船用柴油机曲轴疲劳分析

力 范 围 （ ａ 。 该 曲 线 是 在 应 力 比 为一 ＭＰ ） １的 情 况 下 得 到 的 ， 平均应力为 ０ ，因 此应 力 范 围 等 于 最 大 应 力 的 两 倍 。在 双 对
（Ａ Ｃ Ｅ技 术 ）在 产 品 的 设计 中 已经 大 景 地 使 用 。 其 中 有 限 元
技 术 已经 成 为 一 种 不 可 或 缺 的分 析 工 具 。 根 据 有 限 元 技 术 分 析 获 得 的 应 力 应 变 结 果 进 行 进 一 步 的疲 劳 寿 命 设 计 已 经 在 一 些 行 业 （ 汽 车 、船 舶 、航 天 航 空 、 压 力 容 器 等 ） 得 如
线 的 功 率 的 变 化 ， 实 时 功 率 的 测 量 主 要 依 据 于 直 流 母 线 电 流 电 （ 压 ） 该 功 率 变 化 状 况 ， 态 的提 供 了 柴 油 机 组 油 量 的 调 节 信 号 ， ， 动 油
１ 采用 新 的 控 制 装 置 的 Ｒ Ｇ耗 油 ｌＬ 前 者 达 到 了 ５ ％ 的节 油 ８， Ｌ Ｔ １。 ０
曲轴 的疲劳寿命进行评估 ，先利用动力学仿真软件 Ａ ＡＭＳ计算得到 曲轴载荷谱 ，然后基于有 限元分析结 Ｄ
果 的对 曲轴进行疲劳计算 分析。 关键词 ：曲轴 计算机辅助工程 动力学仿真软件 有限元分析
疲概 劳述
曲 轴 是 柴 油 机 主 要 部 件 之 一 ，在 周 期 性 变 化 的 气 体 压 力 、运 动 质 量 惯 性 力 以及 力 矩 的 作 用 下 工 作 ，其 Ｐ 部 产 生 ３ ，
该 系 统 可 用 于 改 造 现 有 砌ｒ 也 可 安 装 在 新 造 Ｒ ｒ 上 。它 将 Ｇ， ］ Ｇ
电机组在轻负荷 状态时仍工作 于全速状况 下造成 的高耗 油状况 。
Ｒ Ｇ变 速 柴油发 电机 的节 能效 果 Ｔ
相比于单纯使 用超级 电容储存 释放能量 等其他方 案 ，该 系统
在Ａ Ａ Ｄ ＭＳ中对 曲 轴柔 性体 进行 计算 。 图 １是 对 曲轴 进 行 动 力 学 计 算 时 ， 曲 轴 动 态 应 力 分 布 的 一 个 截 图 。从 图 中
可 以看 出 ，这 一 时 刻 第 一 个 曲 拐 应 力 最 大 ，其 中 曲柄 销 和
曲 柄 臂 的 倒 圆 角 处 出 现 应 力 集 中 ，达 ４ ０ ａ左 右 。 ２ ＭＰ
直 接 以 负 载 变 化 实 现 柴 油 机 的 调 节 ，最 大 化 节 省 了柴 油 机 的 能 量 消耗 。
不仅适用 于集 装箱 Ｒ Ｇ，在所有具备类 似工况 的起 重机械上均 有 Ｔ
推广价值 。
Ｒ Ｇ 调速 柴油 机发 电机 组特点 Ｔ
大 幅降低 燃 油 消耗 ，理论 计算 最 高节 油 达 ７ ％ ，实 际节 油 Ｏ ４ ．％， ４７ 即节约能源 ， 降低成本 。使用 能景缓 冲单元 ， 减小 柴油发 电 机装机容量 ３ ％以上。 Ｏ 智能能源 管理系统确保 使用的高效性 与可靠性 柴油 机长时 间 低 速轻 载运 行 ， 减少 维修 ， 延长 寿命 ， 幅减 少 烟气 排放 ， 大 降低 噪
到 了初 步 的应 用 。
数 坐 标 下 ， 曲线 为 三 段 曲 线 。其 中第 一 段 处 于 低 周 疲 劳 区 ，
