автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка метода повышения достоверности расчета крутильных колебаний коленчатого вала двигателя

,Г6 -

5 ё'с^ЬгРАДСК'.Я ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 31ШЕКИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На прзвах рукописи

Тда-ЭЛЬСИР ХАССАН ХМССАН

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ РАСЧЕТА КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 05.04.02 - ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Автореферат диссертации на соисзсашэ учэноЗ стэдана кандидата техкхчэскях наул

Волгоград - 1993

- г -

Работа выполнена на тсафздре "Автотракторные двигатели" Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки' и

техники Российской федерации, доктор технических наук, профессор ГРИГОРЬЕВ Е.А.

Официальные ошоненты - академик Академии транспорта

Российской федерации, доктор технических наук профессор ТУЗОВ Л.В. - кандидат технических наук, доцент ПОПОВ А.Н.

Ведущее предриятие -Волгорадский моторный завод

Защита состоится 26 ноября 1993 года в 9 час. з ауд. 209 на заседании специализированного совета К063.76.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400066, Волгоград, пр. Ленина, 28.

С диссертацией мошо ознакомиться в 'библиотеке Волгоградского государственного технического университета

Автореферат разослан 22 октября 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук доцент

0,1Ожогин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Периодические газовые и инершоннно возмуацшсю воздействия в двигателе вызывают крутильные колебания. Эти колебания являются ваагшм {актором, лимптирущам надежную работ}- двигателя. Поэтому существенной задачей является снижение уровней крутильных колебаний в . двигателе внутреннего сгорания (ЛВС). Эта задача тоет особое значение и в связи с ростом удельной мощности, снжхонием металлоемкости я эксплуатационной частоты врааоння коленчатого вала двигателя.

Сложность конструкции кривошипно-шатунного механизма делает весьма трудоемкими расчеты крутилышх колебаний коленчатого вала ЛВС. Кромз того, в расчетах используются параметры системы, определяемые приблизившими методами. Все это отрекается на достоверности результатов.

Цель исследования. Основное содержание направлено на разработку метода расчета и анализ влияния параметров систомы коленчатого Еала на крутилыше колебания, а таюке составление математической модели, в которой учитывались Си реальные значения I. ¿раме ;ров системы и имелась возможность оценки влияния их отклонения от номинальных эпачоний на развитие вкнуадендах крутильных колебагатй.

Метода исследования. Численный анализ вынужденных крутильных колебаний коленчатого вала ДБС на основе матемз~тческих моделей и ЭВМ, расчетное исследование влияния параметров системы на развитие вин. жденных крутилышх колебаний.

Научная новизна. Разработаны новые метод, алгоритм и программа расчета винузденшх крутильных колебаний многомассовой системы коленчатого вала двигателя. Они позволяют псти анализ развития колебаний в системе с иореу.иаигя моментами инерции и с учетом отклонения параметров систем о?

нсшчальних значений. На 'основе численного анализа колебаний для дизеля 8ЧБН I5/1G устанозлона погрешность определения собственных частот система и амплитуд закрутки участков вала при использовании осредненного значения к переконного значения момента инорцип. Предложена математическая модель анализа чувствительности системы к отклонениям различных параметров (косткости, демпфироваьля и возмущающих моментов) вьшукдэнних крутильных колебаний. Дана оценка влияния вязкости жидкости в дзшферв ка развитие колебаний в коленчатом вале.

Практическая ценность. Разработашше математическая модель и метод расчота крутильных колебаний позволяют на . стадии проектирования двигателя создать более надехшую конструкцию коленчатого вала и прогногпровать ее надежность при форсировании двигателя.

Внедрение и реализация в промышленности. Результаты исследований используются в учебной и научной работе кафедры автомобильных и тракторных двигателей БолгГТУ. Они рекомендуются таи» исследовательским в проектным организациям.

Апробация работы. Основные результаты дисс ртации долокены на научно-практическом семинаро "Совершенствование мощностных и

и

экологичэсшис показателей ДВС во Владимире в 1933 г, . на ежегодных конференциях ■ Волгоградского' политехнического института 1932-1993 г., а такге представлены на международной научно-технической конференции "Совершенствование быстроходных дизелей" а г.Барнаулэ (май 1993 г.)

Публикации. Основные положения диссертации кзлохэш в одной печатной работе.

Структура к объем работы» Днссергацся состозт ез введения, трэх глав, основных выводов н списка литература» Диссертация ■ содержит 84 страниц нгшинопасдого текста, 35 рисунков н 5 TEöJinu. Список литературы ыиэтает 206 источников.

