1、江苏科技大学本科毕业设计（论文） 江苏科技大学 本 科 毕 业 设 计（论文） 学 院 机电与汽车工程学院 专 业 机械电子工程 学生姓名 班级学号 指导教师 二零 XX 年 X 月江苏科技大学本科毕业设计（论文） I 江 苏科技大学本科毕业论文 大型柴油机十字头组强度与疲劳分析 Strength and fatigue Strength analysis of crosshead group of large diesel engine 江苏科技大学本科毕业设计（论文） II 摘 要 在 大型柴油机 中，十字头组是不可缺少的一个关键组 件。活塞杆与连杆 被十字头组灵活的 连接在一起 ， 它将
2、柴油机气缸内产生的气体压力，通过活塞与连杆传递给曲柄， 把活塞的直线往复运动转变成曲轴的回转运动 。 本文针对十字头组件进行强度与疲劳分析。 论文首先 介绍了 十字头组的 结 构 及工作情况， 然后 对 十字头组 进行受力分析，计算所受载荷，其中包括活塞力及往复惯性力 。 其次 使用 三维 建模 软件 Pro/E 建立十字头销，滑块 及轴承的三维模型， 把三维模型 导入 ABAQUS 有限元 分析 软件 ， 分别对十字头的三个组成部件进行有限元分析 ，得到其 应力分布及变形情况 ，并进行强度校核 。 最后根据古德曼法和应力寿命法对十字头组的疲劳强度进行分析 。通过分析结果得知，十字头组的工作状
3、况良好，满足其工作许用要求。 关键词： 柴油机； 十字头组 ； 有限元 分析 ； 疲劳强度 ； 江苏科技大学本科毕业设计（论文） III Abstract In the large diesel engine, the cross head group is an indispensable key component. Piston rod and the connecting rod is cross head group flexible connected together, it will gas pressure in the cylinder of diesel engine,
4、pass through the piston and connecting rod to the crank, piston reciprocating linear motion is changed into the rotary motion of the crankshaft. This paper analyses the strength and fatigue strength of the crosshead group. Firstly, the structure and working conditions of the crosshead group is intro
5、duced, then the stress analysis of the crosshead was carried out, and the load was calculated, including the piston force and the inertia force. Secondly, the 3D model of the crosshead pin, guide shoe and bearing is establish by using three-dimensional modeling software Pro / E, then importing the t
6、hree-dimensional model to ABAQUS finite element analysis software and carrying out respectively the finite element analysis of three components of the crosshead ,which obtains the condition of stress distribution and deformation and check the strength. Finally, the fatigue strength of the cross head
