柴油机滑油系统压力波动仿真计算方法研究及应用_曹应佳.pdf

第 44 卷（2022）第 6 期Vol.44（2022）No.6柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2022.06.003柴油机滑油系统压力波动仿真计算方法研究及应用曹应佳，杜国栋，李丽婷，赵冠华，杨卿峰（上海船用柴油机研究所，上海201108）摘要：根据滑油系统压力波动的产生机理和特点，基于Flowmaster仿真平台，开展滑油系统压力波动仿真计算方法研究。通过对压力波动影响因素识别、系统合理简化以及主要元器件建模方法研究，总结形成柴油机滑油系统压力波动仿真计算方法。以某柴油机滑油系统为对象，对该方法进行实际应用验证。验证结果表明，针对滑油泵、调压阀、复杂流腔等元件的压力波动建模方法合理可行，压力波动周期与实测值吻合性较好，压力波动率偏差小于5%，仿真精度较高。关键词：柴油机；滑油系统；滑油压力中图分类号：TK421+.9文献标志码：A文章编号：1001-4357（2022）06-0011-04Study and Application of Simulation Calculation Method forPressure Fluctuation of Diesel Engine Lubricating Oil SystemCAO Yingjia，DU Guodong，LI Liting，ZHAO Guanhua，YANG Qingfeng（Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 201108，China）Abstract：According to the mechanism and characteristics of pressure fluctuation in the lubricating oilsystem，based on the Flowmaster simulation platform，the simulation calculation method of pressurefluctuation in the lubricating oil system was studied.Through the identification of the influencing factorsof pressure fluctuation，the reasonable simplification of the system and the modeling method of the maincomponents，the simulation calculation method of the pressure fluctuation of the diesel engine lubricatingoil system was summarized.Taking a diesel engine lubricating oil system as an example，the practicalapplication of the method was verified.The verification results show that the pressure fluctuation modelingmethod for oil pump，pressure regulating valve，complex flow chamber is reasonable and feasible；Thepressure fluctuation period is in good agreement with the measured value，the deviation of pressurefluctuation rate is less than 5%，and the simulation accuracy is high.Key words：diesel engine；lubricating oil system；oil pressure0引 言滑油系统是柴油机的主要保障系统之一，主要负责柴油机摩擦副的润滑和冷却。在柴油机实际运行中，由于曲轴、连杆、滑油泵、调压阀等运动件的动态工作，滑油系统在实际供油过程中产生滑油压力波动。滑油压力波动直接影响滑油系统的供油能力和压力分配，进而影响柴油机摩擦副的润滑和整机可靠性1。因此，开展滑油系统压力波动仿真分析研究及仿真预测，对柴油机结构与可靠性收稿日期：2021-09-22；修回日期：2021-10-21基金项目：船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心资助项目第44 卷第6 期12柴 油 机滑油系统及整机可靠性设计具有重要意义。目前针对滑油系统压力波动的仿真研究主要集中在航天发动机领域，通过系统模型简化和边界假定，研究阀门开闭、油泵启停等因素对系统压力波动的影响2，但针对系统在实际工作条件下压力波动的仿真预测研究较少；在船用和车用发动机领域，主要集中在关键摩擦副的润滑机理与可靠性评估的研究3，对滑油系统本身的仿真研究仍以评估系统流量、压力分布的一维稳态仿真为主，对系统压力波动的仿真预测及抑制的相关研究较少4-6。滑油系统的结构相对复杂，压力波动影响因素多且机理各不相同，使得滑油系统压力波动仿真分析较为困难，存在计算效率低、仿真精度差等问题。本文通过压力波动影响因素识别、系统适应性简化以及主要元器件建模方法研究等，从计算效率、准确性和仿真精度等方面对滑油系统压力波动仿真计算方法进行探索研究，并通过实际应用算例，验证该仿真方法的正确性和准确性。1压力波动影响因素分析根据滑油系统结构组成和附件特点，对滑油压力波动的产生机理进行分析，明确滑油系统压力波动的主要影响因素如下。（1）滑油泵。柴油机滑油泵通常采用外啮合齿轮泵，是滑油系统自由端压力波动源。