На згвдату вышсятся следующие основные полояегая л^сорташш:

- обобщенные расчетные схемы к предложенные математические модели крутильно-колебательной системы коленчатого вала ДВС;

_ - алгоритмы и программы метода расчета крутильнях колебания:

- метод расчета крутильных колебаттй колончатого вала тракторного двигателя с инерционным характеристиками в вэде периодических Функций;

- сравнение разработнного метода с традиционным, а такав оценки крутильно-колебательной нагруасенности коленчатого вала ДВС. при отклонении его параметров от номинальных значений.

СОДЕРЯАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актульность теш и формулируются цели исследования.

В первой глава приводится обзор литературных источников, посвященных анализу крутильных колебаний коленчатого вала двигателя, возмуцащих моментов газовых и инерционных сил. Отмечены работы Григорьева Е.А., Истомина П.А., Маслова Г.С., Неймана И.Ш., Терских В.П., Wldler Н., Tolle М. и др. Показано, что недостаточно изучено. влияние параметров крутильной системы на процесс развития в колебании. Отмечается .что до настоящего времени анализ крутильно-колебательной системы коленчатого вала ДЗС ведется с использованием линейно-дискретных моделей, созданных для проведения расчетов на основе ЭВМ по традиционным методикам, где принимается, что параметры линейно-дискретной : эдвли не зависят от угла поворота коленчатого вала двигателя, фактически отсутствует модель, позволяющая зести анализ развития вынувдетых колебаний в крутильной систег.'з с

учетом периодических и случайных отклонений параметров системы.

С учетом проведенного анализа формулируются наиболее актуальные задачи исследования:

- разработка обобщенной расчетной схемы крутилыю--колебатольпой системы коленчатого вала с заданием инерционных параметров в виде периодических функций;

- создание математической I,юдоли и методики численного расчета крутклышх колебаний многомассовой системы от полного спектра крутящего момента;

определение влияния яесткостных и демпфирующих параметров на крутииышх колебаний;

- расчетко-тооретическое исследование и анализ крутильных колебаний при отклонениях параметров системы от номинальных значений;

- разработка алгоритма и программы численной реализации предлокенного метода расчета.

Во второй главе разработана математическая модель крутильных колебшшй многомассовой с£Ътемы с заданием инерционных параметров в виде периодических функций угла поворота коленчатого вала Ji(a). В общом виде крутильные колебания колончатого _ вала представляются системой дифференциальных уравнений

.г, «со <р| + ьиг ( ф, - ф2 > + ь, ф,+ сиг ( Ф, - Ф2 )= ^ , ^(а) ф; - Ь,<г ( ф, - фг ) + Ь2>3 ( Фг - Ф3 ) -с,.2 < Ф» " 4>г > + < <Р2 " Ь ) + Ь2 ф2 = иг ; ^(а) ф; + Ъ3>4 { % - ф4 ) - Ь2>3 ( Ф2 - ф 3) +

+ сз.4 ( Ъ ~ О ~ сг,з ^г ' Ь > + ьз ^ = *з :

.;((а) <?; - ( ф£_, - Ф{ > + ь1>1+, ( фе - <р{+, ) - (1)

- С(-М ( »1-» - Ч>1 > + < - фи» } + Ь1 -= 1{;

'«<«> - Ьп »,» («пГ'п) Са < Г " % > +

+ Ь ш = И

а „

где ф{ - угловое перемещение 1-ой массы;

а - угол поворота коленчатого вала во вращательном о дарении;

с 1,1+1-' коэффициент жесткости участка вала меаду массами I и

м;

«/¿(а) - значение момента инерции 1-ой массы по углу поворота

коленчатого вала; ь1,1+т " коэффициент демпфирования на участке вала кежду массами С и 4+1; Ь( - коэффициент демпфирования на (-ой массе; Ы1 - возмущавдий момент, действующий, на 1-я массу.

«^(а)= «Г,(а + С(>. (2)

где С{-фазовнй угол зависимости момента инерции 1-о.й массы относительно момента инерции первой массы.

* с

1п й +й>{) , (3)

ш '

о

где Л^^-ашштуда к-?, гарюники возмущащего момента, действрщего на 1-ю массу;

р{ ¿-фазовый угол гармоники; '

О^ -угол поворота вала можду вспышками в первом и 1-м цилиндрами двигателя. Возмущающий момент И^ представляет собой сумму гармонических составляющих крутящего момента, приложенного к моторной массе. Их значения определяются известными методами на основе аналитических зависимостей или по данным эксперимента. В представленной работе при проведении расчетных исследований для дизеля 8ЧВН 15/16 значения гармонических составляющих получены на основе обработки экспериментально полученных индикаторных диаграмм на ряда скоростных режимах при полной подаче топлива. Крутящий момент определялся аналитическим путем с использованием ЭВМ.

