内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算.docx
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内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算
《内燃机学》课程设计
设计计算说明书
题目
6200柴油机曲轴设计
学院
专业
班级
姓名
学号
指导教师
年
月
日
1动力计算
1.1初始条件
母型机参数:
四冲程六缸、废气涡轮增压、不可逆式、直接喷射、压缩空气启动。
D=200mmS=270mm
n=600r/minNe=440kW
增压压力Pk=0.241Ma,压缩比ε=12.5,机械效率ηm=0.85,压缩复热指数n1=1.37,膨胀复热指数n2=1.26,Z点利用系数ξz=0.88,燃烧过量空气系数α=2.0,中冷器出水温度t=250,原机配气定时:
进气门开——上死点前60度
进气门关——下死点后40度
排气门开——下死点前40度
排气门关——上死点后60度
行程失效系数可取约0.083。
连杆长L=540mm,质量为34.76kg,活塞组质量m=35.76kg,连杆组质量分配比0.347/0.653,单位曲柄不平衡质量m=48.67kg。
1.2曲柄连杆机构运动质量的确定
将摆动的连杆用双质量系代替,一部分质量等价到做往复运动的活塞组中,另一部质量等价到做回转运动的曲柄组中,从而可以求出往复质量
和连杆组算到大端的质量
。
由于连杆尺寸并未确定,先按照母型机的连杆质量分配比。
上式中,M表示活塞组质量,0.347/0.653为连杆组质量分配比,
为连杆质量,质量单位都用kg。
1.3P-φ示功图的求取
将所给的P-V示功图,用发动机运动学公式将其展开,即得P-φ示功图。
将活塞的位移转换成对应的曲柄转角,以α代表曲柄转角,取145个点,对应0度到720度每隔5度取一次,由此可得各曲柄转角α下的气体力值Pg(α),单位为MPa。
用matlab画成曲线见图1,其matlab程序参见附录。
图中实线表示的是气缸压力Pg与曲柄转角a的关系。
图1P,Pg,Pj与曲柄转角a的关系
1.4往复惯性力Pj(α)计算
(MPa)
(1)
往复惯性力按照公式1计算,图1中虚线即为往复惯性力与曲柄转角a的关系。
式中:
mj—往复运动质量,kg;
R—曲柄半径,mm;
D—气缸直径,mm;
ω—曲轴旋转角速度,rad/s;
β—连杆摆角,rad。
1.5总作用力P(α)计算
(MPa)
(2)
总作用力P(a)按照公式2计算,式中PB表示活塞底部气体压力,取大气压力,即PB=0.1Mpa。
图1中点划线表示总作用力与曲柄转角之间的关系。
通过三者的比较可以看出气缸压力对总作用力影响较大。
1.6活塞侧推力PH(α)计算
(MPa)(3)
活塞侧推力
按照公式3进行计算,式中
表示连杆摆角。
连杆摆角与曲柄转角纯在下列关系:
,活塞侧推力与曲柄转角的关系见图2。
图2活塞侧推力与曲柄转角的关系
1.7连杆力PC(α)计算
(MPa)(4)
连杆力
按照公式4进行计算,连杆力
与曲柄转角的关系见图3。
图3连杆力与曲柄转角的关系
1.8法向力PN(α)计算
(MPa)(5)
法向力
按照公式5计算,法向力
与曲柄转角的关系见图4。
图4法向力与曲柄转角的关系
1.9切向力PT(α)计算
(MPa)(6)
切向力
按照公式6计算,切向力
与曲柄转角的关系见图5。
图5曲柄转角与切向力的关系
1.10总切向力
计算
(MPa)(7)
对于四冲程曲柄均匀排列情况的总切力按照公式6计算。
气缸之间的间隔角为120deg,总切力与曲柄转角的关系见图6。
图6总切力与曲柄转角之间的关系
1.11曲柄销负荷RB(α)计算
(MPa)(8)
曲柄销合力按照公式8计算,
式中:
—曲柄销负荷水平分量,
(MPa);
—曲柄销负荷垂直分量
(MPa);
—连杆组算到大端的质量,kg。
曲柄销合力
与曲柄转角的关系见图7。
图7曲柄销负荷与曲柄转角的关系
1.12准确性校核
(KW)(9)
按照总切力曲线作准确性校核,根据总切曲线计算出平均切力,再按公式9进行计算,式中
表示活塞面积,单位是
;
表示平均切力,单位是Mpa。
再将指示功率与给定功率进行比较,计算出误差。
=501.2382kw
=-3.27%
计算出来的误差在5%以内,符合要求。
2曲轴设计计算
2.1曲轴各部尺寸比例
曲轴参数
单位:
mm
缸心距L0(四冲程)
320
曲柄销直径dP
150
曲柄销空心孔径dpo
64
曲柄销有效长度Lcp
94
主轴颈直径dj
160
主轴颈空心孔径djo
64
主轴颈有效长度Lcj
90
曲臂厚h
68
曲臂宽b
310
过渡圆角半径r
10
在初步定出曲轴的尺寸后,应立即作曲柄销和主轴颈最大比压验算:
曲轴销
主轴颈
式中:
Pz—最大燃烧压力,Mpa;
D—气径直径,mm;
dp,dj—曲柄销及主曲颈直径,mm;
LP,Lj—曲柄销及主轴颈有效长度,mm(考虑了过渡圆角的影响);
q—考虑相邻缸的影响系数。
四冲程q≤1.25;二冲程q≤1.50,式中q=1.2。
2.2曲轴船规验算
我国船舶检验局“钢质海船入级与建造规范(2006)”对船舶柴油机曲轴有如下规定:
对整锻、铸造、半组合或全组合曲轴的主轴颈及曲柄销,其最小直径d如下计算。
曲轴材料选用铸钢。
对锻钢、铸钢、合金钢材料的曲轴:
式中:
D—气缸直径,D=200mm;
S—活塞行程,S=270mm;
L—相邻两主轴承中心线间的距离,L=320mm;
LP—曲柄销的有效长度,LP=90mm;
Pz—最高燃烧压力,Pz=12.5MPa;
Pi—平均指示压力,
Ni—由总切力得到的指示功率,Ni=501.2382kW;
Vs—每缸的工作容积,
;
n—柴油机转速,n=600r/min;
i—气缸数,i=6;
σb—材料标定抗拉强度下限值,σb=500MPa;
A—系数,对直列式单作用柴油机,A=0.50;
