一種柴油機軸系扭振計算方法與流程
2023-12-07 02:36:01 3
本發明涉及柴油機領域，特別是涉及一種柴油機軸系扭振計算方法。
背景技術：
關於柴油機扭轉振動的研究由來已久，從20世紀初扭振故障頻發而引發學界的關注開始，已有百餘年的研究歷程。現今柴油機軸系扭振的研究日趨成熟，其相關的計算方法已經獲得廣泛的應用。隨著柴油機的大功率化、整套動力裝置系統的複雜化，實際工程中出現了眾多偏振、耦合振蕩、滾振等軸系問題。常規計算方法已不能滿足實際使用要求，也不能很好的解釋諸類現象。
對於柴油機凸輪軸系等附屬機構的研究結果頗豐。典型文獻(柴油機用高壓噴油泵負載扭矩的計算)，研究了噴油泵瞬態負載扭矩的特性，並對噴油泵負載力矩進行推導；典型文獻(發動機配氣凸輪軸負載扭矩計算及振動研究)，提出一種計算配氣凸輪軸負載扭矩的理論方法，推導出配氣凸輪軸負載扭矩的理論計算公式。但這些研究只關注於附屬機構本身，忽略了其與曲軸的耦合關係。附屬機構與曲軸軸系的耦合關係未獲得足夠重視。
技術實現要素：
針對現今柴油機軸系扭振計算方法的不足，本發明目的在於提供一種更精確的軸系扭振計算方法，在常規計算方法基礎上，考慮凸輪軸系與曲軸軸系之間的耦合作用。
本發明的實現包含如下步驟：
步驟一：根據廠家提供的柴油機軸系扭振計算參數，採用集中參數法計算慣量矩陣、剛度矩陣與阻尼矩陣。
步驟二：計算曲軸軸系的扭振激勵。
步驟三：根據力矩平衡原理得到凸輪軸的負載扭矩。
步驟四：使用newmark-β算法求解強迫振動響應。
步驟五：使用最小二乘法消除響應計算中的趨勢項，得到響應計算的真實值。
本發明還可以包括：
1.所述步驟二中曲軸軸系的扭振激勵的計算表達式為
m＝mt+mi
式中，mt為柴油機氣缸內因氣體壓力變化所產生的氣體激振力矩，其表達式為
式中，p作用在活塞上的氣缸壓力；α曲柄與中心線的夾角；β連杆的擺角；r曲柄半徑；
mi為運動部件因受往復慣性力所引起的慣性激振力矩，其表達式為
式中，m活塞質量；a活塞加速度。
2.所述步驟三中凸輪軸軸系的負載扭矩包括配氣凸輪軸的負載扭矩與噴油凸輪軸的負載扭矩，其表達式為
t＝tt+tp
式中，tt為配氣凸輪軸的負載扭矩，其表達式為
式中，i搖臂長度比；p氣缸壓力值；dk氣閥圓盤直徑；k氣閥彈簧剛度；h0氣閥彈簧的預壓縮量；h氣閥升程；at凸輪行線的加速度；mt1頂杆質量；mt2挺柱質量；mv氣閥質量；ms氣閥彈簧質量；ir搖臂的轉動慣量；lt搖臂靠近頂杆段的長度；θ凸輪轉角。
其中，tp為噴油凸輪軸的負載扭矩，其表達式為
式中，p泵端燃油壓力，考慮為衝擊負荷，用2p計算；dp柱塞的直徑；m1柱塞質量；w凸輪的轉速；h凸輪升程；k柱塞彈簧剛度；h0彈簧預壓縮量。
3.所述步驟四中使用newmark-β算法求解強迫振動響應，計算公式如下
式中，為等效剛度矩陣，為等效外力矩陣，{u}為位移。
4.所述步驟五中使用最小二乘法消除響應計算中的趨勢項，計算公式如下
式中，xk為實際測試信號，為m階次擬合多項式，n為數據採樣點數，aj(j＝0,1,…,m)為多項式係數；
消除趨勢項的過程：通過調節係數aj的值，使相對xk的誤差平方和最小。
本發明具有如下有益效果：
