Разработка метода оптимизации демпферов крутильных колебаний коленчатого вала двигателя Аль-Гадбан, Сакр Халим

Введение к работе

Актуальность темы. Сорсгрованиє двигателя внутреннего сгорания по скоростному и нагрузочному рважмам нейзбекно вздет. к росту динамической кагружэ шоста, связанной с крутильними колеОвтдаячи коленчатого вала, ёто усугубляется стремлением к снижении матерналос-ккости и габаритов двигателя. Крутидьшэ колебания в значительной мере лимитируют надежность работы еяэргетической установки в целом и становятся важным фактором продолжительной у дорогостоящей дозэдки двигателя.

Б настоящее врїкя создание надехаой конструкцга двигателя внутреннего сгорания невсзмокно без привлечения методов математического моделирования, численного анЕлкза и оптимизации.

Анализ работ, посвященных проектированию и расчету демпферов крутильных колебаний различного типа* показал, что существующие методики, ревая локальные проблемы повалення их Эффзкткваоста, не позволяет на этапе проектирования вибрать тип и опредэлйть оптимальные параметры конструкция с учетом влияния различных факторов на колебания коленчатого вола.

В- связи с этим, важной научной и практической задачей является дальнейшая разработка метода выбора типа дег-тївра, расчета и оптимизации его параметров.

Метода исследования. Численный анализ колебеннй коленчатого вала ДВС на основе математических моделей, оптимизация параметров конструкции демпфера с использованием методов математического прогршгшрования и ЗЕ5І.

Сель работы. Разработка аф5ектгвааго метода выбора

типа демпфера, расчета и оптимизации его параметров ло критерий минимум ыассн для обеспечения допустимых угдо2 закрутки в маогомассовой системе холоячатого вала две. *

Научная новизна. Разработан квтод выбора, расчета и оптимизации демпферов различного типа коленчатого вала Две. Создана методика поиска оптимального коэффициента трения в демпфера на основе численных мотодоз оптимизации:.

Предложены математические юдоли, созданы эффективные алгоритмы и программы расчета и оптимизации демпфирующих . устройств различного типа. Дан анализ влияния параметров каадого из типов демпфера на развитие колебаний в коленчатом вале Д8С.

Объект исследования.' Тракторный дизель с турбонаддувом типа 8Ч8Н 15/16.

Практическая ценность. Создан программный комплекс для расчета крутильных колебании коленчатого вала и оптимизации демпфирующих устройств. С его использованием проведены исследования, по результатам которых предложенн параметры демиферов для дазелл 8ЧВН 15/16, обладащио по сравнению с серийными значительно меяьшимя массами.

Разработанный метод и его программная реализация позволяют существенно сократить материальные, трудовые и временные аатратн при проектировании новых в доводки существюущх конструкций ДВС.

Реализация работы. Результаты исследованиз нсгользуотся в

учебной и научной работе кафедры автомобильных н тракторних

двигателей ВолгШ. Ови рекомендуются таю» исследовательским к

-'5 -

тзровятвчм «oTococTpojtwjibKHM ортэняаацяям.

Лгросеция работы. Осмзянв ЯСЛ028ШМ даосвртадйя

ДОЛОЯВКЫ г . одобрвш sa егегчдаых конференціях Волгоградского голатакшчвсного института з І99і-а-і952 г\г.

Публикации;. Осноынэ положения диссертации язяох&ян в даьх печа'пвхх работах.

Обгєм работа. Дисовртяцая состоят пз звбдеч*»я, чэтнрэх глаз, осноьшг выводов и списка датсратуру, /шл-гапцзго 160 неименсваниг. <язг содержих ifiO стрэьвд. ьюигпспчсяэго текста, 54 рисунка a R тайякц.

На згияту выносятся следующие основные ссжяенгя диссертации:

- метод расчета кругадьши колебаний и одтгнигвиия двмпферое различного тяня колончатого ьела ДТЗО;

обоСаешне раг%тане сжэш крутадьно-кРЛЭбатвл>даД системы коленчатого вала ЛВС с демпферами;

- алгоритма и программы поиска оїдамальнкх лараіатров
Лв»лзфйруїсюс устройота;

- рез7лкгат.ч исследования ш сншкэшш крутильних колчбошї
демпферами, лолленнне на основе- рззраЗотанвого метода.

СОДЕгЖАШ РАБОТЫ

Зо Еледенкг рвскрцяаэтся актуальность теш и формулируются цэли исследования.

В горной глбэ щжводагся обзор литерзтурнах ясточшжав, посвящешнх иатодам расчета к снижению крутнльтс

кодебаний коленчатого вала двигателя демпферами, а также анализу возмущащих моментов от газовых ж инерционных сил .и т.д. Показано, что недостаточно изучена возможность оптимального выбора типа у. параметров демпфирующего устройства. Отмечается необходимость больших затрат машинного времени "для расчета рынукденяыя крутильных колебаний.