7、 was analyzed according to the Goodman method and the stress life method. Through the analysis results, the working condition of the cross head group is good, and it satisfies the requirements of the work. Keywords: Diesel engine; crosshead group; finite element analysis; fatigue strength. 江苏科技大学本科毕
8、业设计（论文） IV 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 课题的目的和意义 . 2 1.3 国内外研究现状 . 2 1.4 本课题主要研究内容 . 2 第二章 柴油机十字头组总体介绍 . 4 2.1 柴油机十字头组的 构成 . 4 2.2 柴油机十字头组的工作条件 .4 2.3 柴油机十字头组 各构件结构 . 5 2.3 本章小结 . 6 第三章 柴油机十字头组受力分析 . 7 3.1 引言 . 7 3.2 十字头 组 的受力分析 . 7 3.2.1 综合活塞力 T. 7 3.2.2 计算往复惯性力 U. 8 3.3 十字头销受力计算 . 9 3.4 十字头滑块所受侧推
9、力 . 10 3.5 十字头轴承受力计算 . 11 3.6 本章小结 . 11 第四章 十字头组的有限元分析 . 错误 !未定义书签。 4.1 引言 . 12 4.2 有 限元分析方法的介绍 . 12 4.2.1 有限元方法的概述 . .12 4.2.2 ABAQUS 分析基本步骤 . . 13 4.3 十字头销的有限元分析 . 13 4.3.1 具体分析步骤 . . . 13 江苏科技大学本科毕业设计（论文） V 4.3.2 有限元计算结果分析 . 14 4.4 十字头滑块的有限元分析 . . . 17 4.4.1 具体分 析步骤 . . . 17 4.4.2 有限元计算结果分析 . 19
10、4.5 十字头轴承的有限元分析 . .22 4.5.1 具体分析步骤 . . . 22 4.5.2 有限元计算结果分析 . 24 4.6 十字头组疲劳分析 . 12 4.6 本章小结 . 12 结论 与展望 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 29 参考文献 . 30 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 引言 柴油机在国内的动力装置中占据很大的比重，在农业 、 工业 、 交通 、 运输甚至于军事方面都由很大的比重份额。与汽油机相比，柴油机的运转速度低，转矩大， 马力大， 油耗 低 ， 通俗来说就是他劲更大 ， 使 得 柴油机更适合重载与拖拽。柴油机 更环保 ，其 排放
11、 的 污染 性低于 汽油机 ， 经济性也更突出一点 。当然，柴油机也有其不足之处，但是随着大型，超大型的运输工具的进一步发展，柴油机的 改良也会与时俱进。 在船舶方面，柴油机更是占据了主要动力装置的地位。 其中 低速柴油机由于转速低 、 经济性好 、 油耗低 、 低功率 、 寿命长 、 结构简单可靠且使用劣质燃料等优点，被广泛用于大型船舶主机 。螺旋桨的转速越低，船舶的效率越高， 所以低速柴油机带动的螺旋桨其推进效率较高。 低速柴油机 相比于其它类型柴油机 ，船舶的航速 与效率 得以提高。 低速柴油机的优点众多，使其在大型货轮中的使用比重占据很大的份额。 柴油机的发展建立在柴油机内部各主要零部
12、件的优化设计上，其中本文所校核的十字头组 便 是 船用低速重型柴油机所 独有 的一个部件 。它作为连 接活塞与连杆的中间结构，其作用对于柴油机十分重要 。 1.2 课题的目的和意义 在十字头式柴油机中，十字头组是联接活塞杆和连杆的。其中，活塞杆与活塞刚性固定并由四个沉头螺钉固定在十字头销上，在气体压力下做往复直线运动，以传递柴油机动力，连杆做直线运动外，还做一定角度内的摆动，带动曲柄的旋转。 此类柴油机中，十字头组承受来自曲柄 -连杆机构运动过程中的侧推力，从而改善活塞与缸套之间的工作条件。同时，使用十字头组结构使得气缸体上可以装设活塞杆填料函，从而隔开气缸与曲轴箱，保持了曲轴箱工作环境的清洁
