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淮 海 工 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系 (院): 東港學(xué)院機(jī)電工程系
專(zhuān)業(yè)班級(jí): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化021
姓 名: 寧 真
學(xué) 號(hào): 5102102112
(用外文寫(xiě))
外文出處: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Technical Review Vol.39 No.1(Feb.2002)
附 件: 1.外文資料翻譯譯文;2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ):
簽名: (親筆簽名)
年 月 日
注:請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。
基于三維Elasto水力潤(rùn)滑理論的曲軸設(shè)計(jì)
Takero Makino
Toshimitsu Koga
長(zhǎng)崎研究和發(fā)展中心,技術(shù)總部
通用機(jī)械和特種機(jī)車(chē)總部
高效率的要求造成了大量柴油機(jī)引擎曲軸的設(shè)計(jì)困難。當(dāng)軸承油膜厚度不到幾微米時(shí),由于軸承負(fù)荷而產(chǎn)生的變形量也僅為幾毫米。本論文詳細(xì)敘述了三維Elasto水力潤(rùn)滑理論理論在4沖程柴油機(jī)引擎的曲軸設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。這些理論包括曲軸的變形和曲軸間隙中油膜的產(chǎn)生原因。
⒈緒論
近一個(gè)時(shí)期以來(lái),內(nèi)燃機(jī)的出口量有所增加,但其比重卻在下降。這是因?yàn)?,軸承在惡劣的的環(huán)境下使用,大式軸承和主要的軸承連桿的機(jī)架變形在軸承的特征上產(chǎn)生重大影響。為解決這一問(wèn)題,三菱重工業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)MHI)為這些動(dòng)態(tài)軸承負(fù)荷開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用elasto-hydrodynamic lubrication(EHL)原理的軸承特性預(yù)報(bào)方法,并且使用這種方法來(lái)對(duì)MHI公司的大負(fù)載柴油機(jī)引擎進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)估。
圖1 坐標(biāo)系統(tǒng)
EHL技術(shù)分析軸承表面彈性形變導(dǎo)致的油膜壓力,假設(shè)軸承剛體機(jī)構(gòu),既考慮軸承局部表面變形的影響,同時(shí)又準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特征相對(duì)于傳統(tǒng)的分析
此外,在這些年里, 三菱重工引進(jìn)EHL技術(shù)分析研究由于油膜壓力而產(chǎn)生的軸承變形的油膜歷史記錄,同時(shí)追蹤軸承清除根據(jù)時(shí)間歷史記錄的油填充比例來(lái)改善評(píng)估的準(zhǔn)確性。
這份報(bào)告介紹了這一技術(shù)在大型連桿軸承上的應(yīng)用實(shí)例和對(duì)三菱重工的四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要影響。
⒉理論
2.1 基本公式
圖2顯示了這份論文中采用坐標(biāo)系統(tǒng)。
