8V280柴油机平衡方案设计及平衡性能分析
肖民，钱志鹏
（江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003）
摘要：针对8V280柴油机二阶往复惯性力及倾覆力矩难以平衡的问题，通过平衡性能计算对额定转速工况下的柴油机进行双轴平衡方案设计，并基于虚拟样机技术对柴油机的平衡特性进行多方面研究分析。动力学仿真分析发现，计算出的倾覆力矩曲线与理论计算的曲线非常吻合，充分证明了仿真模型与仿真结果的正确性，同时也验证了双轴平衡方案的有效性。在刚柔耦合柴油机模型的基础上，完成了整机振动烈度速度值的仿真测量，其振动情况达到了“容许”级别，进一步体现了双轴平衡方案的平衡效果，也为生产实体样机的可行性提供了可靠的依据。
关键词：柴油机；平衡轴；虚拟样机；振动
中图分类号：TK422 文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2017.07.001
Balancing Scheme Design and Balanced Performance
Analysis of 8V280 Diesel Engine
XIAO Min, QIAN Zhipeng
(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China)
Abstract:Aiming at the problem that the second - order reciprocating inertia force and overturning moment of 8V280 diesel engine are difficult to balance, the balance scheme of diesel engine is designed by balancing performance calculation, and the balance characteristic of diesel engine is researched and analyzed based on virtual prototyping technology. Through the dynamic simulation analysis, the overturning moment curves are measured and the calculated curves are in good agreement with each other, which proves the correctness of the simulation model and the simulation results, the validity of the biaxial equilibrium scheme is also verified . Based on the rigid-flexible coupling diesel engine model, the vibration velocity measurement is completed，the vibration situation has reached the allowable level, and the balance effect of the biaxial balancing scheme is shown. It also provides a reliable basis for the feasibility of producing the physical prototype.
Key words:diesel engine; balance shaft; virtual prototyping; vbration
0 引言
目前中国中车有限公司生产的柴油机产品中，对于额定功率在2 000 kW～3 000 kW之间的柴油机，只有直列8缸机型，柴油机轴向尺寸长，且质量大，制造成本较高。相比直列8缸柴油机，V8柴油机轴向尺寸缩短一半，质量也大大减少，紧凑性好，刚度强，在船舶领域和机车领域得到广泛使用。
从8V280型柴油机的平衡性能来看，该柴油机存在较大的不平衡惯性力（矩），双轴平衡因其布置方便、平衡效果好和紧凑可靠等优点而多被采用，如王纪福[1]采用理论设计及仿真分析的方法对3种平衡方案进行比较发
现，采用平衡轴方案更能有效改善90° V6柴油机的整机振动性能；HUEGE等[2]在排量2.0 L的双顶置凸轮轴发动机的基础上安装了双轴平衡机构，使得其振动与噪声性能大大提高，与未安装平衡轴的发动机相比，其噪声水平下降了60%，振动烈度下降了70%。所以，8V280柴油机平衡方案采用双轴平衡方案。
目前，国内外学者在进行平衡方案设计之后，大多只从单个方面对平衡效果进行验证，有的学者从振动方面对平衡效果进行验证，如HEUSER等[3]对福特内燃机进行平衡方案设计后，通过实体样机测量技术发现车体的振动情况有所改善。还有一些学者用平衡前后倾覆力矩的对比来验证平衡方案的平衡效果，如张保成等[4]对8V150柴油机进行平衡轴方案设计后，通过虚拟样机仿真发现，平衡后的柴油机倾覆力矩波动幅值显著降低。本文运用平衡性能计算对柴油机的平衡方案进行设计，并结合虚拟样机技术对8V280柴油机的平衡性能进行多方面研究，验证仿真模型及其结果正确性，以及双轴平衡方案的平衡效果。首先，运用传统的柴油机平衡性能计算，计算出安装平衡轴前后倾覆力矩的变化曲线，并设计出相应的平衡方案；然后，基于虚拟样机技术，分析该型柴油机在额定运转工况下安装平衡轴前后倾覆力矩曲线，并与理论计算的结果进行对比；最后，建立刚柔耦合的虚拟样机模型，完成该柴油机振动烈度速度值的仿真测量及评估。
1 8V280柴油机平衡方案设计
8V280柴油机平衡方案的设计主要从平衡机构的选取、平衡机构的设计和平衡效果的对比3个方面进行。在8V280柴油机最优平衡机构的基础上，根据额定转速工况下柴油机的平衡特性设计出平衡机构的各项参数，并对平衡前后的效果进行对比。
1.1 平衡机构的选用
对于V型的8缸柴油机来说，目前采用的平衡措施主要包括平衡块平衡、单轴平衡、双轴平衡及曲轴连杆轴颈错拐[5]4种。考虑到系列化设计指导思想、试制周期以及一次性成功的要求，需从紧凑性、可靠性、简易性和维修性等方面进行权衡和决策。未选择单轴平衡及曲轴连杆轴颈错拐的主要原因是：前者紧凑性差，轴承负荷大，容易出故障，使用时灵活性不好，动力输出头少；后者则是制造工艺复杂，研制周期长，需要反复地进行分析校验，一次性成功把握小。对于平衡块平衡，虽然可以在前后传动系统中布置平衡块，但是机体会承受较大的内力矩，增大机体的变形，并且在前传动系统添加质量会增大机械噪声。
双轴平衡方案就是在曲轴的两侧布置平衡轴，使其以2倍的曲轴转速与曲轴同向旋转。平衡轴的位置很容易进行布置，还可以对初始的安装角进行合理选择，平衡轴旋转过程中形成的离心力以及附加力矩可以有效调整以使离心力抵消往复惯性力的同时，还能产生附加力矩衰减倾覆力矩[6]。此外，柴油机机体的附件布置可保持不变，机体的变形相对较小，所以双轴平衡方案更适合8V280柴油机。
1.2 双轴平衡方案设计
柴油机的倾覆力矩是引起柴油机振动最主要的因素，气体压力及一、二阶往复惯性力在活塞处产生一个侧推力而形成力矩，这个力矩将使发动机产生侧向振动，即倾覆力矩[7]。为了能够让设计的平衡轴在满足力平衡的同时，又产生附加力矩抵消二阶倾覆力矩，所以在计算出单缸倾覆力矩并进行叠加之后，通过Matlab的曲线拟合工具箱拟合出倾覆力矩曲线，并提取出倾覆力矩的常数项及二阶谐波分量作为8V280柴油机总的倾覆力矩：M=27 740+558×cos(2φ)+3 528×sin(2φ) （1）