英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
低速船用柴油机十字头滑块导向系统和活塞裙衬系统的新型耦合三体模型
A New Coupling Tribodynamic Model of Crosshead Slipper-Guide System and Piston Skirt-Liner System of Low-Speed Marine Diesel Engines
摘 要
本文考虑到十字头滑靴导向系统与活塞裙衬系统的耦合效应，建立了低速二冲程船用柴油机的三体模型。 首先，提出了包括十字头滑块，活塞，活塞杆和十字头销的动态模型。 然后，考虑到动态模型与润滑模型之间的规律耦合，利用改进的扩展反向差分公式（MEBDF）求解刚体和非线性三体模型。 最后分析了十字头滑块和活塞裙的三体性能。 仿真结果表明，十字头滑块承受推力，摩擦功耗明显大于活塞裙。
关键词：三体模型；十字头拖鞋；活塞裙；混合润滑
1介绍
低速船用柴油机是2000吨以上船舶的主要动力设备。它们通常是二冲程类型，带有十字头滑块导轨系统，并且运行速度低于300 rpm。日益增长的燃油经济性需求和低速船用柴油发动机排放控制的严格化使得降低发动机摩擦的技术吸引了制造商的关注。十字头滑靴系统和活塞裙衬系统是低速船用柴油机的两个重要的耦合摩擦副，尤其是十字头滑靴系统。它承受着较大的推力，其摩擦损失占总功率损失的很大一部分。同时，十字头滑块和活塞的动态特性也对发动机的噪声，振动和稳定性有很大的影响。因此，深入研究十字头滑块导轨系统和活塞裙衬系统的三体特性是提高发动机性能的必要条件。
十字头滑块导轨系统和活塞裙衬系统都受纵向往复运动和横向运动（也称为二次运动）的影响。近几十年来，活塞裙衬系统的数值模拟研究主要集中在没有十字头滑靴导向系统的高速或中速发动机上。 Li等人[1]首先提出了一种将活塞的动力学模型与1983年的活塞裙衬系统的润滑模型联系起来的方法。 [2]和刘等人 [3]使用Patir和Cheng [4]提出的平均流模型来考虑表面粗糙度的影响。进入新世纪后，学者们对活塞裙裙系统进行了更为详细的研究。 Meng等人 [5]考虑到油膜惯性的影响，分析了活塞裙部的热弹性流体动力润滑。 Mcfadden等人[6]在完全淹没润滑和无润滑条件下研究了活塞 - 衬管系统。卡西姆等人[7]考虑非牛顿引擎润滑剂的粘弹性效应，分析了活塞的动态和摩擦学特性。此外，还研究了活塞设计参数和因素对活塞裙套系统的润滑性能和动态特性的影响，如活塞轮廓，间隙，表面粗糙度，弹性变形，热变形和缸套振动[8 -15。[1] Meng等人。 [16]考虑到连杆惯性的影响，建立了更精确的活塞裙衬系统的三体模型。随后，Meng等人[17]通过耦合活塞裙衬系统的润滑模型和活塞，连杆，曲轴和飞轮的动态模型，提出了活塞裙边衬套系统的瞬态三体模型。 Livanos等人。 [18]建立了中速船用柴油机活塞组件的综合摩擦模型，该模型可用于预测单个活塞组件的摩擦。另外，活塞裙衬系统中的活塞打击现象也引起了很多学者的关注。 Dolatabadi [19,20]研究了确定活塞拍击事件并计算活塞拍击声的方法。他等人。 [21]介绍了活塞结构参数对拍打噪音的影响。郑等人。 [22]研究了中速船用柴油机的活塞拍击。结果表明，所述活塞撞击会导致更大的振动船体，水下辐射噪声。
