基于SolidWorks设计算例的柴油机飞轮平衡孔的研究

周站长
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2020年12月19日14:45:04
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今天,周站长带领大家看一个基于SolidWorks设计算例的例子,柴油机飞轮平衡孔的位置及深度的设计。

如图1所示,为一款单缸柴油机的实物外形。其中,柴油机的重要零部件之一---飞轮具有什么作用呢?从外观上看,就是一块笨重的圆盘,一般地,农业机械用,考虑到制造和成本等方面的原因,铸铁件居多。

基于SolidWorks设计算例的柴油机飞轮平衡孔的研究

图1

我国早在2002年就颁布了相关标准,由中华人民共和国农业部发布的《单缸柴油机(NY/T 511-2002)》,标准规定了单缸柴油机的技术要求,检验方法,检验规则和标志、包装、储运与贮存,适用于气缸直径小于或等于150mm的单缸柴油机飞轮。

柴油机飞轮的作用是什么呢?1. 协助启动。柴油机不同于汽油机,汽油机是点燃式,而柴油机是压燃式。在农村成长过的各位老铁应该在农忙时经常见到各种农业机械:手扶拖拉机,农用三轮,四轮拖拉机等等。启动时,首先必须快速转动飞轮,打开减压阀,等到转速达到启动转速时,迅速关闭减压阀,此时气缸在飞轮的作用下并不能立刻停止,由于转动惯性,飞轮帮助活塞越过压缩上止点,从而达到启动目的。启动后,使得曲轴连杆机构越过不做功的进气、压缩和排气辅助行程。2. 使得机械转速相对均匀。加大油门时,由于内燃机燃烧室突然得到了比上一个状态更大的进油量,此时,若没有外力干涉,活塞运动的速率变化必然很大,而飞轮,由于具有一定的质量,在惯性的作用下,可以贮存能量,这使得机构提速不是那么的猛烈,避免了突然的高速运转。同理,当减小油门时,飞轮释放能量,避免了猛然降速导致的停车。3. 方便校准供油提前角。供油提前角过小,供油时刻推迟,会造成燃烧不完全,启动困难,排烟管冒黑烟等症状;若供油提前角过大,提前供油,会导致启动困难或反转。据测算,供油提前角对柴油机的经济性和动力有很大的影响,供油角每改变6度,发动机功率下降7.33%,耗油率增加25.79%。4. 方便调整气门间隙。

一、建模

柴油机飞轮的建模并不是很难,总体上来说是一个回转体,如图2所示。建模步骤省略。

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图2  柴油机飞轮建模

二、实际制造

前已述及,一般地,飞轮是一个铸铁件,飞轮在高速旋转时,各个位置材料的角速度相同,但是随着半径的增加,越是距离回转轴距离越远的材料线速度越大,在物理学中我们知道,向心力的大小跟半径有关,即飞轮边缘材料承受的应力肯定大于内侧材料承受的应力,因此,飞轮的设计,往往是中间薄,边缘厚。再考虑铸造的简易性,于是飞轮的形状就变成了现在的这个样子。话是没错,由于各个制造单位铸造工艺层次不齐,再加上飞轮局部的突起等,难免会存在一些铸造缺陷,比如铁液在凝固时,位于壁厚变化剧烈的局部区域,往往存在“热节”。但也不是说,铸出来的就是个废铁盘……只要成分,理化力学性能达到国家标准规定的值,还是可以使用。理论上讲,整个飞轮的重心位于回转轴上,但是由于铸造成分不均匀,模具偏移等原因,使得飞轮的重心偏移了理想回转轴。如果偏心严重,在高速旋转的情况下,这对于轴或者轴承都是很不利的,使得轴或者轴承的服役年限大大降低。于是,在世界范围内,考虑技术的先进性和经济上的合理性,1940年,由国家标准化组织ISO颁布了世界公认的ISO1940平衡等级,它将转子平衡等级分为11个级别,每个级别间以2.5倍为增量,从要求最高的G0.4到要求最低的G4000标准。

基于SolidWorks设计算例的柴油机飞轮平衡孔的研究

显然,对于普通农业机械来说,平衡精度等级是较为“粗糙”的,要求并不高。实际上,每一个柴油机飞轮在装配前,都要逐一进行回转轴动平衡试验。尽管单缸柴油机转速并不是很高(一般普通农业机械用单缸柴油机额定转速不超过3000转/分)。

