裙部刚度对活塞动力学影响的研究

第37卷第04期煤矿机械Vol. 37No 042016年04月Coal Mine MachineryApr.2016doi:10.13436/ j. mkjx201604014裙部刚度对活塞动力学影响的研究*陈延鹏1,刘世英',熊培友2(1.山东理工大学交通与车辆工程学院,山东淄博255049;2.山东滨州渤海活塞股份有限公司,山东滨州256602)摘要:建立了用来描述活塞体径向刚度情况的刚度矩阵,对比计算了减重腔的布置对活塞径向刚度的影响。利用AⅥ L GLIDE软件建立了活塞动力学参数化模型,分析了活塞裙部不同刚度分布情况对活塞二阶运动的影响,探究了在不同配缸间隙情况下活塞裙部刚度调整对敲击能量影响的敏感程度,并对结论进行分析。研究结果表明,减重腔对活塞径向刚度无明显影响,活塞裙部刚度的减小会使活塞径向位移及最大摆动角度有所增大,随着配缸间隙的增大,活塞敲击能量的改变受裙部刚度调整的影响越来越小。关键词:裙部;刚度;二阶运动;配缸间隙;敲击能量中图分类号:TK402文献标志码:A文章编号:1003-0794(2016)04-0036-03Effect of Skirt Stiffness on Piston Dynamical PerformanceCHEN Yan-peng, LIU Shi-ying, XIONG Pei-you(1. College of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2. Shandong Binzhou Bohai Piston Co, Ltd, Binzhou 256602, China)Abstract: Established the stiffness matrix to describe the overall radial stiffness of the piston, studiedthe influence of the weight reduction gallery on the stiffness of the piston, Established piston dynamicmodel by AVL GLIDE, analyzed the effect of skirt stiffness change on the secondary motion, studiedthe effect of the skirt stiffness on the impact of the kinetic energy in the case of different cylinderclearance, and analyzed the results. Calculation results show, weight reduction gallery does notsignificantly affect the overall radial stiffness of the piston, the skirt stiffness decreases will lead toincrease the radial displacement and maximum tilting angle of the piston. With the increase of thecylinder clearance, the impact of the adjustment of the skirt stiffness on the kinetic energy is becomingsmaller and smallerKey words: skirt; stiffness; secondary motion; cylinder clearance; kinetic ener1活塞刚度矩阵的建立F1F2…F活塞体径向刚度通常采用刚度矩阵来描述,建Sn‖S2nS立刚度矩阵首先是活塞表面上刚度测点的布置,活S塞主推力侧圆周方向上的中心位置定为0,从0位置开始沿圆周方向每隔一定角度选取1个纵向截面,在每个截面上沿轴向选取一定数目的点并按一定顺序进行编号,截面的选取以及编号的顺序如图1所示。