13、，延长了滑油的使用 时间。使得大型低速柴油机可以普遍使用劣种燃料，减少成本， 提高 经济性。 在活塞受到周期性的爆发压力时，十字头组也受到此冲击载荷，十字头组作为中间的重要连接部件，往往是机构中工作最恶劣的部件。因此，通过理论及有限元法对十字头组的强度与疲劳分析是十分必要的。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 2 1.3 国内外研究现状 近年来，对柴油机主要零部件的有限元分析以十分普遍。各大期刊及硕士论文关于柴油机连杆，曲轴，活塞等零部件的有限元分析报告比比皆是 。 国内有限元领域的发展起步相比于国外要慢上多年，但经过近 20 年的快速发展，已经可以与国际接轨。如今，机械结 构分析的有限元法广
14、泛应用在各种机械校核与设计中，不在局限于静强度分析与简单零部件的二维分析，向更复杂的三维非线性的分析快速发展。计算机硬件水平技术年年突破，大量国外有限元分析软件被国内引进与熟练使用，可以在各种机械期刊上看到关于有限元分析的著作。 2006 年，石亦平编著 ABAQUS 有限元分析实例详解让 ABAQUS 有限元分析软件更快的被国内人士了解与掌握； 1997 年，翁德兴提出了连杆组部件的三维有限元计算的分析方法，包括个零件之间的接触配合与螺栓预紧力； 1997，吴昌华利用子结构法对柴油机机体，活塞，连杆等 高精度的有限元分析； 2005 年，鱼春燕使用有限元法对 SL4105Z 型柴油机的曲轴进
15、行了分析 ，得到曲轴最佳设计方案，对以后的曲轴设计提供一定参考方案。 2009 年黄天成等在有限元的基础上，根据 古德曼法和应力寿命法对 柱塞泵 十字头进行了疲劳强度分析 。 通过查阅各种资料，目前为止关于柴油机的分析主要基于小型四冲程 式 高速柴油机， 涉及 大型船舶的主推动装置的大功率低速柴油机的 研究 较少，尤其对其中的十字头组的 涉及就更少了。然而低速柴油机的工作条件更为恶劣，其不同于陆地上的小型柴油机，主机的运转时间长，载荷高，转速低等。所以对 十字头组的研究具有十分重要的意义。 1.4 本课题主要研究内容 本论文以 某 MAN 型柴油机十字头组为 研究依据 ，具体做了以下工作： （
16、 1） 应用 Pro/E 三维建模软件，建立包括十字头销，十字头滑块，十字头轴承的十字头组件三维实体模型。在进行有限元分析中，对一部分模型的不重要结构进行了简化，从而提高计算的效率。 （ 2） 对十字头组的受力进行详细分析，包括作用于十字头销上的活塞力与往复惯性力， 为 接下来的有限元分析 提供受力依据 。 （ 3） 对十字头销的分析中只构件其 一半 模型，为了更好的模拟实际载荷的施加，采用耦合约束 ，把十字头销与活塞 杆连接面绑定到中心点处，在耦合点施加载荷。 从江苏科技大学本科毕业设计（论文） 3 而校核十字头销的强度。 （ 4） 对十字头滑块进行了接触分析， 构建了十字头销， 滑块 与导
17、板的三维模型，在十字头销上施加活塞下行 及上行 时的侧推力，从而得到滑块与十字头销及滑块与导板之间接触状况 与应力分布情况 。 （ 5） 在十字头轴承的分析中，考虑油膜压力的分布，采用传统的公式加载方法，模拟实际的载荷情况，得到轴承的分析结果。 （ 6） 根据 名义应力 有限寿命 法，结合古德曼图与 S-N 曲线，计算安全系数，并校核。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 4 第二章 柴油机十字头组的总体介绍 2.1 柴油机十字头 组的构成 十字头组 是由十字头轴承、十字头销和十 字头滑块三部分组成，如图 2.1 所示。十字头销和活塞杆紧固在一起，把活塞杆和安装在连杆小端上的十字头轴承联系起来，
18、滑块装在十字头销上，沿着装在机架上的导板滑动，承受运动件在工作过程中产生的侧推力，引导十字头组及活塞组作直线往复运动，并使活塞组和刚套间保持适当间隙，保证活塞组可靠地工作。 图 2.1 MAN 6S35ME-B 柴油机十字头组 2.2 十字头组的工作条件 由于气缸内的气体压力的变化，尤其是点火时产生的爆发压力，使十字头组在工作过程中，承受很大的冲击载荷，且此载荷是交变的。这样的工作环境使得十字头组各部件，容易产生材料的疲劳。 十字头组在承受来自活塞的上下的冲击载荷时，连杆在一定的角度内做摆动，使得十字头组在左右方向上也要承受分力。滑块就是起到承受侧推力的作用。在二冲程柴油机中，十字头轴承与连杆轴承座装配在一起，使得轴承持续承受向下的载荷，不利于油膜的行程。若十字头销与轴承的在载荷作用下变型过大或不一致，将会对轴承带来不规整的受力，缩短了轴承使用期限。
