內(nèi)燃機(jī)曲軸軸系振動(dòng)分析研究的現(xiàn)狀、討論與展望

張 勇

金川集團(tuán)公司鐵路運(yùn)輸分公司 甘肅 金昌 737100

引言

曲軸系統(tǒng)的振動(dòng)決定著內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)。曲軸上的作用的大小和方向都在隨著時(shí)間發(fā)生著周期性的變化，所以它有兩個(gè)方面的振動(dòng)，分別是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，而且它彎曲和振動(dòng)的頻率也是比較高的。正是因?yàn)樗鼤?huì)發(fā)生彎曲導(dǎo)致其他部件產(chǎn)生振動(dòng)，并且發(fā)出響聲，這就是為什么內(nèi)燃機(jī)會(huì)產(chǎn)生噪音。但是曲軸扭曲振動(dòng)的頻率卻是比較低的，在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行工作的時(shí)候比較容易產(chǎn)生共振，所以就需要采取一定的措施減輕共振，減少噪音，減輕對(duì)其他部件的磨損。在這幾年，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的污染以及可靠性，動(dòng)力性和油耗有了更大的要求，所以我們就需要進(jìn)一步對(duì)它進(jìn)行研究。

一、分析研究的現(xiàn)狀

1.曲軸有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及受力情況，所以在對(duì)曲軸軸系的振動(dòng)特征進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，都會(huì)用比較簡單的力學(xué)模型來進(jìn)行計(jì)算，這樣可以更加簡便的進(jìn)行計(jì)算。現(xiàn)在的研究把振動(dòng)計(jì)算的曲軸軸系分為了兩類，分別是軸系質(zhì)量經(jīng)離散化后集總到許多集中點(diǎn)的集總參數(shù)模型，還有一種就是分布參數(shù)模型，這種模型是軸系質(zhì)量沿著軸線連續(xù)分布的模式。

(1)集總參數(shù)模型分析。此模型存在一些優(yōu)點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)就是有著清晰的物理概念，使用起來是比較簡單的，而且計(jì)算方法也比較簡便。但是這個(gè)模型的缺點(diǎn)就是太過于簡化，如果想要對(duì)曲軸進(jìn)行精密的計(jì)算的時(shí)候，這種計(jì)算方法就無法達(dá)到所需要的精密度。

(2)分布參數(shù)模型分析。因?yàn)檫@種模型是軸系質(zhì)量沿著軸線連續(xù)分布的模式，所以這種模式是更加的接近實(shí)際情況的。在這種模型中還根據(jù)不同的分類又分成了三種不同的模型，分別是對(duì)曲軸的實(shí)體直接進(jìn)行部分作為有限元的計(jì)算模型，框架模型，階梯軸模型這三種，下面對(duì)這三種進(jìn)行分析。

①框架模型的分析。在計(jì)算曲軸振動(dòng)時(shí)使用有限元法，就能夠形成框架模式，這個(gè)模型可以使用會(huì)連續(xù)的實(shí)體的并且是有規(guī)則的來代替在曲軸中的不同部分結(jié)構(gòu)，這個(gè)模型對(duì)曲軸原來具有的形狀能夠得到很好的保持，所以如果使用這種方法進(jìn)行曲軸的振動(dòng)計(jì)算的時(shí)候，可以得到比較精確的結(jié)果。

②階梯軸模型的分析。如果將軸系等效能夠進(jìn)行處理成連續(xù)的階梯軸的模型，這樣可以很好的減少集總參數(shù)模型進(jìn)行離散化誤差的作用。階梯軸模型的特點(diǎn)就是它具有連續(xù)的質(zhì)量分布，因?yàn)橛羞@樣連續(xù)的分布的話，就可以更加清楚的知道分布參數(shù)對(duì)軸系振動(dòng)特性具有哪些影響，而且可以采用比較多的數(shù)學(xué)方法來進(jìn)行計(jì)算。將二者進(jìn)行比較，這個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果能夠得到更加精確的結(jié)果。

2.非線性研究。我們都知道，復(fù)雜的非線性研究是曲軸軸系的構(gòu)成特征。所以想要能夠構(gòu)成一個(gè)最能反應(yīng)曲軸軸系的實(shí)際情況的模型是一件非常復(fù)雜的時(shí)候，它需要考慮非常多的非線性因素的影響。這些問題和因素就包括了變慣量以及非線性部件問題等。這些都可能會(huì)對(duì)模型的建立產(chǎn)生一定的影響，下面就對(duì)它們進(jìn)行分析。

①變慣量產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。在運(yùn)動(dòng)過程中，活塞和連桿是存在一定的慣性的，我們對(duì)他們的慣性進(jìn)行計(jì)算所采用的方法就是等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來進(jìn)行考慮分析的。用單缸機(jī)模型定性解釋了多缸機(jī)中變慣量引起的次共振現(xiàn)象。然后還對(duì)柴油機(jī)曲軸斷裂的原因也從慣量方面進(jìn)行分析。還對(duì)曲軸扭振的影響因素進(jìn)行了分析，分析的方面就是反復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響。還研究了單缸機(jī)的簡化模型的計(jì)算和求解方法進(jìn)行了研究，并且進(jìn)一步得到了在考慮慣量的情況下，得到了多缸柴油機(jī)的曲軸扭動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程。