С учетом проведенного анализа формулируются наиболее актуальные задачи исследования:

- постановка задачи оптимизации демпфера;

разработка обобщенной ' расчетной схемы крутильно-, колеОателыюй снстекы коленчатого вала с демпферами различного типа;

создание математической модели и методики рзсчета крутильных колебаний приведенной многомассовой системы коленчатого вала с различным типом демпфирующего устройства от полного спектра крутящего момента двигателя;

определение варьируемых и неизменяемых параметров оптимизации и системи ограничений;

создание методик, алгоритмов и программ оптимизации структуры и параметров демпфирующих устройств;

определение оптимальных параметров демпфера для дизеля 8ЧВН 15/16.

Во второй главе изложен метод оптимизации демгзферов: кидкостного, динамического, комбинированного и жидкостного включенного через редуктор.

Дана е общем виде формулировка задача оптимального выбора и

расчэта деифере крутялши шлебапнй. В w-i-гитясм днаклоне рвботы кодеачатогэ вз» ь>,, ы_в юшгагкзгрогать вэлтор цэлевах «Іункцяй Q =03,, Qj,, ---) путем Еарьгровангш вэхтсра яарвмйтроз Ч ^u(%i 9->««--⁽?п' ^^я жпоствшга линейных а нединеЯнкх огрйна^заи* в взда:

^** < ««< «Г* *^{х 1}>^{к с}/-^; * ' ^J ' ^ь*^і,п'

Шзтск оптшальгіні значекй варианта ochobehj пвр&датров ч характеристик ведется с ясшдьзовашем мзте:ита?еской модэла колэичатего вала ДС с декзфером. Она .рвзре5от«ша на осново обобщенных расчетных таэн (рас. 1 я 3).

Кодеетатей вал деагахзля с дя-лафвром яредсїаалои даогоквссоЕоа цепной лжнеЕно-дажрвгдай модель», чотор»ія озиснваэтся системой дифферэнциалнаг ^раьнвнй в ваде:

где ф_і - угловое перемещение -ой массы; С_{ j _f - коэффициент жесткости участка вала кезду массами t е 1+1; J - шяведевши момент инерции 1-ой массы; ^bl t-и ~ коафїзщиенї демпфирования на участке " вала меиду массами { и t+1 ; Ь - коачфщизнт демпфирования на -ой кассе; К, - возмущающий момент, действующий на t-ю нассу. В процессе решения задачи оптимизации необходимо, исходя аі, критериев качество и ограничений, найти оптимальные значения основных параметров: момоет инерции маховиков демпфера J_)f J, момент инерции корпуса J₃, коэффициента трения в демпфере b_f ,, b_{5 3} и реализовать их в конструкции (рис. 1).

Исходя из принципов системного подхода для демпфера, как элемента подсистемы іфшюшшно-аатунного механизма, ж двигателя в целом, определена следующие критерии качестг-з:в_г~ масса дегафера в сборе ж Q₂ - момент инерции маховика демпфера. Критерии Q_; и Q₂ имеют разлинуй важность, что учитывается в процессз поиска оптимального решения на основе принципа жесткого приоритета с последовательной их оптимизацией.

Исходя ив обоСгэЕно& расчетной схема, приведенной на рис.1, выражение критерия качества Q, имеет вад: Q_f = / ( Ь. R,, Н_г, і, i_f, А_г, Ag, L₄, A₅, A₆, S_f, 5g,

S₃> p_f, р_г, p₃, p_<1 I_f). (2).

где Ъ e L - ширина маховшса жидкостного и динамического

дэ'Лфэря соотзатстаенно;
К₍ е Я, - нкеанаЛ и еяугрезнкЯ рвдаус» маховика

жидкостного & даньмичесхого дошрора; ij и 1₂, 1₃ - торцевой и радиальные запори wearer маховаком

н коргіусом жидкостного демпфера; L₄ я д^, А_б - торцевой и радиальа»е зазори мезд- маховвкол

л корпусом динамического демпфера; S, я 5_г, 5₃ - торцевая н радиалшіе толдаы стенок корпуса демпфера; p_f, р_г, р₃ и р₄ - плотность материала корпуса, маховика, вязко» шдкостч к резкш; I, - пирита .^лазда' крепления. На управляемые параметры оптимизации, яри поиске t>_r—» міг. налохєнн ограничения:

о < і < i_M : о < ь'< ь' ; с < я, « а_ _;

(3)

О < R₂ < R,

J₁ = 0.0 х p_f і ( Bj - Н₂ ) = const;

і 4 4

J_p = 0.5 s p_f Ь ( R_f - H₂ ) = corst; - (4-)

где Op - нздр яаекие растения в маховике и корпусе дешзфера.

