曲軸平衡塊配置對比應用研究

0 引言

為了滿足日益提高的排放法規要求，同時降低燃油消耗，輕量化設計成為目前發動機設計的主要方向。曲軸質量在發動機總質量中的占比較大，故曲軸的輕量化設計對發動機輕量化較為重要。直列四缸發動機曲軸通常采用曲拐夾角為180°的四拐五檔設計，本身已實現動平衡。但是這種結構存在比較大的內彎矩，曲軸高速旋轉運轉容易造成曲軸的變形。為了改善曲軸內部不平衡，減少主軸承負荷、內力矩及保證最小油膜厚度等，需要合理布置平衡重。一般四缸機是全平衡的設計，平衡重的質量矩相同且成鏡面對稱布置，通常采用八平衡塊或四平衡塊設計。作者以國內知名的柴油發動機制造企業開發的國六3.0L輕型柴油發動機為例，前期按照八平衡塊方案設計曲軸，該方案曲軸滿足發動機扭振、整機振動及可靠性等需求，但是這種平衡塊布置導致曲軸重量偏重。因此，基于輕量化的考慮，進一步開發四平衡塊曲軸。通過對兩種不同平衡重布置方案的曲軸的平衡率、扭振、結構強度、主軸承EHD的計算對比，結合臺架試驗進一步驗證兩種方案對發動機扭振及整機振動、可靠性等影響，來驗證為實現降重而采用四平衡塊配置曲軸方案的可行性。

根據式（17）可以計算得到點云中的某三維點X所對應于候選紋理視圖中的像素坐標。僅當計算得到的像素坐標pi位于候選視圖的圖像范圍內可見，則將pi所在像素坐標的顏色信息賦予三維點X作為紋理信息。

表1為發動機基本參數。

1 設計計算

1.1 曲軸平衡率計算

該機型四平衡塊曲軸和八平衡塊曲軸設計如圖1所示。兩個方案曲軸的平衡率對比如下：

(1)四平衡塊曲軸平衡率41%；

(2)八平衡塊曲軸平衡率52%。

世界各國的兒童，3周歲的時候就被帕帕國用輪船接走(大人不許送子女去帕帕國，如有不從，要被處以相當重的罰款)，滿16周歲，帕帕國輪船將他們送回自己的國家，這時他們都已成才了，可以回去建設祖國。孩子們在帕帕國每年享有3個月時間的“團圓假”，回家去同各自的父母團圓，共享天倫之樂。

四平衡塊曲軸的平衡率相對八平衡塊曲軸有明顯的降低，有可能會造成主軸瓦潤滑變差，需要計算主軸承EHD確認主軸承潤滑情況再做進一步評價。

1.2 扭振計算

經對各支腳測點振動對比分析可知，發動機左、右前支腳及右后支腳振動中， 2階振動為主要振動。各測點各方向2階振動測試結果如圖6。

此次改造耗時40天，改造后煙化爐余熱鍋爐運行平穩，第一、第二對流管束頂部燒損的問題得到解決，改造取得了良好效果，滿足工藝生產的需求。具體運行效果如下：

除曲軸不同外，其余邊界輸入一致進行扭振計算。扭振計算結果中，扭轉角位移如圖2、圖3所示：

（二）語文教學自由化。語文教學自由化包括尊重學生的自由。小學階段，學生的身心均需要處于一個良好的、輕松的學習環境當中。該種學習環境并非無紀律性的環境，而是通過輕松的學習氛圍營造自由的學習狀態。只有在此情況下，學生方能夠根據自己內心的需求，逐漸敞開自己的內心，由此更加自由的進行問題的思索與學習。蓋章教學模式下，學生能夠享受到學習的快樂，亦能夠獲得學習的成功，收獲豐富的知識。相對于傳統的“你方唱罷我登場”的問答教學方式，教學效果更加明顯。

由計算結果可見，兩個方案曲軸最大單階次扭轉振幅均在4階，其中四平衡塊曲軸方案扭轉振幅值為0.18deg，比八平衡塊方案的0.15deg，增加20%；四平衡塊曲軸方案合成階最大扭轉振幅為0.5deg，相對八平衡塊曲軸方案的0.49deg變化不大。兩種狀態曲軸單階及合成階振幅均滿足評價標準要求。

1.3 曲軸強度計算

曲軸強度計算采用多體動力學和有限元相結合的方法計算曲軸強度，多體動力學使用AVL EXCITE建模，模型如圖4所示。

惡性病變共有10例，主要分布在胸部與腹部，CT檢查顯示病灶區域密度不均勻，有點狀鈣化病灶存在，病變周圍組織出現受壓，增強掃描檢查顯示病灶區域有不均勻強化。MRI檢查顯示頸部為T1WI、T2WI高信號，增強掃描不存在強化。