影響油膜壓力的參數(shù)可用方程(1)來(lái)表示。
(1)
當(dāng)方程(1)和下面的力平衡組合成一個(gè)相對(duì)于時(shí)間t的聯(lián)立方程組,這樣一來(lái)就可以得到軸中心局部和槽油膜厚度的信息。
(2)
(3)
由于開(kāi)始的幾何間隙,軸的偏心率和彈性形變,所以公式(4) 這樣來(lái)表示油膜厚度h。
(4)
其中:
:粘度壓力系數(shù)
:x軸的偏心率
:y軸的偏心率
:軸承半徑間隙
:X方向的離心率
:Y方向的離心率
h:油膜厚度
L:變形
N:引擎速度
:面積
p:油膜壓力
:油填充比例
:軸承圓周坐標(biāo)
t:時(shí)間
U:滑動(dòng)速度
:X方向負(fù)荷
:Y方向負(fù)荷
X:X軸方向坐標(biāo)
Y:Y軸方向坐標(biāo)
Z:Z軸方向坐標(biāo)
2.2 分析技術(shù)
2.2.1 考慮油膜歷史記錄曲線(xiàn)的EHL技術(shù)分析
我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于JONES提出的油膜歷史記錄曲線(xiàn)概念的EHL分析技術(shù),來(lái)考慮在軸承間隙中的油的運(yùn)動(dòng)。三菱重工的常規(guī)EHL技術(shù)分析,計(jì)算假設(shè)在整個(gè)軸承表面覆蓋潤(rùn)滑油的情況下的壓力分布,替代由于計(jì)算周?chē)鷫毫Λ@得的負(fù)壓力區(qū)域,并且把油膜斷裂邊界視為分界線(xiàn)。在以這個(gè)邊界為條件下,油膜斷裂區(qū)域的流動(dòng)連續(xù)性不能被滿(mǎn)足。另一方面,EHL分析技術(shù)研究隨著油填充比率和時(shí)間的推移而變化的油膜歷史記錄曲線(xiàn),則顯示流動(dòng)連續(xù)性滿(mǎn)足。
圖2 流量計(jì)算
至于受到波動(dòng)負(fù)荷的軸承,如發(fā)動(dòng)機(jī)軸承,在軸承上實(shí)際油膜壓力增長(zhǎng)受限制的區(qū)域,在下文中EHL分析可以得出比常規(guī)EHL分析更高的壓力結(jié)果。這是主要用于檢驗(yàn)三菱重工的大型船用柴油機(jī)引擎的實(shí)際尺寸的。EHL技術(shù)分析油膜壓力歷史記錄曲線(xiàn)是作為一個(gè)有益的分析工具來(lái)用于設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的。
2.2.2 計(jì)算方法
油膜壓力P和軸偏心率、的結(jié)果可以從聯(lián)立方程(1)到(4)中獲得。由于方程(1)和油膜壓力的非線(xiàn)性關(guān)系,我們用“牛頓-拉斐爾”方法來(lái)確定它們。我們用有限元方法(FEM)(Galerkin方法)進(jìn)行數(shù)字計(jì)算,four-point等參數(shù)原理被看做是原理內(nèi)容和線(xiàn)性方程系統(tǒng)的數(shù)字化解決方法。為了測(cè)定油膜斷裂邊界,我們改進(jìn)并使用了適用于油膜歷史記錄曲線(xiàn)的有限元運(yùn)算方法的Kumar技術(shù)。圖2顯示的是流量計(jì)算。
3.個(gè)案研究
3.1連桿頭軸承
例如S3l發(fā)動(dòng)機(jī)的大型連桿頭軸承,我們比較剛體分析和EHL技術(shù)分析、并且比較了EHL技術(shù)分析的油膜歷史記錄曲線(xiàn)和傳統(tǒng)的EHL技術(shù)分析。
(a)軸承負(fù)載 (b)連桿頭FEM模型
圖3 軸承工作狀況的計(jì)算
此外,我們測(cè)算了連桿頭軸承在軸承特性上對(duì)曲柄銷(xiāo)外形的影響。
表格1所示為軸承規(guī)格,圖3顯示了影響軸承和用于計(jì)算執(zhí)行3DFEM模型的負(fù)載向量。
表格1 S3l引擎大型連接頭軸承的尺寸參數(shù)
軸承直徑
軸承寬度
徑向間隙
桿長(zhǎng)
沖程
引擎速度
潤(rùn)滑油粘度
48mm
