CN112861283B - 一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法及系统，涉及内燃机仿真技术领域，本发明包含四个模块：曲轴纵横扭三维振动计算模块，轴承润滑性能及动力学参数计算模块，强迫振动计算模块，轴承相对位置反馈模块。每一时刻根据上一时刻计算结果重新对四个模块进行计算，以模拟曲轴‑轴承系统动态特性，形成曲轴‑轴承系统耦合瞬态特性计算方法，以解决对曲轴‑轴承系统匹配特性计算的问题。

Description

一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法及系统

技术领域

本发明涉及内燃机仿真技术领域，更具体的说是涉及一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法及系统。

背景技术

曲轴-轴承系统是内燃机最为关键的系统之一，其工作特性与安全性直接影响内燃机的经济指标。曲轴作为柴油机关键传动部件，其运转状态决定了整机的安全性、经济性以及寿命。曲轴主轴承作为一种典型的动载荷滑动轴承，用以支撑曲轴，工作状况恶劣，其可靠性决定了内燃机的稳定运转。

目前我国内燃机设计发展迅速，已经具备一定的基础，但内燃机生产单位出现了多次轴承磨损、滑油过热、曲轴振动过大等故障，这些故障可能不是本身部件出现的设计问题，而是曲轴与轴承之间匹配特性的问题。轴承设计充分考虑了摩擦学性能参数，但忽略了其支撑特性对曲轴系振动响应的影响；曲轴设计也仅对轴承动力学参数做出要求，未考虑轴承在运转过程中的动态特性。因此需要建立一套综合考虑曲轴与轴承之间相互作用的曲轴纵横扭三维振动与轴承摩擦学耦合特性计算模型，充分阐释曲轴-轴承系统完整的工作过程，揭示曲轴三维振动与轴承摩擦学之间的耦合规律，建立曲轴-轴承系统匹配设计方法，为内燃机曲轴-轴承系统设计及故障提供理论依据。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法及系统，以解决对曲轴-轴承系统匹配特性计算的难题，为内燃机曲轴-轴承系统设计及故障提供理论依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法，具体步骤包括如下：

根据全局参数得到各档轴承动力学参数和轴段传递矩阵；

根据所述各档轴承动力学参数获取轴承传递矩阵；与所述轴段传递矩阵按顺序连乘得到系统传递矩阵；

将所述系统传递矩阵计算时域响应；根据所述时域响应得到各轴承下一时刻的相对位置；

判断是否完成内燃机工作周期，若尚未计算完毕，将所述各轴承下一时刻的相对位置作为输入参数继续进行计算；

若已完成内燃机工作周期，判断周期内曲轴-轴承系统工作特性是否收敛，若收敛，则保存曲轴-轴承系统在所述周期内的工作特性结果；若未收敛，则更新轴承初始位置重新计算。

优选的，还包括轴承润滑性能及动力学参数计算模块，所述轴承润滑性能及动力学参数计算模块的具体工作过程为：

根据输入的轴承结构参数及初始假设位置，通过油膜厚度方程计算得到各轴承油膜厚度；

采用有限差分法，选取雷诺边界条件，通过所述各轴承油膜厚度对雷诺方程进行求解，得到油膜压力分布；

判断所述油膜压力分布是否收敛，若收敛，则根据所述油膜压力分布积分计算油膜承载力，若不收敛，则初始化轴承压力矩阵，继续求解雷诺方程；

根据所述油膜承载力计算各档轴承动力学参数。

优选的，所述油膜厚度方程为：

其中，h为油膜厚度，

为轴颈中间截面在x方向的偏心距，

为轴颈中间截面在y方向的偏心距，z为宽度放行坐标，α_x为x方向的倾斜角，α_y为y方向的倾斜角，c为半径间隙，计算公式为c＝R-r，其中R为轴承的半径，r为轴颈的半径。