Поиск оптимального момента шарпни маховика сводится к жшах&щял Q₂ аря выполнении ограничений ища:

Дф( < Г Д? ₍ ]; Aiqj <[/(]; 0^;«Го1, (S)

- ю-

л где 'AЛ - акшитуда закрутки на участках я амшштуда

колебаний месо коленчатого вала;

D - скорость сдвига

Предложен алгоритм расчета оптимального коэффициента трения

в частотном диапазоне и> . * к „ . Он вялтзет слёдувдие этьш:

1. Заданий начальних значений J_f, » и Ь, ₃.

2. Вычисление онтЕмального значения момента инерции корпуса демпфер? 3₃ из условия минимума кассы.

3. Определение амплитуд ко-пебанки масс А и максимальных

углов закрутки Д<р_{ на участках снстеми от полного спектра крутящего момента.

4. Поиск наибольшего значения А<р, в диапазоне ш . » ш_ с

¹ % mtfi шах

шагом Ь> на основе внполнилия п.З.

Б. Войск коеф&щиента трения Ь, в диапазона b_mia * Ъ^^ с шагом ЬЬ. На кавдом шаге значений коэффициента трения в диапазоне *_ліл + ^ ведется определение максимальных углов

закрутки. Из ряда полученных Аф запоминается минимальнее с соотватствупщш ему величиной коэффициента трения b_{f э}.

6. Задание начальных значений J_z, w, Ъ_{г 3} и С_{& 3}. .

7.Определение на основе выполнения пунктов 3, 4' и Б

значений J₂, b_{2 3} и О_{г 3} при которых обеспечено условие Аф_{ <

[ Аф₍ ] U,« [Л] . . Найденное значение b_{( 3}. b_g и С_{г 3} принимаются оптимальным для основшх пзреметров демпфера J_t, «Г„ ж «Г_а крутильно-колебательноа системы коленчатого вала ДО.

Этот алгориш реализован и оформлен в вида отдельного

-II -

црогремьжогс косуля на ялгор-пшческом язхкэ УСКГПАУ-Ч для ЗШ
тала ЕС-1061. '

С его использсвэаиом было прозодено иослодовяшэ зяачониа оптшадьного дегазирования для динамического, апдаостного и комО.чшгрБалного дашфбра колебаний с иарзшэтраня ирупшдаз системи коленчатого вала дазеля 8ЧБН 15/?6.

уенультатн ксслодовзязя для жвдкоотзсго дампфэрз показали, что для допустимого значэния угла зчкруткл i'-i^^O.OZBe, рад), определение оіггемального козф&сеюзта трения по р».зрч<5ота?но& методи;» позволяет получать значиш оптимального нюмоя/а инерция мсхояика, равное .7=1,2 кг-»"³. Это на 25 менмге значения комонта инерции определяемого при расчета ксэдащиэнта треачя ко традиционным завжждаетям, при стом масса конструкции в ссоре сішгєйд аа 10,8$ (9,0 кг)- Одновременно ддч здиуковгтс значения ммлента инорции махоБИка хоэфжцкэит тро&зя я угла закрутки могут отлетаться на 17 и 4 соответственно (ри-з.5 л 4).

На оснойв вкио пркнэденашс составлен алгораты моюда гяинмкгации а растата демпфера ярутяаьаого колебания. Сн состой? ш слэдуядих основных шагов:

1. Вибср первого прябликшего значения момента йндрцки
маховика демпфера а. за»аняс п&ргалетров (зазорі; между маховиком к
корпусом дешфвра, тодщиеы стенок корпуса дчшфера, вязкое
.кцдкости и плотность материала корпуса и маховика).

2. Расчет оптимальних размеров деш*»рз с учетом
ограничений (3) а (4).

3. Расчет чнслэншм методом собственных частот яолебанай

"о»

4. Определение яесткоста С дэыгфзра.

Б. Опрэделение амплитуд гармоник крутящего номэнтг,

действующего от одного цилиндра.

6. Определение оптимального коэффициента демпфирования b, _
и Ь„ , мевду маховиком и корпусом демпфера (из условия
мишшмазацю! максимальных углов закрутки Аф^ — rain от
полного слектра крутэдего иоыэнта в частотном диапазоне
работы двигателя п = п. + л „ ).

7. Расчет вынузденшх колебаний от полного сшктра
крутящего момента.