通過動力學計算得到主軸頸和曲柄銷的載荷譜結果，結合ABAQUS有限元軟件獲取半拐模型的單位載荷結果，用Femfat軟件計算曲軸圓角最小疲勞安全系數。

曲軸強度計算結果為：

(1)四平衡塊曲軸主軸頸圓角最小疲勞安全系數為1.57，在第五個曲柄臂處；曲柄銷最小疲勞安全系數為1.32，在第四個曲柄臂處。

(2)八平衡塊曲軸主軸頸圓角最小疲勞安全系數為1.67，在第五個曲柄臂處；曲柄銷圓角最小疲勞安全系數為1.22，在第五個曲柄臂處。

四平衡塊曲軸相對于八平衡塊曲軸，主軸頸圓角最小疲勞安全系數降低5.98%，而曲柄銷圓角最小疲勞安全系數增加8.20%，均滿足評價標準。兩種狀態曲軸結構強度差異較小，不同部位各有優劣，可安排可靠性試驗進一步驗證。

1.4 主軸承EHD計算

從1981—2017年南豐柑橘發展來看，種植面積在20世紀80年代逐年增加，產量呈上升趨勢，平均單產為5 100 kg／hm2。受1991年凍害影響，全縣有2／3以上的樹凍死，后期屬恢復生產期，種植面積從1992年的1 358 hm2到2000年的12 102 hm2，增長了近10倍。2001—2010年，柑橘種植面積從12860hm2增至38 709 hm2。2011—2013年，種植面積持續增加，2013—2017年種植面積穩定在46 470 hm2，平均單產在 27 588 kg／hm2。

如前面所述，曲軸平衡塊配重方案改變，平衡率改變，四平衡塊曲軸平衡率相對八平衡塊曲軸明顯降低。而平衡率改變會影響主軸頸對軸瓦的載荷分布及大小，故需要評估不同平衡率狀態曲軸對主軸瓦EHD的影響。通過主軸承EHD計算，能夠有效預測軸承和軸徑的受載情況以及軸承內油膜潤滑情況。按同樣的邊界輸入，分別對兩種狀態曲軸進行主軸承EHD計算，結果對比如表2。

發動機扭振測試結果顯示，扭振主要階次為4階、6階、8階，測試結果如圖5。

2 臺架測試

通過仿真計算結果可見，四平衡塊方案曲軸扭振、結構強度、主軸承EHD計算均滿足設計評價要求，在該型號柴油機上應用理論上是可行的。下一步需要再通過試驗驗證兩種曲軸方案在該發動機上的扭振、整機振動和可靠性差異，進一步確認四平衡塊配置曲軸方案在該機型上應用的可行性。

2.1 扭振及振動測試

兩個曲軸方案的扭振及振動對比，通過控制相同的測試邊界，在同一臺發動機上，分別換裝四平衡塊和八平衡塊曲軸進行試驗。

通過實際生產的經驗證明，利用CORS技術進行地形圖測量相比常規的測量手段有很大的優越性，不僅節省了人工成本，測點密度也能符合成圖的需求，有效地提高了測圖的效率[2]。

2.1.1 發動機扭振測試

(1)發動機與臺架的連接采用橡膠軟墊，與測功機采用連接盤連接；

(2)將扭振工裝安裝在曲軸自由端，發動機全負荷運行，從最低穩定轉速(800r/min)程控在約120s內均勻加速到發動機標定點轉速停止，采集軸系扭振數據，反復多次，選擇最有代表的一組數據讀取扭振值。

生物炭對鹽漬化農田土壤的改良效果研究進展………………………………………………………………… 王 凡，屈忠義（68）

具體的試驗方法如下：

通過對兩個方案開展EHD分析發現：四平衡塊曲軸方案在最大扭矩點工況下，最大總壓、粗糙接觸壓力及摩擦功率損失比率這幾個指標是劣化的，劣化率較高；而在標定點和超速點工況下無明顯劣化，甚至有些指標是得到較大的改善。兩個方案曲軸的計算結果均在評價標準范圍內。四平衡塊曲軸相對八平衡塊曲軸，不同工況EHD計算對比有劣化、有改善，針對劣化的指標的影響，可通過可靠性試驗進行驗證。