Момент инерции криволипно-шатунного механизма при расчете вынуадэнных крутильных колебаний коленчатых валов двигателей является функцией угла поворота коленчатого вала. Поэтому при расчете, систему коленчатого вала нужно рассматривать как реальную систему, состоящую из большого числа масс, подвергающихся периодическому воздействию от газовых сил и сил, связанных с переменным характером параметров приведенных масс.

Согл^-но условию приведения, момент инерции диска Jд^ , заменяющий 1-й кривошишю-шатунный механизм цилиндра двигателя, будет равен:

о

^((1)=^ - ^ + ^ + ^, (4)

где ^кол - момент инерции колена лапа;

^нчг ~ М0М9НТ инерции нижней части головки шатуна: Jvm ' момент инеРШ21 поступательно двкхушхся мое. Момент инерции кризсшшно-затунногс механизма от первой массы в функции угла поворота коленчатого вала определяется на

основе расчетной схемы приведена на рис.1. Шатун здесь представлен в виде двух сосредоточенных масс. Аналитическое выражение переменной части момента инерции получено в слодупдем виде:

Jt(a) = </вр + mfr2 соз2 а + [atn а + ^ соз а tg ßj^j +

2 2 * т^Х2 (§£§-£) + шг гг [зШ а + соз а tg р] , (5)

где г- радиус кривошипа; о </Вр- момент инерции масс, совершающих вращательное движение;

т( масса шатуна;

тг- масса поршневого комплекта;

I - длина шатуна;

11- расстояние между осью шатунной шейки кривошипа и центром массы шатуна;

12- расстояние между осью поршневого пальца и центром массы шатуна.

С этой целью нами разработаны на основе обобщенных расчетных схем рис.1-2 и уравнения Лагранжа 11*то рода математическая модель крутильно-колебательной системы коленчатого вала (I) и (2). Наличие в (I) периодической функции момента инерции J(a), связанной с поступательно движущимися массами, в отличии от традиционного представления осродненным значением значительно усложняет решение и требует поиска наиболее рационального метода. Предварительные расчеты показали,что для тракторного дизеля большой размерности тала 8ЧВН 15/16 минимальное и максимальное значение момента инерции от одной привденной массы составили 0.142 кг.м2 и 0.174 кг .и2, что составляет ± 10% от среднего значения используемого при традиционном расчете. Пример расчета переменна! значений J(о)

одной приведенной массы системы на основе (5) дано на рис. 3. Одновременно проведены расчеты ссстветствукдих значений собствекных ' частот систе;а численным методом. Результаты расчетов представлены на рис.4.

В данной постановке задача мокет быть представлена в виде итерационной процедуры, поэтапного решения задач о вынуадешш колебаниях с учетом переменного значения момента инерции системы но углу поворота коленчатого вала.

Главной задачей создания эффективной методики и алгоритма ра.чета вынужденных колебаний было совершенствование предыдущих мотодов расчета, учитывая особенности колебательной системы и ее математической модели в виде системы линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами Л.а). В основе алгоритма летт использоваше итерационных процедур по приведении N массовой системы к системе алгебраических уравнений порядка '«¡"Н с последующим ее решением на кавдом иаге по углу поворота коленчатого вала.- Значительное сокращение времени достигается расчетом матринч к. эффициентов систем уравнения только для некулевых ее членов,а таете заданием этих коэффициентов в форме квадратной матрица сответственно порядку уравнения.

Для повышения точности расчета максимумов в рабочем диапазоне частот двигателя в зоне резонанса используется алгоритм автоматического уменьшения шага до достижения наперед заданной точности. Таким образом обеспечивается нахождение точки экстремума по максимуму углов закрутки в рабочем диапазоне. Созданные эффективные алгоритм программ позволях)т провести вычисления по трем циклам, включающим изменения угла

ттппгтлф» рл'ошточ^лл тэотю гошлшт »гезчттташгпот^л впа поЛпттотжа и

частоту вращения. Анализ показал, что для получения заданной точности расчета необходимо использовать ЭВМ класса ЕС-1061.

Алгоритм расчета вынужденных колебаний в рабочем диапазона частоты вращения крутильной системы коленчатого вала с периодически изменяющимися параметрами включает следующие шага:.