8. Проверка углов закрутка коленчатого вала и надехвости
параметров демпфирующего устройства Аср₍ < | Лср_{ ], V < fr>l, а
тискэ варгарозание моментов инерции каховиков J_f = 7₁ + AJ_r и i/₂
= J_{2 +} J₂. ^

Если не выполняется условие Аф_1я№г < Г Аф_(та;1 ], то расчет повторяется с меньшим значением юмента инерции маховика.

9. Проверки ограничений яа вгрькруемые параметры яря оотЕКнзации по критерию Q₂, J, < Г Jj 1, J₂ f J₂ 1 и G < f ti 1.

10. Сравнение всркачтов. типа демпфирующего устройства.-

11. Выбор дгппэго варианта по критерию Q, —» піп.
Данный алгоритм метода оптимизации донят в основе

разработанного автоматизированного программного комплекса. Он функционирует в составе операционной системы ОС IB версии 3.0 а выше комплекса АРМ /СМ-4. Все программа комплекса составлены на алгоритмическом языке POKFRAH-i-.

-ІЗ -

В третьей главе изложены результаты комплексного теоретического исследования с применениям созданного мэ^ода и разработанного на ого оскове автоматизированного программного комплекса. Оао кроведено для крутиаьло-колебательвой системы коленчатого вала дизеля 8ЧВД 15/16. По ого результатам определив оптимальные основные параметры и характеристики демпфирующего устройства. Методика исследования включает слэдушзэ этапа:

- определение спектра крутящего момента;

- теоретический расчет амплитуд колебаний в зависимости от
угла поворота коленчатого вала и скоростного рэгима работы
двигателя для полюго спектра крутящего момента;

- расчетное исследование влияния параквтров дагшфэроа
различного типа на крутильные колебания коленчатого зала.

Значения отдельных гармонических составлящих крутящего монента аппроксимировались по катоду наименьших квадратов полиномом 2-го порядка. При этом зависимость амплитуд гармоник крутящего момента и соотаэтстаукцих фазовых углов от частота вращения приникают еледувдий вид:

^4,(^^-,( ^{п + а}о,< і ₍₆₎

*1 ^=аг, *? + ^dt,l " ^{+ а}о,( ^{{im 1}* *> где п - частота вращения коленчатого вала (мин"').

Расчетные исследования по математическим «оделяй с

представлением хаадого цилиндра дгигателя отдельной приведенной

массой нэ дает существенного повішення точности при расчетах

углов закрутки и напряхвгой (отличие составляет 1,5...2%).

- И -'

Однако позволяет более удобьо еадаззть возмущающие моменты гю отдельном цаліщрам (Яэз предворитольпого сушероьзкия по кривоияпак}- '

lis рив .5 приведены полученные на основе Численних вхпларшэатов зависимости максимальных амплитуд ' закрутки от частоты Брьценая коленчатого ваг.з с дешйирушдога устройствами различного типа, обссдачквавд>ага их рааяыз значения, и-с анализ показывает, чїо лля рабочего диапазона двигателя более выгодаш распределением пиксвил значений углов закрутки' обладает динамический демпфер, обеспечиваюдай меньшие значения не номинальном режиме й рэкимэ нексим&лыюго крутящего МОМ0НЇ8.

Параметри и характеристики оптимальных конструкций Дбкпфмрущих устройств для дизеля 8ЧШ 15/тб, полученных на основе проБэдешш: исследований, приведены в таблице. В процессе исследований таете анализировался вариант включения жидкостного демпфера в крутильную систему коленчатого вала через редукторы'с. различными гвачвяшлш передеточного чжсла.

Ksk видно из приведенных б таблхлце дашых для дизеля &Ш 15/16 при ЛГ_Я»400 л.о. меньшую мтесу ннеэт дьсанический демпфер. При ьтом в сравнении с серийным жидкостный_г динамический, комбиьароваиныЗ и гидкоотшй при включении черва редуктор имеет массу исканную на 13.8% (9,0 кг), S3,8 * (24,15 кг}, 31,5 (22*62 кг) ъ. 66 (43,3кг) соответственно.

В четвертой главе приводятся результаты експериментального исследование дизеля S4BIT 15/16. С целью провэрга адекватности математической модели возмущавдах «океьтов их реальным

. Таблица Значены основные параметров оптимальна вариантов демпферов

Момент инерции корпуса

хг-м²

в сборе кг

значениям.

На основе результатов эксперимента определены значения составлящих гармони: крутящего чомэвта от газовых сил. Для этого был проведен анализ индикаторных давлений ' на ряде нагрузочных я скоростных характеристикам дизеля 8'1ВН 15/16, полученных в лабораториях ВолгШ а ВгШ. Обработка индакаторнах диаграмм проводилась по методу тригонометрической штерполящш'. на ЭШ. Подученные данные после обработки по методу наименьших квадратов использована в теоретическом исследований крутпьннх колебаний коленчатого вала.