柴油机连杆小头衬套磨损仿真及改进

刘飞，唐靖，白书战

1.重庆潍柴发动机有限公司，重庆 402260; 2.山东大学能源与动力工程学院，山东济南 250061

0 引言

随着柴油机功率的不断提高，摩擦副运行环境更加恶劣[1-2]。柴油机工作过程中，受爆压和惯性力交替变化作用连杆小头摩擦副的润滑分布不均匀，磨损风险增大。磨损过度会加剧柴油机振动，严重时造成柴油机拉缸故障，因此合理设计连杆衬套与活塞销接触宽度、连杆小头的支撑刚度等尤为重要[3-4]。

目前解决连杆小头衬套磨损的研究主要集中在优化轴承的型线、轴承压力、连杆小头结构等方面。文献[5]基于弹流润滑、粗糙峰接触理论及平均流量模型，分析抛物型线、双曲型线和锥度型线3种衬套型线对连杆小头摆动摩擦副润滑及变形匹配的影响；文献[6]从连杆小头结构方面考虑改善连杆小头衬套的润滑。某中速柴油机试验过程中，在连杆衬套的承载面边缘和油孔周围出现异常磨损，本文中通过对连杆的多体动力仿真实现故障再现，运用AVL EXCITE Power Unit软件分析连杆衬套的油膜压力和粗糙接触压力，设计改进方案并进行仿真分析，通过试验验证改进效果。

1 连杆衬套磨损

某中速柴油机进行100%、90%、75%、50%、25%负荷工况(转速分别为1000、956、896、752、630 r/min)试验，几个小时后出现异常磨损。磨损位置在连杆衬套的承载面边缘和油孔周围，磨损痕迹呈对称分布，异常磨损衬套外观如图1所示。初步分析，认为可能导致衬套油膜压力和粗糙接触压力过高，加速连杆衬套磨损的原因为：1)柴油机运行过程中，活塞受爆压作用呈腰鼓型变形，导致连杆小头衬套边缘和活塞销之间的间隙变小，油膜压力增大；2)连杆小头刚度偏小，在爆压作用下衬套内孔变形，导致衬套边载过大；3)连杆在运行过程中出现歪斜导致衬套边缘受力过大；4)通过连杆衬套承载面积过小，导致衬套边载过大[7-10]。本文中通过对连杆的多体动力仿真，分析查找故障原因并进行优化。

图1 异常磨损衬套照片

2 建模

2.1 基本参数

故障柴油机的额定转速为1000 r/min，缸径为200 mm，行程为270 mm, 连杆长度为520 mm。连杆小头衬套内孔直径为85 mm，活塞销直径为85 mm，衬套与活塞销接触宽度为56 mm，小头衬套与活塞销的间隙为0.22 mm,使用SAE-20W-40机油，其动力黏度为0.025 8 Pa·s。该柴油机缸内爆发压力如图2所示。由图2可知，最大缸压为15 MPa，100%、90%、75%、50%、25%负荷工况的机油供油压力为0.45、0.43、0.42、0.40、0.36 MPa。

图2 不同负荷工况的缸压曲线

2.2 仿真模型

为分析柴油机不同负荷工况下衬套的油膜总压、粗糙接触压力，采用AVL EXCITE Power Unit 软件建立连杆柔性多体动力学模型[11-12]，如图3所示。

a) 总体模型 b) 连杆 a) 连杆有限元 b) 小头衬套膜单元

充分考虑在爆压和惯性力作用下连杆变形对摩擦副润滑的影响，运用有限元前处理软件Hypermesh搭建连杆有限元模型，运用Abaqus软件定义连杆和轴瓦的主节点自由度，活塞与缸套摩擦副采用GuidLine模型，连杆大头轴瓦划分六面体网格，连杆衬套为四面体网格，在衬套内孔建立膜单元[13-14]。连杆有限元模型及小头衬套膜单元模型如图4所示。

3 原方案仿真分析

3.1 结构

原方案衬套与活塞销的接触宽度为56 mm，原方案和衬套起始角度示意图如图5所示。

a) 原方案 b) 衬套起始角度

3.2 仿真结果分析

5个负荷工况下，原方案衬套油膜总压峰值曲线和衬套粗糙接触压力峰值曲线如图6所示。

a)衬套油膜总压峰值曲线 b)衬套粗糙接触压力峰值曲线

5个负荷工况下，原方案衬套油膜总压分布云图如图7所示。

图7 原方案衬套油膜总压分布云图

5个负荷工况下，原方案衬套粗糙接触压力分布云图如图8所示。

图8 原方案衬套粗糙接触压力分布云图

由图6～8可知，衬套油膜最大总压峰值超过500 MPa，粗糙接触压力最大峰值达到500 MPa，且压力峰值位置与衬套磨损位置完全重合，衬套油膜总压峰值和粗糙接触压力峰值过大是衬套快速磨损的主要原因。

4 方案优化与验证

4.1 优化方案

根据油膜总压和粗糙接触压力计算结果，改进方案衬套与活塞销接触宽度，由原来的56 mm增加到66 mm，从而增加连杆衬套的承载面，降低油膜总压峰值和粗糙接触压力峰值，优化方案的衬套起始角度不变。

4.2 仿真验证

相同条件下，对优化方案的5个负荷工况的油膜总压和粗糙接触压力进行仿真计算，并与原方案计算结果进行对比，分析衬套磨损改善情况。优化前、后连杆小头衬套油膜总压和粗糙接触压力对比如表1所示。

表1 不同负荷工况下优化前、后衬套油膜总压和粗糙接触压力对比

由表1可知，优化后衬套油膜总压和粗糙接触压力大幅下降，分别下降50%、70%左右，优化方案有利于解决衬套磨损问题。

4.3 试验验证

将优化后的连杆衬套装机，相同条件下进行上述5个负荷工况的磨损耐久试验,结果如图9所示。由图9可知，衬套下部承压面边缘和油孔周围无磨损痕迹。增加衬套与活塞销接触宽度可以有效解决衬套异常磨损的问题。

图9 试验验证后小头衬套外观

5 结语

对连杆实际工作过程进行仿真，分析衬套异常磨损原因，提出改进方案，并对改进方案进行仿真与试验验证。

1)通过对原结构连杆多体动力学仿真，可以实现故障再现，有助于分析故障的主要原因，设计改进方案。

2)仿真结果表明，油膜总压和粗糙接触压力过大是导致连杆衬套异常磨损的主要原因。

3)将连杆衬套和活塞销之间的接触宽度从56 mm增加到66 mm。改进前、后仿真对比表明：衬套的油膜总压降低约50%，粗糙接触压力降低约70%；试验结果表明，衬套下部承压面边缘和油孔周围无磨损痕迹。

4)增加衬套与活塞销的接触宽度可以明显降低衬套油膜总压和粗糙接触压力，有利于解决衬套磨损问题。