1. Зздгте исходах данных параметров крутильной системы, частотного диапазона двигателя, счетчика гармонии и др.

2. Задание начального значения скоростного рекима двигателя.

3. Расчет амплитуды гармоник'! крутящего момента и фазового угла от одного цилиндра двигателя.

4. Вычисление значений коэффициентов матрицы системы уравнений (1.). •

5. Задание начального значения угла поворота коленчатого

вала.

6. Решение системы алгебраических уравнений 2*!< -порядка,по результатам которого определяются для эадашюго значения угла поворота коленчатого вала синусные и косинусные составляющие амплитуды угла перемещения отдельных масс крутильной скстеш.

7. Определение амплитуды и фазового угла перемещения отдельных масс крутильной системы для заданного значения -ула поворота коленчатого вала.

8. Нормирование массива мгновенных значений амплитуд и Фазовых углов для каждой массы крутильной системы на основе итерационной процедуры, включающей выполнение пунктов 3-5.

9. Расчет мгновенных значений утлое перемещения вынужденных колебаний от полного спектра крутящего момента для каждой массы.

10. Определение мгно: энных значений угпов закрутки по каждому участку крутильной системы. Одновременно" выполняется запоминание максимального значения и распологеиге его по участкам.

II. Формирование массива максимальных углов закрутки для ряда скоростных режимов двигателя на основе итерационной процедуры, включающей выполнение пунктов 2-11.

12. Вывод результатов расчета для формирования графической информации.

Третья глава посвящена развитию методики исследования колебательного процесс^ в крутильной системе с переменными параметрами. С этой целью на основе созданного программного комплекса для ЭВМ проведено рэсчетно-аналитическое исследование влияния параметров крутильно-колебательной системы коленчатого вала на процесс развития в ней колебаний. Методика исследования включала проведение сравнительного анализа на основе с традиционного представления крутильной системы с осредненными моментами инерции и системы с моментами инерции представленными . в виде периодической функции угла поворота коленчатого вала.

Анализ проведен для крутильно-колебательной системы коленчатого вала дизеля 8ЧВН 15/16. Но его результатам определено качественное и количественное отличие предложенного метода от традиционно используемого в практике инженерных расчетов и исследований. При моменте инерции КШМ в виде функции . угла поворота коленчатого вала величина угла закрутки. по участкам отличается на 8-15% (рис. 5-6).

На рис 5-6 приведены полученные на основе численного эксперимента для первого участка зависимости амплитуд углов закрутки 0 крутильной системы без демпфера на резонансном режиме в функции угла поворота коленчатого вала и в рабочем диапазоне дезеля.

Получены результаты влияния отклонений параметров жесткости по участкам крутильной системы на значена? собственной частоты и амплитуды закрутки вынужденных колебаний. Указанные отклонения могут составлять 81 и 20» соответственно.

Влияние установки демпфера на значение угла закрутил по участкам крутильной системы оценено для различных значений коэффициента трения в демпфере.

На рис. 7 пр:шедены зависимости, позволяющие определить заначеюю оптимального коэффициента трения в домпфоро из условия минимума угла закрутки но участкам крутильной системы.

Важной задачой исследования было получение продельных отклонений амплитуд закрутки при максимальных отклонениях величины возмукащга воздействий. С этсЙ целью в рабочем. диапазоне были получены амплитудо-частотныо характеристики при максимальном увеличении гармоник крутящего момента на 10& от средней величины. Результаты расчетов представлены на рис. 8.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. РззраСотана математичоскрч модель крутильно-колебателнюй систеш коленчатого вала ДВС с моментом инерции кривошипно-шатунного механизма в Риде функции, угла поворота коленчатого вала. Она позволяет оценить влияние параметров крутильных систем на развитие колебаний,

о О

2. Разработан эффективный алгоритм расчета шнуадешпд

крутильных колебаний как от отдельных гармоник, так н от полного спектра крутящего момента в многомассовой крутильно-колебательной системе коленчатого зала ДВС. Его • .сущность сосоит в квазистатическом представлении переменного по углу поворота коленчатого вала значения момента инерции„ Он реализован в виде комплекса программ для ЭВМ типа ЕС-1061. на алгоритмическом языке РОКГЙАК-77.

3. Комплексное расчетно-экспериментальнов исследование, ' проведенное с использованием математической модели

крутилько-колебательной систеш коленчатого вала показало, что

для тракторного двигателя большой размерности учет переменности момента инерции крутильной системы дает снижение урогней углов закрутки во всем диапазоне работы до 1556.

