本發(fā)明涉及柴油機(jī)領(lǐng)域，特別是涉及一種柴油機(jī)軸系扭振計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

關(guān)于柴油機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究由來(lái)已久，從20世紀(jì)初扭振故障頻發(fā)而引發(fā)學(xué)界的關(guān)注開(kāi)始，已有百余年的研究歷程。現(xiàn)今柴油機(jī)軸系扭振的研究日趨成熟，其相關(guān)的計(jì)算方法已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。隨著柴油機(jī)的大功率化、整套動(dòng)力裝置系統(tǒng)的復(fù)雜化，實(shí)際工程中出現(xiàn)了眾多偏振、耦合振蕩、滾振等軸系問(wèn)題。常規(guī)計(jì)算方法已不能滿(mǎn)足實(shí)際使用要求，也不能很好的解釋諸類(lèi)現(xiàn)象。

對(duì)于柴油機(jī)凸輪軸系等附屬機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果頗豐。典型文獻(xiàn)(柴油機(jī)用高壓噴油泵負(fù)載扭矩的計(jì)算)，研究了噴油泵瞬態(tài)負(fù)載扭矩的特性，并對(duì)噴油泵負(fù)載力矩進(jìn)行推導(dǎo)；典型文獻(xiàn)(發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪軸負(fù)載扭矩計(jì)算及振動(dòng)研究)，提出一種計(jì)算配氣凸輪軸負(fù)載扭矩的理論方法，推導(dǎo)出配氣凸輪軸負(fù)載扭矩的理論計(jì)算公式。但這些研究只關(guān)注于附屬機(jī)構(gòu)本身，忽略了其與曲軸的耦合關(guān)系。附屬機(jī)構(gòu)與曲軸軸系的耦合關(guān)系未獲得足夠重視。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)今柴油機(jī)軸系扭振計(jì)算方法的不足，本發(fā)明目的在于提供一種更精確的軸系扭振計(jì)算方法，在常規(guī)計(jì)算方法基礎(chǔ)上，考慮凸輪軸系與曲軸軸系之間的耦合作用。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)包含如下步驟：

步驟一：根據(jù)廠家提供的柴油機(jī)軸系扭振計(jì)算參數(shù)，采用集中參數(shù)法計(jì)算慣量矩陣、剛度矩陣與阻尼矩陣。

步驟二：計(jì)算曲軸軸系的扭振激勵(lì)。

步驟三：根據(jù)力矩平衡原理得到凸輪軸的負(fù)載扭矩。

步驟四：使用newmark-β算法求解強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)。

步驟五：使用最小二乘法消除響應(yīng)計(jì)算中的趨勢(shì)項(xiàng)，得到響應(yīng)計(jì)算的真實(shí)值。

本發(fā)明還可以包括：

1.所述步驟二中曲軸軸系的扭振激勵(lì)的計(jì)算表達(dá)式為

m＝mt+mi

式中，mt為柴油機(jī)氣缸內(nèi)因氣體壓力變化所產(chǎn)生的氣體激振力矩，其表達(dá)式為

式中，p作用在活塞上的氣缸壓力；α曲柄與中心線(xiàn)的夾角；β連桿的擺角；r曲柄半徑；

mi為運(yùn)動(dòng)部件因受往復(fù)慣性力所引起的慣性激振力矩，其表達(dá)式為

式中，m活塞質(zhì)量；a活塞加速度。

2.所述步驟三中凸輪軸軸系的負(fù)載扭矩包括配氣凸輪軸的負(fù)載扭矩與噴油凸輪軸的負(fù)載扭矩，其表達(dá)式為

t＝tt+tp

式中，tt為配氣凸輪軸的負(fù)載扭矩，其表達(dá)式為

式中，i搖臂長(zhǎng)度比；p氣缸壓力值；dk氣閥圓盤(pán)直徑；k氣閥彈簧剛度；h0氣閥彈簧的預(yù)壓縮量；h氣閥升程；at凸輪行線(xiàn)的加速度；mt1頂桿質(zhì)量；mt2挺柱質(zhì)量；mv氣閥質(zhì)量；ms氣閥彈簧質(zhì)量；ir搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；lt搖臂靠近頂桿段的長(zhǎng)度；θ凸輪轉(zhuǎn)角。

其中，tp為噴油凸輪軸的負(fù)載扭矩，其表達(dá)式為

式中，p泵端燃油壓力，考慮為沖擊負(fù)荷，用2p計(jì)算；dp柱塞的直徑；m1柱塞質(zhì)量；w凸輪的轉(zhuǎn)速；h凸輪升程；k柱塞彈簧剛度；h0彈簧預(yù)壓縮量。

3.所述步驟四中使用newmark-β算法求解強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算公式如下

式中，為等效剛度矩陣，為等效外力矩陣，{u}為位移。

4.所述步驟五中使用最小二乘法消除響應(yīng)計(jì)算中的趨勢(shì)項(xiàng)，計(jì)算公式如下

式中，xk為實(shí)際測(cè)試信號(hào)，為m階次擬合多項(xiàng)式，n為數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)，aj(j＝0,1,…,m)為多項(xiàng)式系數(shù)；

