2100柴油机曲轴平衡性分析说明书.docx

### 2100柴油机曲轴平衡性分析相关知识点 #### 1. 绪论：内燃机平衡性的重要性 往复式内燃机在运行过程中，由于工作过程的周期性和机件运动的周期性，会产生周期性变化的旋转惯性力和往复惯性力。如果这些力不能在机内相互抵消，将导致支承力的不断变化，进而引发一系列问题： - **振动问题**：不平衡的内燃机会引起机器在支承上的振动，影响乘员的舒适性和驾驶的平顺性。 - **噪音问题**：振动可能导致噪声的产生。 - **能量损耗**：不平衡会消耗额外的能量，降低整体效率。 - **结构损坏**：可能引起紧固连接件的松动或过载，导致相关仪器和设备的异常损坏。 因此，确保内燃机具有良好的平衡性至关重要。内燃机的平衡性主要包括两个方面：惯性力系的平衡性和扭矩的均匀性。 #### 2. 2100T 柴油机曲轴平衡性的理论分析与计算 ##### 2.1 旋转惯性力的平衡分析 内燃机的旋转质量系统不仅要求静平衡，还要求动平衡。即要求系统旋转时，旋转惯性力的合力\(F_r = 0\)，且合力矩\(M_r = 0\)。以2100T柴油机为例，其曲轴两曲拐夹角为180°，理论上满足静平衡方程\(F_r = 0\)，但由于两曲拐相对于轴线中点非对称分布，存在不平衡的离心力矩\(M_r\)。 **计算公式**： \[ M_r = m_r\omega^2Ra \] - \(m_r\)：曲拐的旋转质量； - \(\omega\)：曲轴旋转的角速度； - \(R\)：曲柄半径； - \(a\)：两曲拐之间的距离。 ##### 2.2 往复惯性力的平衡分析 往复惯性力主要由活塞等往复直线运动部件产生。通过曲柄图可以直观地分析往复惯性力的平衡情况。 - **一级曲柄图**：如图2所示，两曲拐沿圆周均匀分布，因此一级往复惯性力是平衡的。但是，由于两曲拐相对于轴线中点非对称分布，存在一个不平衡的一级往复惯性力矩\(M_j1\)。 - **计算公式**：\(M_j1 = -m_j\omega^2Ra\cos\alpha\)。 - \(m_j\)：往复直线运动部分的质量； - \(\alpha\)：曲柄转角。 - **二级曲柄图**：如图3所示，两曲拐沿圆周非均匀分布，因此二级往复惯性力是不平衡的。 - **计算公式**：\(R_j2 = -2m_j\omega^2Ra\cos^2\alpha\)。 #### 3. 相关参数的确定和不平衡的惯性力及其力矩的理论曲线绘制 通过对2100T柴油机的分析计算，我们得知存在不平衡的离心力矩、一级往复惯性力矩以及二级往复惯性力及其力矩。为了平衡这些不平衡的力及其力矩，可以采取以下措施： - **离心力矩平衡**：通过在曲柄上布置平衡重来实现。本机型由于空间限制，采用完全平衡法，即在曲轴上布置四个平衡重。 - **往复惯性力及其力矩的平衡**：主要采用安装双轴平衡机构来实现。通过合理设计双轴平衡机构的位置和尺寸，可以有效减少或消除不平衡的惯性力及其力矩。 #### 4. 曲柄连杆机构多刚体动力学模型的建立 为了进一步分析2100T柴油机曲轴的平衡性，可以通过建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型来进行仿真分析。这包括： - **多刚体动力学方程**：建立曲轴、活塞和连杆等组件的动力学方程。 - **多刚体系统建模**：利用ProE等软件建立柴油机曲柄连杆机构的实体模型。 - **曲轴系统建模**：考虑曲轴的几何尺寸、材料属性等因素。 - **活塞系统建模**：考虑活塞的质量、形状等因素。 - **连杆系统建模**：考虑连杆的长度、质量分布等因素。 - **曲轴、活塞与连杆组件的装配**：确保各组件之间的正确连接。 #### 5. 基于Adams的曲柄连杆机构动力学仿真分析 利用Adams软件进行动力学仿真分析，可以得到整个系统协调运作下的运动规律和动力学特性参数。具体步骤包括： - **模型文件的导入**：将建立好的曲柄连杆机构模型导入Adams。 - **运动副的施加**：定义各部件间的运动约束关系。 - **运动仿真的初始条件**：设置初始位置、速度等条件。 - **运动仿真的结果与分析**：分析仿真结果，评估平衡措施的有效性。 #### 6. 2100T 柴油机平衡装置的设计 基于以上分析，可以设计具体的平衡装置来改善2100T柴油机的平衡性： - **平衡方案的比较**：包括平衡块平衡机构、单轴平衡机构、双轴平衡机构等不同方案的对比分析。 - **平衡机构的计算**：根据选定方案进行具体计算。 - **平衡机构的布置**：考虑空间限制、重量分布等因素，合理布置平衡机构。 - **平衡块的设计**：确定平衡块的形状、尺寸、位置等关键参数。 通过对2100T柴油机曲轴平衡性的理论分析与计算，结合多刚体动力学模型和Adams仿真分析，可以有效地识别并解决不平衡问题，提高柴油机的整体性能和使用寿命。