优选的，所述雷诺方程为：

其中，ρ为润滑介质密度，h为油膜厚度，η为润滑介质粘度，p为所述油膜压力分布，U为轴颈与轴瓦相对转速，x为轴承周向，y为轴承径向，t为时间。

优选的，所述油膜承载力的计算公式为：

其中，p为所述油膜压力分布，R为轴承半径，Rdθ＝dx，θ方向即为x方向，B为轴承宽度。

优选的，所述轴段传递矩阵为：

其中，T_x为直梁单元纵向传递矩阵，T_our为直梁单元扭转传递矩阵，T_x-z为直梁单元在x-z面横向振动传递矩阵，T_x-y为直梁单元在x-y面横向振动传递矩阵。

优选的，所述轴承传递矩阵为：

其中，k_x为x方向的弹簧刚度，k_y为y方向的弹簧刚度，k_z为z方向的弹簧刚度。

另一方面，本发明还提供一种计算曲轴与轴承耦合特性的系统，包括轴承润滑性能及动力学参数计算模块、曲轴纵横扭三维振动计算模块、强迫振动计算模块、轴承相对位置反馈模块；其中，

将全局参数输入到所述轴承润滑性能及动力学参数计算模块中，得到各档轴承动力学参数，将所述全局参数输入到所述曲轴纵横扭三维振动计算模块，得到轴段传递矩阵；

将所述各档轴承动力学参数代入所述曲轴纵横扭三维振动计算模块，获取轴承传递矩阵；与所述轴段传递矩阵按顺序连乘得到系统传递矩阵；

把所述系统传递矩阵输入所述强迫振动计算模块，采用Newmark算法计算时域响应；

所述轴承相对位置反馈模块接收所述时域响应，根据所述时域响应得到各轴承下一时刻的相对位置。

经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法及系统，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、充分考虑了曲轴与各档轴承之间的耦合关系，建立了曲轴-轴承统一系统，在提高计算精度的同时，揭示了曲轴与轴承之间的匹配特性。

2、曲轴支撑特性时刻变化，更能准确反映各时刻曲轴-轴承系统工作状态，对曲轴-轴承工作性能的计算更为准确。

3、认为各档轴承工作特性并不完全相同，对各档轴承进行同时运算，更符合实际情况，对各档轴承工作特性计算更为准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为曲轴纵横扭三维振动与轴承摩擦学耦合模型的计算流程图；

图2附图为曲轴纵横扭三维振动与轴承摩擦学具体耦合方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法及系统，如图 1、图2所示，具体步骤包括如下：

步骤一：将全局参数输入到轴承润滑性能及动力学参数计算模块，得到各档轴承动力学参数，将全局参数输入到曲轴纵横扭三维振动计算模块，得到轴段传递矩阵；

将各档轴承动力学参数代入曲轴纵横扭三维振动计算模块，获取轴承传递矩阵；与轴段传递矩阵按顺序连乘得到系统传递矩阵。

具体的，轴承润滑性能及动力学参数计算模块的具体工作过程如图2所示：

首先根据输入的轴承结构参数及初始假设位置，通过油膜厚度方程计算得到各轴承油膜厚度；

其次采用有限差分法，选取雷诺边界条件，利用各轴承油膜厚度通过超松弛迭代方法对雷诺方程进行求解，得到油膜压力分布；

然后判断油膜压力分布是否收敛，若收敛，则根据油膜压力分布积分计算油膜承载力，若不收敛，则初始化轴承压力矩阵，继续求解雷诺方程；

最后根据油膜承载力计算各档轴承动力学参数。

需要说明的是，油膜厚度方程为：

其中，h为油膜厚度，

为轴颈中间截面在x方向的偏心距，

为轴颈中间截面在y方向的偏心距，z为宽度放行坐标，α_x为x方向的倾斜角，α_y为y方向的倾斜角，c为半径间隙，计算公式为c＝R-r，其中R为轴承的半径，r为轴颈的半径。

进一步的，雷诺方程为：

其中，ρ为润滑介质密度，h为油膜厚度，η为润滑介质粘度，p为油膜压力分布，U为轴颈与轴瓦相对转速，x为轴承周向，y为轴承径向，t为时间。

进一步的，油膜承载力的计算公式为：

其中，p为油膜压力分布，R为轴承半径，Rdθ＝dx，θ方向即为x方向， B为轴承宽度。

进一步的，全局参数输入到曲轴纵横扭三维振动计算模块中，将曲轴假设为Timoshenko梁，根据梁振动传递理论求解振动方程可以得到其轴段传递矩阵，轴段传递矩阵的公式为：