然而，对于具有十字头滑动导向系统的低速船用柴油机，尚未发现任何已发表的文献来研究十字头滑动导向系统和活塞裙衬系统的耦合性能。大多数研究集中在发动机的活塞环，十字头轴承，主轴承和其他摩擦部件上。Abanteriba等人 [23-25]研究了单作用十字头滑块的润滑条件和摩擦损失，忽略了活塞组件和十字头组件之间的耦合三体效应。Wolff等人 [26]提出了考虑到油流量，气体流量，活塞环扭转和活塞环轴向运动的低速船用柴油机活塞环衬套系统的综合模型。Mohamad等人 [27,28]数值分析了气缸套表面结构对活塞环润滑特性的影响。Guo等人 [29]进行了一系列实验来研究衬垫表面纹理特征对气缸套 - 活塞环系统摩擦学性能的影响。考虑到轴承壳变形的影响，研究了低速船用柴油机中十字头轴承和主轴承的润滑条件[30,31]。Hassan等人。 [32]提出了一种船用柴油机的模拟器模型，可以用来预测润滑系统的性能。 Olander等人[33]进行了磨损试验以发现新的活塞环材料，并提出了低速船用柴油机磨损过程的假设。随着船用柴油机的热负荷不断增加，关键摩擦副的温度状况引起了一些学者的关注。考虑到活塞和船用柴油机中的润滑油膜的二次运动，Lu等人[34]对活塞进行热数值分析。 Stolarski et al。 [35]通过5次加热试验的方法提出了用过的润滑油的温度 - 摩擦特性。此外，低速船用柴油机的摩擦学特性检测技术也在迅速发展，尤其是近年来的声发射（AE）技术。使用AE技术，Nagata et al。 [36]研究了轴承材料的摩擦学性能。道格拉斯等人。 [37]将AE技术应用于活塞环 - 衬套系统的摩擦学行为研究，指出AE技术有可能为最佳的输油率提供参考。
由于十字头滑块和活塞组件连接在一起，因此本文将建立一个连接十字头滑块导向系统和活塞裙套筒系统的三体模型。 在作者的知识范围内，这种模式将首次出现。 基于三体模型，分析了这两种摩擦副的动力学行为，油膜润滑特性和摩擦力。 本研究将为提高低速船用柴油机的性能奠定理论基础。
2理论模型
为了更好地理解本研究中提出的三体模型，典型的低速船用柴油机的活塞组件 - 十字头组件 - 连杆曲轴如图1所示。
十字头组件主要包括十字头滑块，十字头销和十字头轴承。 十字头滑块沿着导轨滑动并与导轨形成重要的摩擦副，这将在本研究中详细讨论。 十字头轴承主要由连杆小头，十字头轴承盖和衬套组成。 十字头组件通过十字头销与活塞组件连接。 一方面，十字头销和十字头滑块形成铰接对。 另一方面，十字头销通过螺栓与活塞杆刚性连接。 而且，活塞杆通过螺栓与活塞刚性连接。 在这项研究中，活塞和气缸套构成另一个重要的摩擦副。
如图1所示，除了它们的线性往复运动之外，十字头滑块和活塞存在可以在横向上具有伴随着摆动的微小位移。 et和eb分别表示十字头拖鞋顶部和底部的二次运动位移。忽略十字头销和十字头滑块之间的间隙，十字头滑块和活塞杆活塞杆十字头销系统在十字头销的中心处具有相同的横向位移。这种位移被描述为ecp，如图1所示，并且是耦合这两个系统的重要关键。但是活塞组件的摆动角度可能与十字头滑块的摆动角度不同，因为十字头滑块可以相对于十字头销钉转动。因此，如图1所示，十字头滑块和活塞组件的摆动角分别表示为gamma;c和gamma;p。活塞裙的二次位移可以由表示顶部和底部的位移的etp和ebp分别表示。二次运动位移的起点位于导轨的垂直中心线上。对于纵向位移，当十字头滑块位于上止点时，原点位于穿过十字头滑块的质心（COM）的水平线上。十字头滑块和活塞的运动将对十字头滑块导向系统和活塞裙衬系统的摩擦学特性产生很大影响。
本文将首先研究十字头组件和活塞组件的耦合三体模型。 然后分析十字头滑块导轨系统和活塞裙衬系统的动态特性和润滑特性。
2.1十字头滑块的动力学方程