其实,细心观察的话会发现,位于飞轮边缘的局部会有一排小孔,这些小孔并不会影响飞轮本身的强度,那么这些小孔的作用是什么呢?毫无疑问,这些小孔是来平衡飞轮的,换句话来说,让飞轮的重心尽可能靠近理想回转轴。

三、设计算例

如图3所示,在建模时,应该有意识的让整个模型关于各个基准面对称,由图3知,整个模型的重心坐标为(0.09,0.,0),由于正面铸造了带轮安装螺钉孔的位置,故整个模型重心从X轴偏移,但因为Y和Z都是0,所以理论上,飞轮并不会承受弯矩。

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图3 飞轮的重心位置

下面通过修改模型模拟飞轮的铸造不平衡或加工导致的偏心问题。

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图4 飞轮的偏心模型

如图4所示,我们给飞轮的边缘做一个不规则特征,此时飞轮的重心坐标变成(0.22,0.84,1.46),忽略X坐标,我们的目的是通过作平衡孔的目的使得Y和Z坐标值均不大于0.1(这里注意,可能实际情况下,即使重心坐标是(0.22,0.84,1.46),但还是满足转子平衡等级要求的,所以这里我们假定,只有当Y和Z均不大于0.1才是符合国家标准的)。事实上,对于转子来说,想让重心完全位于理想回转轴是不现实的。

平衡原则:哪一侧重,减哪一侧;平衡孔一般为圆形孔,这是为了考虑加工的简易性;平衡孔个数3~10个,尽可能分布于与轮廓边线同心的圆弧上,平衡孔的圆心距尽可能相等(这主要是为了考虑流水线加工和数控编程的简易性);孔的深度最好不要超过轮缘总厚度的一半(孔越深,钻头排铁屑越困难)。

平衡措施:在偏重一侧,放置8个圆孔。

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图5  平衡措施

前面交代了这么多内容,都是为给后面做铺垫,废话不多说,我们的目的是:找到一个最佳的孔深度,即这一排孔加工多深,就能满足飞轮重心坐标Y和Z均不大于0.1。

操作:【评估】---【设计算例】---【参数】。如图6所示,点击“参数”后,弹出“参数”对话框。键入“参数名称”,如“孔深度”,激活此窗口后,模型尺寸会自动显示,此时直接在绘图窗口中点击需要设计的尺寸,这里当然就是平衡孔的深度尺寸了;“数值”和“单位”自动填写。

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图6 “参数”对话框

参数设置完毕后,点击“设计算例”,在模型下方自动增加“设计算例1”标签。通过上面的步骤,我们建立了参数,可是光有参数还不行。如图7所示,1. 右键单击模型树中的“传感器”,编辑“传感器”,得到两个传感器值:“质量中心Y1”和“质量中心Z1”,事实上,这两个值就是飞轮此时的重心坐标值。2. 在下方选择参数“孔深度”。3. 计算类型选择“带步长范围”。4. “最小”和“最大”分别给定计算区间。6. “步骤”给定每一次自变量的增加幅度。7. 选择“目标值”:“质量中心Y1”和“质量中心Z1”。8. 计算结果选择“恰好”,即最经济的孔加工深度。9. 分别输入“质量中心Y1”和“质量中心Z1”的目标值。10. 点击“运行”。

注意:实际上,整个计算区间的值的选择以及计算步长的输入都是“极限”思想,即通过列举函数中每一个自变量和因变量的值,选择一个最佳值,对于复杂计算,这个过程往往要迭代很多次,才能求得一个精确解。一般地,为了使等待时间不是那么长,计算步骤控制在100步以内为宜。

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图7 “设计算例”窗口填写

如图8所示,计算完毕之后,在“结果视图”中查看目标值,我们发现,当孔的深度为33.8时,Z坐标已经很接近0.1了,但孔的深度为34.8时,Y和Z均小于0.1,最后考虑孔的尺寸标注,我们将最佳经济加工深度可以定位35mm。

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图8 计算结果

到此,“设计算例”模拟完毕。

评价:在此例中,我们用一个额外的特征模拟飞轮的铸造或加工不平衡因素,在计算过程中,小编发现,当孔的个数为5时,不论如何,均达不到目标误差,这说明飞轮偏心太严重了。这个例子告诉我们,对于柴油机生产厂家来说,要想降低成本,“在飞轮 上少钻几个孔,钻浅一些”,那么在铸造时,就应该控制好铸造工艺。

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周站长
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