其中，T_x为直梁单元纵向传递矩阵，公式为：

其中，

ω为固有圆频率，E为弹性模量，ρ为梁的密度；

T_our为直梁单元扭转传递矩阵，公式为：

其中，

G为剪切弹性模量，

对于圆截面梁，极惯性矩I_P＝π(D⁴-d⁴)/32，对于矩形截面，其扭转会产生翘曲，此时的极惯性矩由材料力学中矩形截面杆扭转理论可知，其极惯性矩 I_P＝νhb³，h和b分别表示矩形截面的长边和短边；

T_x-y为直梁单元在x-y面横向振动传递矩阵，公式为：

σ、τ、

和c₀-c₅为中间变量，

l为梁长，M_zl为弯矩，Q_yl为剪力，A为横截面积，k为修正系数，μ_s为梁的线密度。

T_x-z为直梁单元在x-z面横向振动传递矩阵，公式为：

进一步的，轴承传递矩阵为：

其中，k_x为x方向的弹簧刚度，k_y为y方向的弹簧刚度，k_z为z方向的弹簧刚度。

此外，全局参数其中包括：(1)曲轴参数：曲轴划分段数，各轴段密度，各轴段弹性模量，各轴段剪切弹性模量，各轴段截面形状(矩形或圆)，截面尺寸(长度与宽度或内径与外径)，曲拐转角，轴承个数，轴承位置；(2) 轴承参数：轴承宽度，轴颈外径(与相对应轴段一致)，半径间隙，初始偏心率，初始偏位角，润滑介质密度，润滑介质粘度；(3)整体参数：系统固有频率个数，工作转速，载荷作用数，载荷作用位置，每一曲柄转角划分步数，载荷；(4)计算方法参数：轴承网格划分个数，轴承油膜压力收敛精度。

步骤二：把系统传递矩阵输入强迫振动计算模块，采用Newmark算法计算时域响应；

将该时刻曲轴-轴承系统时域响应的结果输入轴承相对位置反馈模块，提取各轴承处横振响应，转化为下一时刻轴颈位置，根据时域响应的结果修改各档轴承相对位置。

步骤三：判断是否完成内燃机工作周期，若尚未计算完毕，将各轴承下一时刻的相对位置作为轴承润滑性能及动力学参数计算模块的输入参数继续进行计算；

若已完成内燃机工作周期，判断周期内曲轴-轴承系统工作特性是否收敛，若收敛，则保存曲轴-轴承系统在周期内的工作特性结果；若未收敛，则更新轴承初始位置，返回轴承润滑性能及动力学参数计算模块重新计算。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法，其特征在于，具体步骤包括如下：

根据全局参数得到各档轴承动力学参数和轴段传递矩阵；

根据所述各档轴承动力学参数获取轴承传递矩阵；与所述轴段传递矩阵按顺序连乘得到系统传递矩阵；

将所述系统传递矩阵计算时域响应；根据所述时域响应得到各轴承下一时刻的相对位置；

判断是否完成内燃机工作周期，若尚未计算完毕，将所述各轴承下一时刻的相对位置作为输入参数继续进行计算；

若已完成内燃机工作周期，判断周期内曲轴-轴承系统工作特性是否收敛，若收敛，则保存曲轴-轴承系统在所述周期内的工作特性结果；若未收敛，则更新轴承初始位置重新计算；

还包括轴承润滑性能及动力学参数计算模块，所述轴承润滑性能及动力学参数计算模块的具体工作过程为：

根据输入的轴承结构参数及初始假设位置，通过油膜厚度方程计算得到各轴承油膜厚度；

采用有限差分法，选取雷诺边界条件，通过所述各轴承油膜厚度对雷诺方程进行求解，得到油膜压力分布；

判断所述油膜压力分布是否收敛，若收敛，则根据所述油膜压力分布积分计算油膜承载力，若不收敛，则初始化轴承压力矩阵，继续求解雷诺方程；

根据所述油膜承载力计算所述各档轴承动力学参数；

所述油膜厚度方程为：

其中，h为油膜厚度，

为轴颈中间截面在x方向的偏心距，

为轴颈中间截面在y方向的偏心距，z为宽度放行坐标，α_x为x方向的倾斜角，α_y为y方向的倾斜角，c为半径间隙，计算公式为c＝R-r，其中R为轴承的半径，r为轴颈的半径；