Д. В результате расчетного исследования влияния отклонений параметров крутильно-колебательной системы установлено:

4.1. Отклонение коэффициентов жесткости от номинальных значений может давать гогрешность в получаемых результатах по максимальным углам закрутки 8-202, а по собственной частоте для первой формы колебаний 7Ж.

4.2. Предельные отклонения значений возмущающих моментов вызывают увеличение амплитуд углов закрутки на 10-15% по сравнению с номинальным значением.

4.3. Оценка влияния коэффициента сопротивления между корпусом и маховиком демпфера на значение угла закрутки по участкам крутильной системы дизеля 8ЧВН 15/16 показывает, что:

-оптимальный коэффициент сопротивления в демпфере из условия мини/дума угла закрутки по участкам крутильной системы находится в пределах 800-90Ш"Ы'3;

-предельные отлонения коэффициента сопротивления в демпфбрв приводит к уменьшению амплитуда углового смещения наеду корпусом и маховиком дэмфнра, а возрастание амплитуд углов закрутки других участков мокет достигать ДОХ.

5. Проведенные расчетные исследования амплитуд закрутки в частотном диапазоне работы двигателя, а тэкке по углу поворота коленчатого вала подтвердили высокую эффективность созданного метода расчета и хорошую содикость результатов.

О^ойдогаюя расчетная схема момента крутилшо-колвбзтглькой слстомы кслэ.тчатого валп

;:янзцил КУ.1

1 г1 J. * * I . *

Рис.1.

низ я счс'-:>5'гнэя схемч крутально-колс-с^телыюа системы чзтого вала

J4 Ji-' J1 - _ f

/----

О W

' Ci, «¡ 1 Cji

I,-

i i ! L !

.»I I

Ai ijl ! ! Il ^-'OÓOOOOO

i/. .'Jf .vj Я,-, i/; i.',*, j/„-,

V, - -, 'А., 4>„_r t».

Snn

Момент инерции КБЛ одного цилиндра дизеля 8ЧЕН 15/1'" в зависимости от угла поворота колончатого вала

г

(а),КГ. М

Рис.3.

Первая собственная частота крутилышой система коленчатого вьла дизеля 8ЧВН 15/16 в зависимости от момента инерции.

^ог'1^

1 - переменный момент 1шерции КШМ;

2 - постоянный момент инерщш К1ПГ/..

Рис.4.

Раочотдаэ значения максимальных амплитуд углов »акру¡кл л-.-рь-.го у;г.стко ¡.рутнлько-г.ол^батзлиюй систем--; кол.экчптсГ'т ыи-а д.!.—.;;;!

8ЧВИ 15/16 без докп-$ера в ?аькеикости от частоты врзщекля

Д<р .рад .10

-з

10СС» их со 13хоо 150030 тс-о 1«.:о'17х:с ^ ^ '

1-переменный момент инерции К112Л;2-постоянный момент инерции К1ГМ.

РИС.5.

Расчетные углы колебаний первой мзссы крутильной системы дизеля

8ЧБН 15/16 без демпфера в завис:иостл от угла поворотз

коленчатого вала (п=1684 каш) -з

ф,рад..10

»та во 2Ее.оо хеос «осс эоои. «дота тиз ^

1 - яерекеншй .момент инерции КИМ;

2 - постоянный момент инерщк КЕМ.

Й1С.6.

Расчетные значения амплитуд углов забутки участков крутильно -колэбателыюЯ системы коленчатого _ ьала дизеля 8ЧЕН15/16 в зависимости от коэффициента трепля в жидкостном Д2.чп$зре на резонансном редаме.

ДФ ,рад ,10 "

1- 1 участок; 2- 2 участок;3- 8 участок;*- Ш участок.

Рис.7.

Расчетные значения амплитуд углов закрутки первого участка

крутильно-колебательной систеш коленчатого вала дизеля 8ЧВН

15/16 без демпфера в зависимости от частоты вразния

при продельном отклонении значения возм^латаас моментов 6-»юг -з

Лф ,рад .10 18^0 ^

'»¿ао'ийю «Л» »¿м ши ш» '¡«йсоЧиймшмо П|'"1Н

1) 2)е=-ю?-.

Рис.8.

° По теме диссертации опубликована следующая работа:

1. Григорьев Е.А., Чехович А.Б., Тадж-Эльсир Х.Х. Исследование колебаний системы коленчатого вала при отклонении его параметров. /( Тезисы докладов международной научно-технической конференции." Совершенствование быстроходных дизелей".г.Барнаул, 1993.- с.95-96.