21mm
0.025mm
145mm
78.5mm
3600rpm
10cP
曲柄角度(deg)
(a)最大變化,油膜壓力的時(shí)間變化曲線(xiàn)
(b) 軸心軌跡
軸承的圓周坐標(biāo) (deg) 軸承的圓周坐標(biāo)(deg)
(c)軸承中心部分的油膜壓力(曲軸角度10度) (d)軸承中心部分的油膜壓力(曲軸角度10度)
圖4 大端軸承特性分析結(jié)果
當(dāng)考慮到彈性形變,則計(jì)算油膜壓力的減少量和油膜厚度的增加量。如果考慮到油膜歷史曲線(xiàn),則軸承上油膜壓力的實(shí)際受力面積的發(fā)展受限制,并且壓力最大值會(huì)變的更大。
3.1.1 技術(shù)分析對(duì)比
在圖4(a)里顯示了油膜壓力隨著時(shí)間改變而產(chǎn)生的最大變化量。幾乎在所有的時(shí)間點(diǎn),取決于剛體分析的油膜壓力高于由EHL分析獲得的數(shù)值。這顯然表明,比如說(shuō),相對(duì)于瞬時(shí)時(shí)間,曲軸角度大約在10度左右的地方負(fù)載相當(dāng)大。當(dāng)取決于剛體分析的油膜壓力是180(MPa)時(shí),取決于EHL分析的壓力是133(MPa)。圖4 (c)和(d)顯示的是曲柄角度在10度時(shí)軸承中心部分的油膜厚度分布狀態(tài)和油膜壓力分布狀態(tài)。由于考慮到彈性變形,由EHL技術(shù)分析得到的油膜厚度相比于由剛體分析得到的幾乎差不多大,并且在壓力區(qū)域幾乎一致。比起剛體分析,由EHL分析給出的壓力分布區(qū)域在圓周方向更寬,并且顯示出較低的油膜壓力最大值。顯然,從圖4(b)顯示的軸中心軌跡和EHL技術(shù)分析表明,軸中心是明顯偏離曲軸間隙的。
在圖4(a)中顯示了,在曲軸角度約250度時(shí),由EHL技術(shù)分析決定的油膜壓力最大值不同于由傳統(tǒng)EHL技術(shù)分析所決定的數(shù)值。當(dāng)軸向油膜斷裂面的一邊運(yùn)動(dòng)時(shí),曲柄角度調(diào)整符合從上部金屬到下部金屬負(fù)載的轉(zhuǎn)變。
圖4(e)顯示的是油膜壓力分布狀態(tài)和曲柄角度在250度時(shí)的油填充比例。從這個(gè)圖表上明顯看出,考慮油膜歷史曲線(xiàn)的分析顯示出,軸承正壓力區(qū)域的發(fā)展由于油量的缺乏而受限制,并且給出相比于傳統(tǒng)EHL分析所得到的更高的油膜壓力。
考慮油膜歷史的EHL分析
常規(guī)EHL分析
壓力分布
油比例
(e)壓力分布在考慮油膜歷史的EHL分析和不考慮油膜歷史分析的情況下的差異(在曲軸角度250度)
3.1.2 曲柄銷(xiāo)外形在軸承特性上的影響
①直線(xiàn)形
②桶形
③曲線(xiàn)形
圖5 曲柄銷(xiāo)外形的形式
曲線(xiàn)形
桶形
直線(xiàn)形
圖6 由于銷(xiāo)的幾何誤差引起的曲軸特性差異
我們?cè)u(píng)估曲柄銷(xiāo)外形在大型連桿頭軸承特性上的影響。圖5中顯示的是我們研究的三種曲柄銷(xiāo)外形,即(1)直線(xiàn)型,(2)桶形,(3)曲線(xiàn)形。圖6顯示的是油膜壓力最大值和油膜厚度最小值的分析結(jié)果。這表明,在直線(xiàn)外形的曲柄銷(xiāo)(1)顯示出更大的油膜厚度,并且適合于曲軸的操作條件。
3.2 主要影響
這一方法不僅可以適用于分析大型連桿頭軸承,而且也適用于大部分軸承和小型連桿頭軸承。下面是個(gè)一臺(tái)S6r引擎的4號(hào)主軸承的分析實(shí)例。表格2顯示了軸承的規(guī)格,圖7顯示了包括軸承負(fù)載和主要軸承的發(fā)動(dòng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)的FEM模型。
(a)曲軸負(fù)載
(b)發(fā)動(dòng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)的FEM模型