式中S一在第点加载时第j点的径向变形量具体截面选取的数量根据裙部的实际宽度而定。活塞的刚度矩阵可以通过有限元法模拟计算获得,尤其是在活塞产品开发初期还没有实际活塞样品时有限元法模拟显得更为简便、快捷。如果在获得实际活塞样品后,可以通过刚度实验台对活塞进行刚度测试,图2为对活塞某点加载后计算得到的变形云图。图1布点示意图在1点位置施加一适当的径向力F1,并记录下所有点的径向变形值,然后依次对剩余点施加径向力F2,同样记录下所有测点的径向变形值,径向刚中国煤化工度矩阵的编写形式为CNMHG*山东省自然科学基金(ZR010EMO70)图2活塞变形云图第37卷第04期裙部刚度对活塞动力学影响的研究——陈延鹏,等Vol. 37No 042减重腔对活塞径向刚度的影响刚度由上端至下端逐渐减小,在相同高度上裙部越靠活塞组运动时产生很大的往复惯性力,其最大值近支撑壁的位置其刚度越大,活塞裙部这样的刚度分Fm=-mo2(1+λ)(2)布可以改善裙部与缸套之间的贴合情况,有利于油膜式中m—活塞组质量,活塞组由活塞、活塞环、的布置。活塞销组成;采用减重腔的活塞通常裙部会设计成上窄下宽曲柄半径;的形式,上部窄是因为要为布置减重腔留出空间,下曲柄旋转的角速度部宽可以增大活塞裙部和缸套的接触面积,减小接触曲柄半径与连杆长度之比压力,裙部接触压力的减小有利于减轻裙部的磨损,根据式(2)测算,柴油机活塞的最大往复惯性力延长活塞的使用寿命。达到活塞本身质量的300-600倍,而汽油机则达到另外通过研究不同结构调整对裙部刚度以及活100~-2000倍。因此惯性力是引起内燃机振动、受塞质量的影响发现,汽油机活塞可调整结构参数较多力件动负荷和轴承磨损的主要原因,故而活塞的质在一定程度上可以实现对活塞体刚度以及质量的独量要尽可能小,而且活塞承压、传热、密封、导向等功立调整。能均应在轻巧的结构下实现3裙部刚度对活塞动力学的影响减重腔是常见的减重手法,本文针对有无减重通过对某一机型活塞裙部加强肋以及壁厚的调腔对活塞径向刚度的影响进行了对比计算。带有减整做出了具有不同裙部刚度分布情况的活塞模型,重腔设计的活塞如图3(a)所示,经过模拟计算图中对比计算了活塞裙部刚度不同分布情况对活塞二阶减重腔容积占活塞体积的525%,无减重腔设计的运动的影响,研究了不同配缸间隙情况下活塞裙部活塞如图3(b)所示。活塞刚度测点的布置如图3(c)刚度调整对敲击能量影响的敏感程度。所示,表1为两活塞模型各测点的径向变形量结果有研究表明,活塞销孔向主推力侧偏置可降低活加载力的值为2kN。塞的敲击力。该机型活塞销孔偏心也采用偏向活塞主推力侧的设计。活塞在缸体内的运动较为复杂,本文对其二阶运动及敲击能量的分析使用动力学软件AVL GLIDE进行模拟计算。该机型活塞的主要设计参数总高/mm46.8压缩高/mm(a)有减重腔设计(b)无减重腔设计公称直径dmm销孔偏心/mm0.4(1)不同裙部刚度对活塞二阶运动的影响A、B两活塞模型裙部各测点径向变形量如表2所示。测点所加载径向力为2kN,测点1-6根据活塞裙长按照从下至上的顺序均匀布置。分析表2中2个模型裙部各测点的径向变形量,可以得出,B活(c)刚度布点示意图塞相较于A活塞裙部刚度整体上都有所减小,且裙图3模型以及布点图1、2、3、4,5、6、7、8、9.测点部下端刚度减小得幅度较上端有所增大。表1各测点径向变形量统计表2各测点径向变形量统计减重腔设k计无减重腔设计测A活塞B活塞点20°00.2650.13300.1780.3210.17820.1560.0760.15600750.1880.1050.1200.0640.1190.064007940.1030.0560.101000.1100.06750.0880.0470.0860.0480.0550.0400075005260.0680.00.0670.0390.0450.0390.0550.042700450.03600440.035800370.0360.03600370.0350.036在内燃机缸压以及内燃机各零部件的设计参数900280.0280029002800280.028不发生改变的前提下仅话度调憋活寒裙部的结构参从表1可以看出,减重腔的布置对裙部以及环数,活塞主中国煤化工况整体基本一岸所测部位的径向刚度无明显影响,另外从结果中致。