【摘要】运用ADAMS软件对6SEDZ76/160型柴油机的曲轴-连杆-活塞主要运动部件进行了运动学与动力学特性的仿真研究，仿真结果与理论计算结果相吻合。由此可知，通过计算机模拟仿真对柴油机主要运动学部件进行运动过程、受力情况的工作是切实可行的，通过可靠的商业软件来预测多刚体的运动，得到实时运动的性能曲线，可以大量减少人力与财力的投入，提高工作效率。

【关键词】船舶柴油机；动力学仿真；运动学仿真；曲轴-连杆-活塞

引言

本文基于多刚体系统动力学思想首先对所研究的柴油机曲轴一连杆一活塞机构简化成为多刚体系统，然后在UG NX环境中建立其三维虚拟样机模型，最后在Adams中完成对其运动学、动力学特性的模拟仿真得到的机构运动学和动力学特性。

1、6SEDZ76/160型柴油机工作原理

当内燃机工作稳定后，分析曲柄-连杆机构的运动学特性以及活塞、连杆及其曲柄的运动规律。6SEDZ76/160型柴油机为6缸2冲程，十字头链接，单作用直接换向的连杆机构，单缸直径760mm，活塞行程1600mm，有效压缩比为11.1，额定功率为9000KW，额定转速为115（r/min），涡轮增压压力为0.189Mpa，连杆长度为3795mm，机械效率为0.9。

2、活塞连杆动力学分析

2.1曲柄连杆机构的力源

曲柄连杆机构的力源主要由往复惯性力与离心惯性力组成。

（1）往复惯性力

pj=-mja （13）

式中：mj—沿气缸中心线作往复运动的总质量，且mj=mp+mcA

mp—活塞组的换算质量

mcA—连杆小端处换算质量

（2）离心惯性力

（14）

式中：mr—集中在曲柄半径R处并作回转运动的质量，且mr=mk+mCB

mk—曲柄的换算质量

mCB—连杆大端处换算质量

2.2曲柄-连杆机构上的作用力

（1）燃气作用力和运动质量惯性力的合成

作用在曲柄-连杆机构上的力源中，气体压力作用在活塞上，并传给机构的各个构件。而由于运动而产生的惯性力和离心力，都是体积力，它在机构上的作用情况是在传递过程中逐步增加起来的。作为动力学计算，可假定沿着气缸中心线方向作用着有气体压力Pg和参加往复运动的总质量mj所产生的往复惯性力Pj的总作用力P0

即有总用力公式：

（15）

2）曲柄-连杆机构各构件处的力作用情况

①活塞销受力

往复总作用力传给连杆，由于在一般曲柄转角α下，连杆有一定的摆角β，所以可把P力分解为两个分力：一个分力pH垂直于气缸壁，称活塞侧推力；一个分力PC沿连杆中心线方向，称连杆推力。它们分别为：

（16）

（17）

②曲柄销受力

连杆推力pC由活塞销传给连杆，然后再传给曲柄销；在曲柄销处又可分解为两个力，即沿着曲柄中心线方向作用的法向力pN和垂直曲柄回转的切向力pT。它们分别为：

（18）

（19）

3、6SEDZ76/160型柴油机的主要运动部件运动学、动力学仿真

本文主要模拟柴油机主要运动部件的运动、动力的情况，且前面提到，对于曲柄-连杆机构受力影响最大的力源主要是气体压力和运动件的惯性力。所以当这些确定零部件运动规律的约束都添加完全后，下一步将考虑添加约束力。运动分析只考虑运动部件的运动规律而不考虑其受力情况，对于曲轴-连杆-活塞机构，运动学分析的内容是研究活塞的位移、速度、加速度以及连杆的角位移、角速度、角加速度。本文对6SEDZ76/160型柴油机中第一缸的曲轴-连杆-活塞机构的运动学特性的仿真，其他缸中的运动情况与其相同，但是发火顺序不同。

3.1基于ADAMS的运动学分析

在ADAMS中只能测量活塞的位移、速度、加速度以及连杆的角速度、角加速度，而连杆的角位移无法测量。需要说明的是，在ADAMS中有软件自身定义好的坐标系，所以测量的量都是以该坐标系为基准。对于活塞的测量是在Y方向和Z方向（Z方向垂直于底座向上），Y方向与Z方向的分量分别与实际值成sin22.5°和cos22.5°关系X方向的分量理论上为零，但实际测量中不为零，不过数值极小，可以近似认为是零。对于连杆的测量，主要在X方向上，Y方向和Z方向上近似为零。

3.2基于ADAMS的动力学分析

将活塞顶部压力的时域数据整理，输入到模型中进行计算。将压力的数据加载到活塞顶部，然后进行分析步，看曲轴-连杆-活塞机构能否正常运动。最后对分析之后的结果进行后处理，提取活塞顶部压力、侧推力，曲柄法向、切向的受力情况进行分析。

4、结论

通过与理论计算比较可以看出，由于柴油机在实际工作过程中活塞上的力是随时间变化的，在给活塞加力时的方向可能出现误差，理论计算则是在理想的条件下不考虑其他条件下计算的。因此，模拟输出的曲线与理论曲线有一些差异，但大体趋势是相同的，它们与理论计算的结果具有较好的一致性。计算结果与理论结果存在微小误差的原因主要是由于理论计算的方法是基于经典力学，工程上对惯性力的得到往往忽略惯性力的高阶项，而采用仅求取前两阶惯性力代替整个系统的惯性力的方法。综合本文计算结果可以看出，仿真结果可以真实的模拟出曲柄连杆机构的运动学和动力学特性，这给生产与柴油机的优化提供了便捷的途径，可以大大提高产品的研发及生产效率。

参考文献

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