消除趨勢(shì)項(xiàng)的過(guò)程：通過(guò)調(diào)節(jié)系數(shù)aj的值，使相對(duì)xk的誤差平方和最小。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1.充分考慮了凸輪軸系與曲軸軸系之間的耦合關(guān)系，響應(yīng)計(jì)算更為精確；

2.擴(kuò)大了軸系扭振計(jì)算方法的適用范圍，可以滿(mǎn)足大功率柴油機(jī)的軸系扭振計(jì)算要求。

附圖說(shuō)明

圖1為包含曲軸軸系及其附屬機(jī)構(gòu)的柴油機(jī)軸系當(dāng)量模型圖。

圖2為柴電機(jī)組扭振測(cè)試布置示意圖。

圖3為根據(jù)本發(fā)明提出的扭振計(jì)算方法計(jì)算的配氣齒輪扭角與測(cè)試值作快速傅里葉變換后進(jìn)行對(duì)比。

圖4為按照常規(guī)方法計(jì)算的配氣齒輪扭角與測(cè)試值作快速傅里葉變換后進(jìn)行對(duì)比。

圖5為本發(fā)明方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

一臺(tái)船用柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組主要由man5l21/31型柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、公共基座組成，額定轉(zhuǎn)速900r/min，額定功率1000kw。

對(duì)曲軸軸系與凸輪軸軸系進(jìn)行當(dāng)量簡(jiǎn)化，凸輪軸軸系包括配氣凸輪軸與噴油凸輪軸。根據(jù)廠家提供的柴油機(jī)軸系扭振計(jì)算參數(shù)，采用集中參數(shù)法計(jì)算慣量矩陣、剛度矩陣與阻尼矩陣。

對(duì)曲軸軸系、凸輪軸軸系的當(dāng)量模型進(jìn)行整合，建立包含曲軸軸系及其附屬機(jī)構(gòu)的柴油機(jī)軸系當(dāng)量模型，見(jiàn)圖1。

柴油機(jī)氣缸內(nèi)因氣體壓力變化所產(chǎn)生的氣體激振力矩為：

式中，p作用在活塞上的氣缸壓力；α曲柄與中心線(xiàn)的夾角；β連桿的擺角；r曲柄半徑。

活塞、連桿等運(yùn)動(dòng)部件因受往復(fù)慣性力所引起的慣性激振力矩為：

式中，m活塞質(zhì)量；a活塞加速度。

曲軸軸系的扭振激勵(lì)m為

m＝mt+mi

凸輪軸軸系的負(fù)載扭矩包括配氣凸輪軸負(fù)載扭矩與噴油凸輪軸負(fù)載扭矩。

配氣凸輪軸的負(fù)載扭矩為：

式中，i搖臂長(zhǎng)度比；p氣缸壓力值；dk氣閥圓盤(pán)直徑；k氣閥彈簧剛度；h0氣閥彈簧的預(yù)壓縮量；h氣閥升程；at凸輪行線(xiàn)的加速度；mt1頂桿質(zhì)量；mt2挺柱質(zhì)量；mv氣閥質(zhì)量；ms氣閥彈簧質(zhì)量；ir搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；lt搖臂靠近頂桿段的長(zhǎng)度；θ凸輪轉(zhuǎn)角。

噴油凸輪軸的負(fù)載扭矩為：

式中，p泵端燃油壓力，考慮為沖擊負(fù)荷，用2p計(jì)算；dp柱塞的直徑；m1柱塞質(zhì)量；w凸輪的轉(zhuǎn)速；h凸輪升程；k柱塞彈簧剛度；h0彈簧預(yù)壓縮量。

使用newmark-β算法求解強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算公式如下

式中，為等效剛度矩陣，為等效外力矩陣，{u}為位移。

對(duì)于實(shí)際測(cè)試信號(hào)，由于測(cè)試儀器溫度變化造成的零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致信號(hào)含有長(zhǎng)周期趨勢(shì)項(xiàng)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)作積分時(shí)，趨勢(shì)項(xiàng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響十分明顯，甚至?xí)蛊渫耆д妗Ｒ虼擞斜匾厔?shì)項(xiàng)，得到響應(yīng)計(jì)算的真實(shí)值。

采用最小二乘法消除趨勢(shì)項(xiàng)，計(jì)算公式如下

式中，xk為實(shí)際測(cè)試信號(hào)，為m階次擬合多項(xiàng)式，n為數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)，aj(j＝0,1,…,m)為多項(xiàng)式系數(shù)。消除趨勢(shì)項(xiàng)的目的，就是選擇合適的系數(shù)aj，使和xk間的誤差平方和最小。

為了驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)柴電機(jī)組進(jìn)行了扭振自由振動(dòng)測(cè)試。采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器采集配氣凸輪軸齒輪齒頂處的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)。通過(guò)計(jì)算分析，得到對(duì)應(yīng)的扭角值，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行頻域分析。測(cè)試示意圖見(jiàn)圖2。

將配氣齒輪扭角的計(jì)算值與測(cè)試值作快速傅里葉變換后進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。并將按常規(guī)計(jì)算方法計(jì)算出的配氣齒輪扭角與測(cè)試值作快速傅里葉變換后進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

對(duì)比結(jié)果表明，本發(fā)明方法考了凸輪軸系對(duì)柴油機(jī)軸系扭振的影響，得到的扭振響應(yīng)計(jì)算值更加精確。