C—系数,对直列式单作用四冲程柴油机,C=2.553;
αB—弯曲应力集中系数,对于原机型的曲轴,αB=3..39;
rp—过渡圆角半径,rp=10mm;
dp—曲柄销直径,dp=130mm;
b—曲臂宽,b=200mm;
e—轴颈的重叠量,e=(dp+dj)/2-S/2=0;
αr—扭转应力集中系数,
=1.69;
由计算结果可知,d=149.2mm<150mm,故设计的曲轴可用。
附录Matlab计算程序
>>%内燃机课程设计动力计算%
a1=0:
5:
720;%曲柄转角%
Pg1=[3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3.05,3.1,3.15,3.2,3.25,3.3,3.35,3.35,3.4,3.45,3.45,3.5,3.75,4,4.25,4.5,4.75,5,5.5,6.5,7,8,9,10.5,13,15,18,21.5,26,32,40,49,59,65,80,105,119,124,125,115,101,87.5,72.5,60,50,43,36.5,32,28,25,22,19.5,18,16.5,15.5,14,13,12.5,12,11,10.5,10.25,10,9.75,9.5,9,8.5,8,7.75,7,6.5,6,5.5,5,4,3.5,3,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,3];%气缸压力,kg/cm^2%
a=0:
1:
720;
Pg=interp1(a1,Pg1,a,'spline');
>>Pg=Pg/10.197;%气缸压力单位转化,Mpa%
Ne=440;%单位是kw%
mj=35.76+0.347*34.76;%活塞组等效质量,kg%
mb=0.653*34.76;%连杆组算到大端的质量,kg%
D=200;%活塞直径,mm%
L=540;%连杆长度,mm%
R=135;%曲柄半径,mm%
z=6;%气缸数;
x=R/L;%曲柄连杆比%
B=asin(x*sin(a*pi/180));%连杆摆角%
w=600*pi/30;%转速,rad/s%
Pj=-mj*R*w^2*(cos(a*pi/180)+x*cos(a*pi/90))/(pi*D^2/4*10^3);%往复惯性力,Mpa%
Pb=0.1;%活塞底部气体压力,取为大气压力,Mpa%
P=Pj-Pb+Pg;%总作用力,Mpa%
figure
(1);%打开新图版;
plot(a,Pg,a,Pj,'--',a,P,'-.');%蓝色的为气缸压力与曲轴转角的关系,黄色为往复惯性力与曲柄转角的关系,红色为总作用力与曲柄转角的关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('(P,Pg,Pj)/Mpa');%加纵坐标%
legend('Pg','Pj','P')
gridon;%添加网格%
Ph=P.*tan(B);%活塞侧推力,单位是Mpa%
Pc=P./cos(B);%连杆力,单位是Mpa%
Pn=Pc.*cos(a*pi/180+B);%法向力,单位是Mpa%
Pt=Pc.*sin(a*pi/180+B);%切向力,单位是Mpa%
SumPt=Pt;%为总切力,单位是Mpa;%
fori=1:
721
forj=1:
5
m=i+720*j/z;
ifm>721
m=m-720;
end
SumPt(i)=SumPt(i)+Pt(m);
end
end
avePt=mean(SumPt);%平均切向力,单位是Mpa%
Rbh=Pt;%曲柄销负荷水平分量,单位是Mpa%
Prb=mb*R*w^2/(pi*D^2/4*10^3);
Rbv=Pn-Prb;%曲柄销负荷垂直分量,单位是Mpa%
Rb=(Rbh.*Rbh+Rbv.*Rbv).^0.5;%曲柄销总负荷%
figure
(2);%打开新图版%
plot(a,Ph);%画侧推力与曲柄转角的关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('侧推力Ph/Mpa');%加纵坐标%
gridon;%添加网格%
figure(3);%打开新图版%
plot(a,Pc);%画连杆力与曲柄转角的关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('连杆力Pc/Mpa');%加纵坐标%
gridon;%添加网格%
figure(4);%打开新图版%
plot(a,Pn);%画法向力与曲柄转角的关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('法向力Pn/Mpa');%加纵坐标%
gridon;%添加网格%
figure(5);%打开新图版%
plot(a,Pt);%画切向力与曲柄转角的关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('切向力Pt/Mpa');%加纵坐标%
gridon;%添加网格%
figure(6);%打开新图版%
A=0:
1:
720;
plot(A,SumPt);%画总切向力与曲柄转角的关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('总切向力SumPt/Mpa');%加纵坐标%
gridon;%添加网格%
figure(7);%打开新图版%
plot(a,Rb);%画曲柄销负荷与曲柄转角的关系%
xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%
ylabel('曲柄销负荷Rb/Mpa');%加纵坐标%
gridon;%添加网格%
Ni=avePt*pi*D^2*R*w/(4*10^6)%由总切力计算指示功率%
d=(Ni-Ne/0.85)/Ni%计算误差%