1.充分考慮了凸輪軸系與曲軸軸系之間的耦合關係，響應計算更為精確；
2.擴大了軸系扭振計算方法的適用範圍，可以滿足大功率柴油機的軸系扭振計算要求。
附圖說明
圖1為包含曲軸軸系及其附屬機構的柴油機軸系當量模型圖。
圖2為柴電機組扭振測試布置示意圖。
圖3為根據本發明提出的扭振計算方法計算的配氣齒輪扭角與測試值作快速傅立葉變換後進行對比。
圖4為按照常規方法計算的配氣齒輪扭角與測試值作快速傅立葉變換後進行對比。
圖5為本發明方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合實例對本發明作詳細描述。
一臺船用柴油機發電機組主要由man5l21/31型柴油機、發電機、公共基座組成，額定轉速900r/min，額定功率1000kw。
對曲軸軸系與凸輪軸軸系進行當量簡化，凸輪軸軸系包括配氣凸輪軸與噴油凸輪軸。根據廠家提供的柴油機軸系扭振計算參數，採用集中參數法計算慣量矩陣、剛度矩陣與阻尼矩陣。
對曲軸軸系、凸輪軸軸系的當量模型進行整合，建立包含曲軸軸系及其附屬機構的柴油機軸系當量模型，見圖1。
柴油機氣缸內因氣體壓力變化所產生的氣體激振力矩為：
式中，p作用在活塞上的氣缸壓力；α曲柄與中心線的夾角；β連杆的擺角；r曲柄半徑。
活塞、連杆等運動部件因受往復慣性力所引起的慣性激振力矩為：
式中，m活塞質量；a活塞加速度。
曲軸軸系的扭振激勵m為
m＝mt+mi
凸輪軸軸系的負載扭矩包括配氣凸輪軸負載扭矩與噴油凸輪軸負載扭矩。
配氣凸輪軸的負載扭矩為：
式中，i搖臂長度比；p氣缸壓力值；dk氣閥圓盤直徑；k氣閥彈簧剛度；h0氣閥彈簧的預壓縮量；h氣閥升程；at凸輪行線的加速度；mt1頂杆質量；mt2挺柱質量；mv氣閥質量；ms氣閥彈簧質量；ir搖臂的轉動慣量；lt搖臂靠近頂杆段的長度；θ凸輪轉角。
噴油凸輪軸的負載扭矩為：
式中，p泵端燃油壓力，考慮為衝擊負荷，用2p計算；dp柱塞的直徑；m1柱塞質量；w凸輪的轉速；h凸輪升程；k柱塞彈簧剛度；h0彈簧預壓縮量。
使用newmark-β算法求解強迫振動響應，計算公式如下
式中，為等效剛度矩陣，為等效外力矩陣，{u}為位移。
對於實際測試信號，由於測試儀器溫度變化造成的零點漂移，導致信號含有長周期趨勢項。對測試數據作積分時，趨勢項對計算結果的影響十分明顯，甚至會使其完全失真。因此有必要消除趨勢項，得到響應計算的真實值。
採用最小二乘法消除趨勢項，計算公式如下
式中，xk為實際測試信號，為m階次擬合多項式，n為數據採樣點數，aj(j＝0,1,…,m)為多項式係數。消除趨勢項的目的，就是選擇合適的係數aj，使和xk間的誤差平方和最小。
為了驗證本發明方法的有效性，在現場對柴電機組進行了扭振自由振動測試。採用磁電式轉速傳感器採集配氣凸輪軸齒輪齒頂處的轉速方波信號。通過計算分析，得到對應的扭角值，進而對其進行頻域分析。測試示意圖見圖2。
將配氣齒輪扭角的計算值與測試值作快速傅立葉變換後進行對比，如圖3所示。並將按常規計算方法計算出的配氣齒輪扭角與測試值作快速傅立葉變換後進行對比，結果如圖4所示。
對比結果表明，本發明方法考了凸輪軸系對柴油機軸系扭振的影響，得到的扭振響應計算值更加精確。