù)，對直列式單作用柴油機，A=0.50；C—系數(shù)，對直列式單作用四沖程柴油機，C=2.553；αB—彎曲應(yīng)力集中系數(shù)，對于原機型的曲軸，αB=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；αr—扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，=1.69；由計算結(jié)果可知，d=149.2mm＜150mm，故設(shè)計的曲軸可用。EMBEDEquation.3附錄Matlab計算程序>>%內(nèi)燃機課程設(shè)計動力計算%a1=0:5:720;%曲柄轉(zhuǎn)角%Pg1=[3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3.05,3.1,3.15,3.2,3.25,3.3,3.35,3.35,3.4,3.45,3.45,3.5,3.75,4,4.25,4.5,4.75,5,5.5,6.5,7,8,9,10.5,13,15,18,21.5,26,32,40,49,59,65,80,105,119,124,125,115,101,87.5,72.5,60,50,43,36.5,32,28,25,22,19.5,18,16.5,15.5,14,13,12.5,12,11,10.5,10.25,10,9.75,9.5,9,8.5,8,7.75,7,6.5,6,5.5,5,4,3.5,3,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,3];%氣缸壓力，kg/cm^2%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+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*w^2*(cos(a*pi/180)+x*cos(a*pi/90))/(pi*D^2/4*10^3);%往復(fù)慣性力，Mpa%Pb=0.1;%活塞底部氣體壓力，取為大氣壓力，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')gridon;%添加網(wǎng)格%Ph=P.*tan(B);%活塞側(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;%fori=1:721forj=1:5m=i+720*j/z;ifm>721m=m-720;endSumPt(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%Prb=mb*R*w^2/(pi*D^2/4*10^3);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)%gridon;%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%x