塑 性 影 响 较 大 ，用 法 计 算 误 差 较 大 ，故 用 虚 线 表 示 。
本 文采 用动 力学 仿真 软件 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ结 合 疲 劳 分 析 软 件 ＭＳ ．ａ ｇｅ对 曲 轴 的 疲 劳 寿 命 进 行 评 估 。 先 利 用 动 力 学 仿 ＣＦ ｔ ｕ ｉ 真软件 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ计 算 得 到 曲轴 载 荷 谱 ，然 后 基 于有 限 元 分 析 结 果 对 曲轴 进 行 疲 劳 计 算 分 析 。
第 第 第 ７阶 第 ８ 阶 ９ 阶 １ 阶 ０ ８３．７ 第 １ 阶 ４ ３６ ８．１
８５ ｌ
１ ．８ ９１ ２０ ３．７ ２１ ５．２
第
第 第 第
１ 阶 ５
１ 阶 ６ １ 阶 ７ １ 阶 ８
４ｌ ０．９
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栏辑 弛 目： 编张
用柴油机 曲轴疲劳分析
张 琳
摘 要 ：随着计算机技术的发展 ，计 算机辅助工程 （ＡＥ技术）在产 品的设计 中已经大量地使用 ，其 中有限元技术 Ｃ
已经 成 为 一 种 不 可 或缺 的 分析 工 具 。 本 文采 用 动 力学 仿 真 软件 ＡＤ ＭＳ结 合 疲 劳 分析 软 件 ＭＳ ．ａｉｕ Ａ Ｃ Ｆｔ ｅ对 ｇ
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破 坏 。 因 此 ，如 何 保 证 曲轴 的疲 劳 强 度 就 成 了 曲轴 设 计 的 关 键 问题 。
ｌ ＇ ● ● ｌ ＇ ● ● ｌ ● ＇ ｌ ｌ ， ’ ， ● ｌ ＇ ● ＇ ｌ ● ’ ■ Ｉ ｌ ＇ ＇ ｌ ｌ Ｉ ＇ ｌ ● ● ｌ ｌ ＇ ｌ ｌ ● ● ● ’ ｌ ＇ ● ●
保持 Ｒ Ｇ的灵活转场 特性， Ｔ 不改 变 Ｒ Ｇ原 有的操作 流程 。只 Ｔ 需 要换 Ｒ Ｇ 的动力 机房 ， Ｔ 改造 时间短 ， 不影 响正常生产 。对于新采 购的 Ｒ Ｇ， Ｔ 直接 采用调速节油 柴油机组 ， 成本 只需要增 加 ４ 一 Ｏ万 Ｏ６
元 ， 可 获 得 ５ ％ 以上 的 节 油 率 。 即 Ｏ
可 以逐 台改造 ， 一次性投 入小 ， 两年 半节约 的燃油 费费用就 可 以收回设备投 资； 性能稳定 ， 减少 维修费用 。 （ 第一作者单位 ： 广州港集 团有限公 司）
３ ＣＷＴ 中国水运 ２ １ ・ ８ ００ ９
栏 目编 辑 ： 张
弛
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柄 连 杆 机 构 刚 一 柔 混 合 多 体 动 力 学 模 型 进 行 仿 真 ，得 到 曲 轴 载 荷 历 程 数 据 。 在 ＭＳ ． ｔ ｕ ＣＦ ｉ ｅ中模 拟 出 材 料 近 似 的 曲 ａｇ 线 ，对 曲 轴 进 行 疲 劳 寿 命 及 疲 劳 安 全 系 数 进 行 计 算 。 计 算 结 果 表 明 ， 曲 轴 疲 劳 寿 命 和 安 全 系 数 的 最 小 值 均 出 现 在 第
４５ ２．６ ４９ ４，７ ５６ ６．３
