大型低速柴油機曲柄連桿機構(gòu)的虛擬裝配與運動仿真

李奉香 黃 政

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050）

現(xiàn)代船用大型低速柴油機均采用十字頭式的結(jié)構(gòu)，即連桿組件與活塞組件通過十字頭組件連接起來，利用十字頭組件中的滑塊與機架上的導(dǎo)板配合來承受側(cè)推力，這種結(jié)構(gòu)與一般的中小型柴油機有很大的區(qū)別，裝配工藝區(qū)別也很大，因此一般不可能通過中小型柴油機來了解大型柴油機的結(jié)構(gòu)和原理，以及裝配的工藝過程。船用大型低速柴油機結(jié)構(gòu)尺寸大，制造費用高，利用三維軟件制作虛擬裝配和運動仿真進(jìn)行設(shè)計、檢測和培訓(xùn)學(xué)習(xí)，可降低成本。下面是用SolidWorks 2008軟件制作MAN B＆W 5S60MC－C型柴油機曲柄連桿機構(gòu)虛擬裝配和運動仿真的過程。

1 柴油機曲柄連桿機構(gòu)零件的建模

制作虛擬裝配和運動仿真前要進(jìn)行相關(guān)零件的建模。大型低速柴油機的曲柄連桿機構(gòu)主要有機架、機座、曲軸組件、連桿組件、活塞組件、十字頭組件、氣缸體、氣缸套等零件，柴油機的固定部件中機座、機架和氣缸體構(gòu)成了柴油機的骨架與箱體，這些零件的結(jié)構(gòu)有簡單的，也有復(fù)雜的，但即使是復(fù)雜的零件，也沒有特別復(fù)雜的曲面，因此利用SolidWorks一些基本命令，就能夠方便、快捷、精確地創(chuàng)建出相應(yīng)零件模型，部分零件的模型如圖1所示。

下面以圖1a）所示的十字頭為例，介紹零件建模的方法。十字頭的建模過程如下：

⑴新建零件，并命名為“十字頭”；

⑵圓柱體的建立：在右視基準(zhǔn)面上，根據(jù)十字頭外圓和內(nèi)孔尺寸分別畫出兩個同心圓，然后運用“拉伸”命令建立一個空心的圓柱體；

⑶活塞桿安裝平面的建立：在前視基準(zhǔn)面上畫出相應(yīng)形狀的剖切圖形，然后運用“拉伸切除”命令切除圓柱體中段的上部，即可形成活塞桿安裝平面；

⑷各油孔、螺紋孔的建立：各種油孔、螺紋孔可運用“異型孔導(dǎo)向”命令，按要求選擇孔或螺紋形式及其規(guī)格，設(shè)定深度后，再確定孔的位置，即可形成各種孔或螺紋孔。對于一些復(fù)雜的孔，也可以在孔的中心線所在的平面上，畫出半個孔的截面形狀，然后用“旋轉(zhuǎn)切除”命令來建立；

⑸各部位倒角的建立：各部位倒角可運用“例角”命令倒出。

為了便于觀察和理解柴油機曲柄連桿機構(gòu)的裝配和運動情況，如圖1d）、e）所示，在機座和機架建模時，可先按實際圖紙建模，然后將其外側(cè)切去一部分。

圖1 柴油機曲柄連桿機構(gòu)部分零件立體圖a）－ 十字頭；b）－ 滑塊；c）－ 曲軸；d）－ 機座；e）－機架；f）－ 連桿桿身

2 柴油機曲柄連桿機構(gòu)裝配體建立

根據(jù)柴油機曲柄連桿機構(gòu)裝配和運動仿真制作的需要，裝配體的建立分為兩步進(jìn)行，先進(jìn)行一些部件裝配，再將曲柄連桿機構(gòu)裝配在一起。部件的裝配主要有：連桿組件（不含大端端蓋）、連桿大端端蓋組件、十字頭組件等，如圖2中的a）、b）、c）所示。部件裝配后，再進(jìn)行曲柄連桿機構(gòu)的裝配，如圖2中d）所示。

圖2 主要部件裝配a）－十字頭組件；b）－連桿組件（不含大端端蓋）；c）－連桿大端端蓋組件；d）－曲柄連桿機構(gòu)的裝配

裝配體建立的一般步驟是：新建一個裝配體，插入第一個零件（通常第一個插入的零件是固定的，而其后插入的零件不浮動的），然后插入相關(guān)零件，并定義零件之間的配合關(guān)系，形成裝配體。

部件裝配體建立時，一般選擇部件中的那個主要零件作為裝配參照體第1個插入到裝配體中，如圖2c）所示的連桿大端端蓋組件的裝配過程是：

⑴新建裝配體，并命名為“連桿大端端蓋組件”；

⑵插入連桿大端，并放置的適當(dāng)?shù)奈恢茫?/p>

⑶插入兩個連桿大端連接螺栓，并定義螺栓軸線與連桿大端端蓋上的螺紋孔軸線重合，螺栓伸出連桿大端端蓋與連桿裝配的結(jié)合面距離符合要求；

⑷插入兩個定位銷，并定義定位銷的外圓與連桿大端端蓋上的定位銷孔同心，定位銷伸出連桿大端端蓋與連桿裝配的結(jié)合面距離符合要求；

⑸插入連桿大端軸承下瓦，并定義連桿大端軸承下瓦的外圓與連桿大端端蓋的內(nèi)孔同心，連桿大端軸承下瓦的端面與連桿大端端蓋的端面重合，連桿大端軸承下瓦與上瓦配合的結(jié)合面與連桿大端與連桿裝配的結(jié)合面平行；