圖7 主要影響的計(jì)算情況
表格2 S6r引擎四號(hào)主軸承的尺寸參數(shù)
軸承直徑
軸承寬度
徑向間隙
引擎速度
潤(rùn)滑油粘度
油槽
140mm
53mm
0.07mm
1800rpm
10cp
水平向和側(cè)面,45℃,100毫米范圍
考慮油膜歷史的EHL分析
常規(guī)EHL分析
剛體分析
曲柄角度(deg)
(a)最大變化,油膜壓力的時(shí)間變化曲線(xiàn)
圖8(a)所示的油膜壓力最大值的時(shí)間變化歷史記錄曲線(xiàn),顯示了剛體分析評(píng)估的壓力值高于EHL分析的結(jié)果。圖8(b) 明顯顯示了曲柄角度在245度時(shí)的壓力分布狀態(tài),考慮了油膜歷史記錄曲線(xiàn)的EHL分析認(rèn)為,軸承上由于潤(rùn)滑油的不足而導(dǎo)致油膜壓力發(fā)展受限制,并且得出比常規(guī)EHL分析結(jié)果更高的油膜壓力數(shù)值。因此,有人認(rèn)為,主要軸承的分析顯示了和大型連桿頭軸承分析相類(lèi)似的趨勢(shì)。
考慮油膜歷史的EHL分析
常規(guī)EHL分析
壓力分布
油比例
(b)壓力分布在考慮油膜歷史的EHL分析和不考慮油膜歷史記錄分析的情況下的差異(曲軸角度270度)
圖8 軸承主要特性分析的計(jì)算結(jié)果
4.結(jié)論
EHL分析和研究油膜歷史記錄曲線(xiàn)的EHL分析是做為一種能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)可靠性的先進(jìn)技術(shù)來(lái)提出的。
為了給輕型高功率引擎的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)軸承,我們必須用上述評(píng)估技術(shù)來(lái)保證高度的可靠性,并且提高三維CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)化技術(shù)連接的便利性。這項(xiàng)開(kāi)發(fā)的部分是與Truck&Bus Research、開(kāi)發(fā)中心和三菱汽車(chē)公司合作的。
×××××××××正文×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。(要求不少于1萬(wàn)印刷符)
*注:(本注釋不是外文翻譯的部分,只是本式樣的說(shuō)明解釋?zhuān)?
1. 譯文文章標(biāo)題為三號(hào)黑體居中,縮放、間距、位置標(biāo)準(zhǔn),無(wú)首行縮進(jìn),無(wú)左右縮進(jìn),且前空(四號(hào))2行,段前、段后各0.5行間距,行間距為1.25倍多倍行距;
2. 正文中標(biāo)題為小四號(hào),中文用黑體,英文用Times New Roman體,縮放、間距、位置標(biāo)準(zhǔn),無(wú)左右縮進(jìn),首行縮進(jìn)2字符(兩個(gè)漢字),無(wú)懸掛式縮進(jìn),段前、段后間距0.5倍行,行間距為1.25倍多倍行距;
3. 正文在文章標(biāo)題下空一行,在正文標(biāo)題下另起段不空行,為小四號(hào),中文用宋體,英文用Times New Roman體,縮放、間距、位置標(biāo)準(zhǔn),無(wú)左右縮進(jìn),首行縮進(jìn)2字符(兩個(gè)漢字),無(wú)懸掛式縮進(jìn),段前、段后間距無(wú),行間距為1.25倍多倍行距;
4. 強(qiáng)行分頁(yè)時(shí)請(qǐng)用插入分頁(yè)符換頁(yè);
5. 正文中表格與插圖的字體一律用5號(hào)楷體;
6. 頁(yè)眉、頁(yè)腳用為五號(hào)居中,中文用楷體,英文用Times New Roman體,縮放、間距、位置標(biāo)準(zhǔn),無(wú)左右縮進(jìn),無(wú)首行縮進(jìn)(兩個(gè)漢字)。
外文原文(復(fù)印件)