滑油泵在工作过程中主、从动齿轮不断地啮合和分离，使得油腔体积产生周期性的变化，进而产生流量和压力波动。其中，齿顶高系数ha*、压力角、螺旋角、齿数Z等齿轮参数是影响滑油泵流量脉动的主要因素7-9。（2）调压阀。调压阀作为滑油系统压力调节的零件，其本身泄流产生的流量波动是压力波动的主要来源之一10。调压阀通常由阀体、阀芯、弹簧等组成，其中调压阀泄流孔径D、弹簧刚度K影响旁通面积和开度，与泄流量直接相关。（3）旋转运动油道。主轴承及连杆大端轴承的轴瓦包角1、2影响旋转油道的开闭周期，油槽开闭是用油端形成压力波动的主要因素，直接影响了主油道滑油压力波动大小和波动周期。（4）滑油冷却器、自清滤器等复杂流腔。研究表明，滑油流过冷却器、滤器等复杂流腔时，受黏性内摩擦力和漩涡阻力影响，流体能量消耗以压力波动损失的形式表现出来。因此，油冷器、滤器等复杂流腔对压力波有隔绝和衰减作用。（5）系统换热影响。系统压力波动与滑油黏度直接相关，而滑油黏度受油温影响较大，考虑滑油系统油温变化可提高系统压力波动计算的精度。2系统压力波动建模方法研究2.1系统模型简化设计针对滑油系统元件多、流道复杂的特点，基于压力波动影响因素分析结果，在不影响压力波动仿真精度的前提下对系统模型进行简化，以提高计算效率，缩短运算时间。（1）采用DL阻力元件，简化活塞、凸轮轴及机顶等供油支路流量较小的元件建模。（2）动载荷主要影响轴承泄油流量，对系统压力波动影响较小，采用平均载荷代替动载荷可有效减少计算资源的占用。2.2主要元器件建模（1）滑油泵建模滑油泵流量波动曲线可通过理论公式计算得到，综合考虑齿轮重合度、斜齿螺旋角、挤压、泄漏等因素的影响，滑油泵瞬时流量公式如下：q=b(R2a-R20)-R2b(b2tan212R20+22（1）式中：b为齿宽；为泵转速；Ra、R0和Rb分别为主动齿轮齿顶圆半径、分度圆半径和基圆半径；为齿轮螺旋角；为重合度系数；为考虑重合度的齿轮转角。在滑油系统压力波动仿真模型中，采用PumpGear（齿轮泵）模型对滑油泵进行模拟，并将公式（1）滑油泵流量波动曲线通过脚本控制元件进行赋值，控制滑油泵排量。滑油泵元件模型如图 1所示。（2）调压阀建模根据调压阀各零部件特点和功能，通过组合元件模型进行建模，以模拟调压阀在动作过程中对系统压力波动的影响，如表1，图2所示。图1滑油泵仿真建模2022 年 11 月13曹应佳等：柴油机滑油系统压力波动仿真计算方法研究及应用（3）运动油道建模柴油机运动油道包括曲轴运动油道和连杆运动油道。其中，曲轴运动油道围绕旋转中心做圆周运动，滑油受离心力作用；连杆运动油道则随连杆做平面运动，即一端绕曲柄销中心做圆周运动，一端随活塞做往复运动。两类运动油道均可采用 Passage：Rotating（旋转通路）元件模型进行滑油运动模拟，轴瓦包角可采用 Loss：BearingEntrance（轴承间隙，阻力损失）元件模型进行模拟。（4）复杂流腔建模在复杂流腔前建立压力源、流量源、控制器，并编写相应的计算脚本，模拟油冷器、滤器等复杂流腔对滑油压力波的隔绝和衰减作用，如图 3所示。（5）系统换热仿真建模采用Heater/Cooler两接口换热元件模拟滑油冷却器，实现滑油温度控制：油冷器前为出机油温，油冷器后为冷却后进主油道油温。2.3计算步长的确定滑油系统结构复杂，包含的元件数量庞大，确定合理的计算步长是平衡计算资源、缩短计算周期的关键。计算步长须综合考虑柴油机转速、冲程数和采集频次等因素：T=()1n 60()N X（2）式中：n为柴油机额定转速，r/min；N为柴油机冲程数；X为采集频次，取值越大计算步长越小，结果越精确，对计算资源的要求越高，计算时间越长，根据计算机硬件配置建议取值100200。3应用实例3.1滑油压力波动仿真模型根据以上仿真计算方法，建立某柴油机滑油系统压力波动模型如图4所示。3.2仿真结果对比分析基于以上仿真模型，开展额定工况下的滑油系统压力波动瞬态仿真计算，获取滑油泵出口和主油道压力波动值。并同步开展滑油系统压力波动试验测试，采集相同位置处的压力波动实测值。对仿真值与实测值进行归一化处理，对比结果如图5。图2调压阀仿真建模图5额定工况压力波动仿真值与实测值对比图3复杂流腔对滑油压力波隔绝与衰减影响模拟图4某柴油机滑油压力波动仿真模型表1调压阀主要零件建模项目调压阀重量阀体与柱塞弹簧作用力调压阀基座主油道压力模拟元件MassPortSpringForceEarthGauge Template模拟功能模拟阀芯重量模拟调压阀本体和阀芯流动阻力特性模拟弹簧受力和运动模拟滑油压力起限位作用采集主油道测点压力，并输出至Force元件第44 卷第6 期14柴 油 机对比仿真与实测值可知：（1）主油道滑油压力波动主要受旋转油道影响呈周期性变化。在柴油机一个工作循环内，仿真值与实测值均呈8个波动周期，其中仿真最大波动率为曲线波动最大幅值与曲线波动积分均值的比值为32.3%，试验最大波动率幅值为34.7%。仿真结果与试验结果波形和幅值一致性较好，满足工程应用要求。（2）滑油泵出口压力波动受滑油泵本身流量波动、调压阀泄油以及主油道压力波动综合影响，仿真值和试验值均无明显周期性波动规律。其中，仿真最大波动率为 17.1%，试验最大波动率为17.8%，仿真结果与试验结果一致性较好，满足工程应用要求。4结论（1）采用DL阻力元件简化系统中的供油流量较小支路，运用平均载荷代替动载荷，以及确定合理的计算步长，可在保证计算精度的同时有效减少计算资源的占用，提高计算效率。（2）经实际应用验证，针对滑油泵、调压阀、复杂流腔等元件的压力波动建模方法合理可行，压力波动周期与实测幅值吻合性较好，满足工程应用要求。（3）仿真和实测结果表明，主油道滑油压力波动主要受旋转运动油道影响，呈明显的周期性变化。滑油泵出口压力波动的影响因素较为复杂，且无明显周期性规律。参考文献1 李耿标.综合传动液压供油系统压力脉动特性研究D.北京：北京理工大学，2016.2 包涵，王新阁，叶坤武.基于Flowmaster的滑油系统压力