⑹插入兩個止動螺釘，并定義螺釘?shù)妮S線與連桿大端端蓋上的螺紋孔軸線重合，螺釘柄部的下端面與連桿大端端蓋的螺紋孔端面重合。

整機裝配體時一般以機座作為裝配參照體第1個插入到裝配體中，插入其它零部件后，再定義零件之間的配合關(guān)系。曲柄連桿機構(gòu)的裝配過程如下：

⑴新建裝配體，并命名為“曲柄連桿機構(gòu)裝配”；

⑵插入機座，并放置的適當(dāng)?shù)奈恢茫?/p>

⑶插入曲軸組件，并定義曲軸主軸頸外圓與機座主軸承內(nèi)孔同心，曲軸推力環(huán)的輸出端端面與機座推力軸承的輸出端端面的距離符合要求；

⑷逐個插入主軸承端蓋組件，并定義主軸承端蓋組件上的定位銷外圓與機座主軸承處的定位銷孔同心，主軸承端蓋的結(jié)合面與機座的主軸承的結(jié)合面重合；

⑸插入主軸承螺母，并定義螺母軸線與機座上的軸承螺栓軸線重合，主軸承螺母下端面與主軸承端蓋的壓緊平面重合；

⑹插入機架，并定義機架下平面與機座上平面重合，機架下平面的燃油側(cè)側(cè)面與機座上平面上的油槽的內(nèi)側(cè)面的距離符合要求，機架輸出端端面與機座輸出端端的距離符合要求；

⑺逐個插入連桿組件，并定義連桿大端軸承孔與曲軸的曲柄銷外圓同心，連桿大端輸出端端面與其后的一個曲柄臂的前端面的距離符合要求；

⑻逐個插入連桿大端端蓋組件，并定義連桿大端端蓋組件上的定位銷外圓與連桿大端上的定位銷孔同心，連桿大端端蓋的結(jié)合面與連桿大端的結(jié)合面重合。

⑼逐個插入連桿螺栓緊固螺母，并定義螺母軸線與連桿螺栓軸線重合，螺母下端面與連桿緊固平面重合。

⑽逐個插入十字頭組件，并定義十字頭外圓面與連桿十字頭軸承孔同心，十字頭輸出端端面與連桿十字頭端的輸出端端面距離符合要求，前滑塊的燃油側(cè)工作面與機架的燃油側(cè)導(dǎo)軌面重合。

3 柴油機曲柄連桿機構(gòu)虛擬裝配與運行仿真

為了直觀地表達(dá)出零部件之間的裝配關(guān)系，進(jìn)行虛擬裝配時，需要將虛擬裝配體生成爆炸視圖，如圖3所示。生成爆炸視圖的基本方法是：

圖3 裝配體爆炸圖

圖4 裝配體虛擬裝配動畫路徑

⑴打開裝配體，點擊“爆炸視圖”制作裝配體爆炸視圖；

⑵選擇需要爆炸的零件或部件，確定爆炸的方向和距離，點擊“確定”即可生成一個爆炸步驟；

⑶按照裝配體拆卸的順序、方向和距離要求，依次選擇所需拆卸的零部件，生成一個個爆炸步驟，即可完成爆炸視圖的制作。

在生成了柴油機曲柄連桿機構(gòu)裝配體爆炸視圖的基礎(chǔ)上，利用SolidWorks自帶的動畫制作功能即可仿真柴油機曲柄連桿機構(gòu)裝配的過程和運動，即在柴油機曲柄連桿機構(gòu)虛擬裝配體爆炸視圖制作完成后，點擊“運動算例1”標(biāo)簽，切換到動畫制作界面，利用動畫向?qū)Э梢陨尚D(zhuǎn)裝配體模型、爆炸、解除爆炸3種基本動畫，柴油機曲柄連桿機構(gòu)虛擬裝配使用解除爆炸即可，此外，裝配過程中，曲軸需要旋轉(zhuǎn)，可以通過添加“旋轉(zhuǎn)馬達(dá)”來實現(xiàn)，柴油機曲柄連桿機構(gòu)裝配體的虛擬裝配動畫路徑如圖4所示。

柴油機曲柄連桿機構(gòu)虛擬裝配動畫生成后，可在SolidWorks環(huán)境下觀看裝配效果，檢驗裝配次序和路徑，檢驗零件之間的干涉等。若發(fā)現(xiàn)有問題，可作相應(yīng)修改，所有修改完成后，可將生成的動畫保存為AVI格式的視頻文件，在Windows環(huán)境下，用視頻播放器播放。柴油機曲柄連桿機構(gòu)虛擬裝配動畫部分截圖如圖5所示。

圖5 柴油機曲柄連桿機構(gòu)裝配體虛擬裝配動畫部分截圖

4 結(jié) 語

通過MAN B＆W 5S60MC－C型柴油機曲柄連桿機構(gòu)虛擬裝配與仿真實踐證明，應(yīng)用SohdWorks軟件制作大型船用低速柴油機曲柄連桿機構(gòu)的虛擬裝配及運動仿真，可以清楚的觀察零部件的結(jié)構(gòu)、柴油機的動作原理，能驗證大型船用低速柴油機各部件裝配序列和裝配路徑的可行性，分析最佳裝配次序、確定最優(yōu)裝配路徑，能提高部裝和總裝的裝配質(zhì)量，降低裝配成本。

1 國秀麗，吳貴軍．基于SolidWorks液力偶合器的虛擬裝配及運動仿真［J］．南方金屬，2010（3）：35－37

2 滕海艷，李寶華，楊震．基于SolidWorks行星齒輪機構(gòu)的運動分析及仿真［J］．煤礦機械，2011（3）：26－227

3 崔爽，胡以懷．基于SolidWorks的船舶風(fēng)帆虛擬裝配模擬［J］．電腦開發(fā)與應(yīng)用，2012（12）：33－34