所述雷诺方程为：

其中，ρ为润滑介质密度，h为油膜厚度，η为润滑介质粘度，p为所述油膜压力分布，U为轴颈与轴瓦相对转速，x为轴承周向，y为轴承径向，t为时间。

2.根据权利要求1所述的一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法，其特征在于，所述油膜承载力的计算公式为：

其中，p为所述油膜压力分布，R为轴承半径，Rdθ＝dx，θ方向即为x方向，B为轴承宽度。

3.根据权利要求1所述的一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法，其特征在于，所述轴段传递矩阵为：

其中，T_x为直梁单元纵向传递矩阵，T_our为直梁单元扭转传递矩阵，T_x-z为直梁单元在x-z面横向振动传递矩阵，T_x-y为直梁单元在x-y面横向振动传递矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种计算曲轴与轴承耦合特性的方法，其特征在于，所述轴承传递矩阵为：

其中，k_x为x方向的弹簧刚度，k_y为y方向的弹簧刚度，k_z为z方向的弹簧刚度。

5.一种计算曲轴与轴承耦合特性的系统，其特征在于，包括轴承润滑性能及动力学参数计算模块、曲轴纵横扭三维振动计算模块、强迫振动计算模块、轴承相对位置反馈模块；其中，

将全局参数输入到所述轴承润滑性能及动力学参数计算模块中，得到各档轴承动力学参数，将所述全局参数输入到所述曲轴纵横扭三维振动计算模块，得到轴段传递矩阵；

将所述各档轴承动力学参数代入所述曲轴纵横扭三维振动计算模块，获取轴承传递矩阵；与所述轴段传递矩阵按顺序连乘得到系统传递矩阵；

把所述系统传递矩阵输入所述强迫振动计算模块，采用Newmark算法计算时域响应；

所述轴承相对位置反馈模块接收所述时域响应，根据所述时域响应得到各轴承下一时刻的相对位置；

判断是否完成内燃机工作周期，若尚未计算完毕，将所述各轴承下一时刻的相对位置作为输入参数继续进行计算；

若已完成内燃机工作周期，判断周期内曲轴-轴承系统工作特性是否收敛，若收敛，则保存曲轴-轴承系统在所述周期内的工作特性结果；若未收敛，则更新轴承初始位置重新计算；

还包括轴承润滑性能及动力学参数计算模块，所述轴承润滑性能及动力学参数计算模块的具体工作过程为：

根据输入的轴承结构参数及初始假设位置，通过油膜厚度方程计算得到各轴承油膜厚度；

采用有限差分法，选取雷诺边界条件，通过所述各轴承油膜厚度对雷诺方程进行求解，得到油膜压力分布；

判断所述油膜压力分布是否收敛，若收敛，则根据所述油膜压力分布积分计算油膜承载力，若不收敛，则初始化轴承压力矩阵，继续求解雷诺方程；

根据所述油膜承载力计算所述各档轴承动力学参数；

所述油膜厚度方程为：

其中，h为油膜厚度，

为轴颈中间截面在x方向的偏心距，

为轴颈中间截面在y方向的偏心距，z为宽度放行坐标，α_x为x方向的倾斜角，α_y为y方向的倾斜角，c为半径间隙，计算公式为c＝R-r，其中R为轴承的半径，r为轴颈的半径；

所述雷诺方程为：

其中，ρ为润滑介质密度，h为油膜厚度，η为润滑介质粘度，p为所述油膜压力分布，U为轴颈与轴瓦相对转速，x为轴承周向，y为轴承径向，t为时间。

Images