两活塞CNMHG4所示(正值可以看出活塞体头部刚度明显大于活塞裙部,而裙部.活塞主推力侧受力)。Vol,37 No 04裙部刚度对活塞动力学影响的研究——陈延鹏,等第37卷第04期图6为6种设计方案的敲击能量结果,表4为6种设计方案的各敲击能量峰值的具体情况,曲轴转角/(°)图4两活塞主、次推力侧受力情况180270360450540630A、B活塞主推力侧2.AB活塞次推力侧图5为两活塞不同裙部刚度情况对活塞径向位(a)6种方案敲击能量移(正值为偏向次推力侧)摆动角度(正值为头部摆向次推力侧)的影响结果。0.02-0.04-0.06曲轴转角/(°)(b)6种方案敲击能量峰值90180270360450540630曲轴转角/(°图66种方案敲击能量结果(a)活塞的径向位移1.方案12.方案23.方案34.方案45.方案56.方案6表46种方案敲击能量峰值统计0.10配缸敲击能量峰值/N·mm能量峰值0.05间隙/mmA活塞B活塞增大幅度%00175159995320790022522667228.162924.2450027530.110433.763612.1330.20090180270360450540630从分析结果可以看出随着配缸间隙的加大,活塞曲轴转角/(°)(b)活塞的摆动角度因裙部刚度减小造成的敲击能量峰值的增长幅度逐图5径向位移、摆动角度的变化渐减小,对其余位置各方案敲击能量进行统计计算同1.A活塞2.B活塞样得出这个结论。这是因为活塞敲击常伴随着活塞从图5(a)中可以看出活塞裙部刚度的减小会的径向位移的突变发生,而配缸间隙的增大会使活塞引起活塞径向位移的增大,这是因为活塞裙部刚度径向位移的突变距离大幅增大,进而减弱了刚度变化的减小会减弱活塞裙部的支撑能力,导致活塞径向位移增大。从图5(b)中可以看出,活塞裙刚度的减对活塞敲击能量的影响。小会引起活塞最大摆动角度的增大,这是因为在活4结语塞的换向过程中,裙部刚度的减小会造成受力位置1)减重腔的布置不会对活塞的径向刚度产生支撑能力的下降导致摆角增大。另外结合图5(b)明显影响及图4中可以看出,当活塞裙部单侧受力且活塞头(2)活塞裙部刚度的减小会使活塞径向位移以部摆向受力侧时,B活塞的摆角比A活塞有所减及最大摆动角度增大,且当活塞裙部下端刚度减小幅小,这是因为B活塞裙部下端刚度减小的幅度较上度大于裙部上端时,会对裙部单侧受力且活塞头部摆端有所增大,裙部下端支撑能力变弱更为明显,使此向受力侧的活塞摆动具有一定的抑制作用;刻活塞头部产生向反方向摆动的趋势,因此对活塞(3)随着配缸间隙的增大,活塞敲击能量的改变的摆动具有一定抑制摆动的作用受裙部刚度调整的影响越来越小。(2)在不同配缸间隙情况下活塞裙部刚度调整参考文献对敲击能量影响的敏感程度[]郭磊,郝志勇张鹏伟,等.活塞动力学二阶运动的仿真方法与试沿用上一节中的2个活塞模型,并选取了3组验研究[J].内燃机工程,2009647-53配缸间隙,相互搭配组成6种设计方案,各设计方案2]陶莉莉刘世英,田小青,等乘用车发动机活塞裙部刚度矩阵评的具体搭配如表3所示。价及试验研究[J.内燃机工程,2013(5:62-6表36种设计方案3]刘宇航,张保成,吴学锋,等三种因素对活塞二阶撞击能量的影响[J].中国农机化学报,201435(2):110-14方案活塞模型配缸间隙/mm方案1A活塞00175[4]袁兆成.内燃机设计[M].北京:机械工业出版社,2012方案2B活塞001755]柴镇江,蒋汪塞基击力的影响规律分析[J.中方案3A活塞00225国工程机械中国煤化工方案4B活塞0.022作者简介:CNMHG士研究生,研究方方案5A活塞00275向:内燃机零部件设计及实验,电子信箱: chenyanpeng8@163com方案6B活塞00275责任编辑:赵荣收稿日期:2016-02-2338