二、進(jìn)行討論

上面已經(jīng)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的曲軸軸系振動(dòng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，通過上面的分析，我們知道了對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)研究是具有一定的特征的，分別是下面幾點(diǎn)特征:①對(duì)振動(dòng)的計(jì)算模型已經(jīng)越來越精確了，慢慢的從集總參數(shù)模型不斷的演變成了用分布參數(shù)模型，這樣可以提高計(jì)算精確度。②在對(duì)模型進(jìn)行研究的過程中，所關(guān)系到的物理現(xiàn)象已經(jīng)越來越復(fù)雜了。③對(duì)于之前的計(jì)算方法在不斷的進(jìn)行改進(jìn)，不斷的出現(xiàn)了越來越多的精確度更加高，效率更加高的計(jì)算方法。這些都能夠?yàn)榍S振動(dòng)的分析提供更加有效的方法。

但是，根據(jù)現(xiàn)在的情況進(jìn)行分析來看，現(xiàn)在的有的計(jì)算方法和分析模型進(jìn)行曲軸振動(dòng)理論計(jì)算，但是與直軸振動(dòng)分析的計(jì)算方法進(jìn)行比較的話，還是存在比較大的差距。有以下兩個(gè)方面的差距，第一就是在計(jì)算中需要依據(jù)的參數(shù)是不夠精確的，比如對(duì)剛度以及阻尼系數(shù)等的運(yùn)用。另一個(gè)方面就是因?yàn)闆]有考慮到在曲軸振動(dòng)的過程中還受到了曲軸軸承的影響。

三、研究的發(fā)展展望

如果在對(duì)曲軸軸系進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠很好的對(duì)它的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行掌握，這樣就可以有利于制造。所以就需要結(jié)合實(shí)際情況能夠更加精確的對(duì)曲軸軸系振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。為了能夠更加精確的對(duì)曲軸軸系的特征進(jìn)行計(jì)算，需要能夠更加深入的進(jìn)行下面幾方面進(jìn)行研究。第一，要對(duì)阻尼系數(shù)進(jìn)行更加深入的研究，對(duì)與阻尼系數(shù)的計(jì)算還是沒有研究出適合目前情況的計(jì)算方法，還是在用古老的經(jīng)驗(yàn)公式，正因?yàn)檫@方面沒能得到進(jìn)步個(gè)發(fā)展，所以已經(jīng)成為制約曲軸振動(dòng)計(jì)算精度提高的一個(gè)因素。我們?cè)谟?jì)算的時(shí)候，都已經(jīng)將阻尼系數(shù)人為的常量化了，但是他其實(shí)并不是一個(gè)常量，他是會(huì)改變的，所以需要我們進(jìn)一步深入進(jìn)行研究。第二就是非線性研究，對(duì)曲軸軸系振動(dòng)進(jìn)行精確的分析的時(shí)候，就必須考慮到非線性部件變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及其他非線性因素，但是根據(jù)現(xiàn)在的情況來看，目前的研究還是更多的考慮單一因素的單自由度非線性振動(dòng)問題，所以這樣不能夠滿足精確度的要求。所以，就要求我們必須要對(duì)非線性因素在研究中藥進(jìn)行更多因素的考慮，還需要進(jìn)一步的更加深入的研究。還要進(jìn)一步考慮多自由度乃至連續(xù)質(zhì)量分布的曲軸軸系振動(dòng)問題。

四、結(jié)束語

根據(jù)本文的分析，可以得到以下一些結(jié)論。

1.對(duì)于內(nèi)燃機(jī)曲軸振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果的精確度已經(jīng)越來越高了，現(xiàn)在正處于一個(gè)過渡中，由集總參數(shù)模型逐漸的轉(zhuǎn)為分布參數(shù)模型。

2.目前正在對(duì)曲軸振動(dòng)的計(jì)算方法不斷的進(jìn)行研究和完善，不斷在提高計(jì)算結(jié)果的精確度，現(xiàn)在比較迅速的投入使用的方法就是傳遞矩陣法，有限元法能夠得到相對(duì)比較精確的結(jié)果，所以也被廣泛運(yùn)用。彈性波傳播法容納了以上兩種的優(yōu)點(diǎn)，所以也已經(jīng)開始被運(yùn)用在曲軸振動(dòng)的計(jì)算過程中。

3.主要的測(cè)量手段是非接觸式振動(dòng)測(cè)量。

4.計(jì)算所需要的各項(xiàng)阻尼系數(shù)已經(jīng)成為了一個(gè)重要的研究課題。

5.需要進(jìn)一步深入研究曲軸軸系振動(dòng)的影響因素，其中包括變慣量，非線性部件以及其他的一些非線性因素。