由上圖可知，裝四平衡塊曲軸與八平衡塊曲軸相比，發動機主要階次(4階、6階、8階)扭振大小基本相當，扭振主要階次的最大值遠小于參考限值，均滿足評價要求。

從古代的挖泥法到今天水利疏浚工程，河道清淤疏浚技術已日漸成熟。如今在有關管理部門的努力下，我國加大了對清淤疏浚技術和人才的投入，水利疏浚也成為治理江河的關鍵 工程。造成河道淤積的原因有很多種, 像河道不穩定，植被覆蓋少，氣候干旱以及嚴重的水土流失等都會造成很多泥沙匯入河道。有些地區是因為土壤為細砂性風砂土,結構較松散，因此沙塵暴天氣多，沙塵落入堵塞河道。針對巨大清淤需求,采用機械清淤進行大面積地處理，是目前主要的方法。清淤疏浚恢復河道的抗洪和灌溉能力，促進水資源的健康持續發展和農業經濟的發展。

2.1.2 發動機轉速波動

同一臺發動機，分別裝兩種方案曲軸進行怠速、最大扭矩點轉速、標定點轉速測試，評估對比四平衡塊曲軸與八平衡塊曲軸對轉速波動的影響差異，結果如表3。由表3可知，裝四平衡塊曲軸的發動機與裝八平衡塊曲軸的發動機相比，轉速波動基本相當。

2.1.3 發動機整機振動測試

針對溫度上升，作物蒸騰加速、水分損失增多、干旱發生幾率加大的情況，采用先進的滴灌、噴灌、滲灌、微灌等技術，減少無效蒸散和滲漏，提高作物的水分利用效率。

在同一臺發動機上分別換裝四平衡塊曲軸和八平衡塊曲軸，臺架連接機腳及軟墊一致。布置左、右前支腳及右后支腳測點(左后支腳由于臺架空間原因無法布置，故后端只有右后支腳測點)。

曲軸扭振計算主要采用AVL-Designer軟件，其中曲軸剛度的計算使用Abaqus有限元軟件。

課題組在長三角地區的蘇州、無錫、杭州和上海四地的勞動力市場發放了3 400份調查問卷。利用“出生時的戶籍”（城市/農村）、“近30年來家中是否有過被征地的情況”（有過/未曾有過）這兩道題遴選出失地農民（這兩道題是參與上述開放式問題作答的前置條件），在剔除掉無效作答樣本之后，最終獲得有效樣本513份。這些樣本的被試，均具有出生時為“農村”戶籍、近30年來家中“有過”被征地情況的特征。鑒于這些被試都在勞動力市場中求職，可將其視作“失業或無業狀態”中的失地農民。被試的人口學特征如表1所示。

由圖6可知：

(1)發動機左前機腳主要振動中，裝四平衡塊曲軸和裝八平衡塊曲軸相比，上下、左右方向2階振動基本相當；前后方向2階振動略大。

(2)發動機右前機腳主要振動中，裝四平衡塊曲軸和裝八平衡塊曲軸相比，前后、上下方向2階振動基本相當；左右方向2階振動略小。

(3)發動機右后機腳主要振動中，裝四平衡塊曲軸和裝八平衡塊曲軸相比，上下方向2階振動基本相當；前后、左右方向2階振動略大。

由發動機整機振動對比結果可見，發動機裝四平衡塊曲軸相對裝八平衡塊曲軸，整機振動略大，但差異不明顯。

2.2 可靠性測試

裝四平衡塊曲軸方案和八平衡塊曲軸方案的發動機，分別開展500h三超(超速、超負荷、超爆壓)可靠性試驗及負荷循環可靠性試驗，試驗過程監控均無異常，試驗完成后拆檢，曲軸及相關部件均無異常，均通過可靠性考核。。

3 結論

綜述，通過對該輕型柴油發動機進行兩種曲軸平衡塊配置方案的仿真計算及臺架試驗對比表明：

(1)四平衡塊曲軸相對八平衡塊曲軸，無論是仿真計算，或是臺架試驗實測，發動機扭振主要階次最大振幅、合成階最大振幅相當；實測發動機轉速波動、整機振動相當；

(2) 四平衡塊曲軸相對八平衡塊曲軸，平衡率相對低；但曲軸結構強度、主軸承EHD計算結果評價指標各有優劣；均通過可靠性試驗考核。

因此，該輕型柴油發動機采用四平衡塊配置曲軸替代八平衡塊配置曲軸是可行的。該發動機通過采用簡化平衡塊配置曲軸方案實現了重量降低，達到輕量化的目的，同時降低發動機成本，提高了該機型的市場競爭力。

[1]畢玉華;申立中;雷基林;徐躍強，曲軸平衡塊配置對曲軸動力潤滑特性影響的仿真研究[J]，昆明理工大學學報(自然科學版)，2013-02-15.

[2]徐躍強;畢玉華;申立中;雷基林，發動機主軸承EHD分析研究，科學技術與工程[J]，2010-12-08.

[3]程勉宏;龔鵬;李播博，發動機扭轉振動試驗研究，汽車實用技術[J]，2020-09-30.