第 １１ 阶
第 １ 阶 ２ 第 １３ 阶
２４ ６．１ ２ ８．３ ９
第
ｌ 阶 ９
６７１ ．８ ６ ９９．６
第 ２０ 阶
图 １曲轴 应 力 分 布 ２ 曲 轴栽 荷 历 程 计 算 、
３ 、材 料 的 曲线
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图 ４ 额 定 工 况 下 曲轴 疲 劳 安 全 系数 分 布 云 图
小 结
本 文 基 于 方 法 对 曲轴 疲 劳 寿 命 及 疲 劳 安 全 系数 作 了 定 性 的计 算 。 首 先 ，对 曲 轴 模 态 进 行 分 析 ，得 到 曲轴 的 固 有 频 率 、振 型 数 据 和 模 态 应 力 。 然 后 利 用 ＭＳ ．Ｄ Ｍ ＣＡ Ａ Ｓ对 曲
率， 后者也 接近 ４ ％。 次试验使 用的集装箱 Ｒｒ ０ 本 Ｇ为进 口新设 备 ，
配备品牌 机卡特柴油机 。
量供给执行机 构根据信号调 节油门大小 。不同于 现在 已有 的柴油 发 电机组按照 功率起停 的开关 控制方式 ，从 而实现 能量的最 优控 制。外加 的超 级电容主要用 于能量缓 冲。 该控制模式 实现 了油量 同负载的全程 匹配 。改变 以往场 桥发
的集装 箱场桥 ， 每小 时提升 ８次 ５ ％负 载 ， ０ 耗油量为 １ ２升 ； 使用调
速 系统后 ， 小时提 升 １ 每 ３次 ５ ％ 负 载 ， 油 量 为 ５６升 ， 油 高 达 ０ 耗 ． 节
５ ％ 以上 。 ０
２ｏ ｏ ８年 ３月 ５ 日 ， 部 节 能 检 测 中 心 的 技 术 人 员 实 地 记 录 了
一
个 曲 拐 的 曲 柄 销 和 曲 柄 臂 的 倒 圆 角 处 ， 曲轴 疲 劳 寿 命 最
小 值 为 ５４ Ｅ ． ８次 ，疲 劳 安 全 系 数 的最 小 值 为 １ ８ 由 此 可 ４ ． 。 ７ 见 ，本 曲 轴基 本 能 够 满 足 无 限 寿 命设 计 的 要求 。
目 前 ， 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ，计 算 机 辅 助 工 程
曲 轴 的 材 料 是 ４ ＣＭｏ ２ ｒ Ａ，材 料 的 强 度 极 限 １８ ＭＰ ， ００ ａ 弹 性 模 量 ２０ Ｅ ＭＰ （ 图 ２所 示 ） 生 成 的 曲线 （ 图 ２ ． ５ ａ 如 ６ 。 如 所 示 ） 图 中横 坐 标 为 疲 劳 寿 命 （ 环 次 数 ） ， 循 ，纵 坐标 为 应
曲轴 疲劳 计算 结 果分 析
把 从 Ａ ＡＭＳ中计 算 得 到 的各 阶模 态 的 载 荷 文 件 （ ａ Ｄ ．ｃ ｄ 文 件 ）读 入 到 ＭＳ ． ｔ ｕ ＣＦ ｉ ｅ中 ，对 曲 轴 进 行 疲 劳 寿 命 计 算 。 ａｇ 由 图 ３和 图 ４可 看 出 ， 曲 轴 疲 劳 寿 命 和 安 全 系 数 的 最 小 值 均 出 现 在 第 一 个 曲 拐 的 曲 柄 销 和 曲 柄 臂 的 倒 圆 角 处 ， 曲 轴 疲 劳 寿 命 最 小 值 为 ５４ Ｅ ． ８次 ，疲 劳 安 全 系 数 的 最 小 值 为 ４ １ ８ 由此 可 见 ，本 曲轴 能 够 满 足 无 限 寿命 设 计 的要 求 。 ． 。 ７
曲轴 疲劳 分 析