作用在单个十字头滑块上的力和力矩如图2所示。根据力平衡和力矩平衡的原理，可以得到下面的等式：
（1）
(2)
(3)
其中Fc是作用在单个十字头滑块上的总法向力，Mc是围绕十字头销中心的Fc的力矩。 Fcf是作用在单个滑块上的总摩擦力，Mcf是围绕十字头销中心的Fcf的时刻，Gc是十字头滑块的重力。 Fx和Fy分别表示十字头滑块上十字头销在X，Y方向上的力。 往复惯性力Fic1，横向惯性力Fic2和惯性矩Mic可以表示如下：
(4)
(5)
(6)
其中mc和Ic分别表示十字头滑块的质量和转动惯量。
十字头滑块往复运动的位移，速度和加速度可以表示如下：
(7)
(8)
(9)
其中B1 =Rcsdot;sinphi;，phi;是曲轴转角，Rc是曲轴回转半径，L4是连杆的长度，omega;是发动机的角速度。 上死点位于0 CA，下死点位于180 CA. 活塞组件的往复运动的速度，加速度可视为与十字头滑块和十字头销之间的间隙被忽略时的十字头滑块的相同。
2.2活塞杆 - 十字头销系统的动力学方程
如上所述，活塞，活塞杆和十字头销通过用于低速船用柴油机的螺栓刚性连接。 为了便于计算质量中心和转动惯量，在进行系统的动态分析时引入释放螺栓的约束并在接头处增加相应的力和力矩的。 重要的是要注意力矩平衡方程是围绕十字头销的中心。
2.2.1 活塞的动力学方程
从图3可以看出，基于力平衡和力矩平衡的原理，可以得到下面的等式：
(10)
(11)
（12）
其中Fp是作用在活塞裙上的总法向力，Mp是围绕十字头销中心的Fp的力矩。 Fpf是作用在活塞裙上的总摩擦力，Mpf是围绕十字头销中心的Fpf的力矩，Gp是活塞的重力。 Fx1，Fy1和M1是释放螺栓约束后在活塞和活塞杆之间的接合处增加的力和力矩。 往复惯性力Fip1，横向惯性力Fip2和惯性矩Mip可以如下获得：
（13）
（14）
（15）
其中mp是活塞的质量，Ip是活塞的旋转惯性，L是活塞杆的长度，Rpin是十字头销的半径。
2.2.2活塞杆的动力学方程
如所见图4根据力平衡和力矩平衡的原理，可以得到下面的等式：
（16）
(17)
(18)
其中Grod是活塞杆的重力，Fx2，Fy2和M2是力以及释放螺栓约束后在活塞杆和十字头销之间的接合处添加的力矩。 相关的惯性力和力矩可以表示如下：
（19）
（20）
（21）
其中m竿是活塞杆的质量，I竿是活塞杆的转动惯量。
2.2.3十字头销的动力学方程
十字头销与活塞杆，十字头滑块和连杆相关。 图2给出了十字头滑块在某一时刻作用于单一的力。所以作用在十字头销上的力和力矩可以相应地表示在图5中。
根据力平衡原则，可以得到以下等式：
(22)
(23)
（24）
Fl是连杆的反作用力，Gcp是作用力十字头销的重力。 theta;是连杆角度，可以表示如下：
（25）
由于十字头销与两个十字头滑块相关，2Fx 、2Fy分别是两个十字头拖鞋在X和Y方向上的力。 十字头销的惯性力和力矩可以表示如下：
（26）
（27）
（28）
其中mcp是十字头销的质量，Icp是十字头销转动惯量。
从上述九个等式（10） - （12），（16） - （18），（22） - （24），得到以下三个方程：
（29）
(30)
(31)
其中
（32）
（33）
（34）
全文共21124字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[15532]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
