《能源与动力装置》05 往复活塞式机械的结构分析

第五章

往复活塞式机械的结构分析

第一节

往复活塞式机械的功能与分类

往复活塞式机械：

往复活塞式机械：

1、往复活塞式发动机，内燃机：产生驱动功率的热力原动机。驱动装置，

2、往复活塞式压缩机和泵：对流体增压和输送的工作机械。耗能装置。结构基本相似，工作过程相反。一、往复活塞式发动机分类

柴油机往复活塞式发动机分类所用燃料分类

按着火方式分类

按曲轴转速分类

煤气机汽油机压燃式（自燃式）：柴油机

点燃式：汽油机、煤气机、天然气机高速：n>1000r/min

中速：n=300～1000r/min

低速：n=60～200r/min天然气机按工作循环冲程数分类

二冲程式四冲程式按气缸数和排列方式分类：单缸、多缸；立式、卧式、V型、星型

二、活塞式压缩机和泵的分类：空气往复活塞式压缩机分类压缩介质分类

按密封方式分类

按曲轴转速分类

氢气氧气开启式封闭式高速：n>1000r/min

中速：n=300～1000r/min

低速：n=60～200r/min制冷剂按气阀方式布置

逆流式顺流式按气缸数和排列方式分类：单缸、多缸；立式、卧式、V型、星型

半封闭式全封闭式图5-1气缸容积的利用方式a）单作用式；b）双作用式；c）、d）级差式图5-1气缸容积的利用方式a）单作用式；b）双作用式；c）、d）级差式图5-2多级压缩示意图图5-2多级压缩示意图第二节

总体结构和主要部件往复活塞式机械，无论是热力发动机，还是压缩机和泵，其基本构造相同。主体机构主要包括气缸体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮。1—油水分离器，2—喷油泵和调速器，3—柴油滤清器，4—空气滤清器，5—空气压缩机，6—进气管，7—节温器，8—风扇，9—充电发电机，10—供油自动提前器YC615QC型柴油机右侧视图

32—节温器，33—气门摇臂，34—喷油器，35—气门组件，36—推杆，37—活塞组件，38—挺柱，39—连杆组件，40—机油集滤器。

YC6105QC型柴油机横剖面图

辅助系统配气机构：空气滤清器、进排气管、进排气道、进排气门、进排气凸轮轴、挺杆、摇臂及消声器

燃料供给系统：喷油泵和调速器、供油自动提前器、喷油器、柴油滤清器、油水分离器、输油泵和柴油管路等

润滑系统：机油泵、机油精滤器、机油粗滤器、分流离心式机油滤清器、油底壳及润滑油道等

冷却系统：风扇、水泵、节温器、出水管总成

起动操纵与电器系统：直流起动电机、充电发电机、各类传感器、操纵机构、空气压缩机曲柄连杆机构活塞式压缩机与热力发动机在主体结构上的主要差别在于阀：往复活塞式压缩机：自动阀往复活塞式热力发动机：强制阀单缸四冲程内燃机：强制阀主要构成：1–小齿轮、2–气缸体、3–连杆、4–曲轴、6–大齿轮、7–凸轮轴、8–气门挺杆、10–活塞、11–气缸、12–进气阀、13–火花塞、17–排气阀、18–大齿轮图5-5气门装置简图及其驱动a)、b)、c)、d)－具有上置凸轮轴的驱动的顶置式气门e)－具有下置凸轮轴驱动的顶置气门f)－下置气门(侧置式气门)1一摇臂2一杠杆3一横梁4一推杆5一挺柱二、主要零部件

1、活塞组：活塞、活塞环、活塞销组件1—活塞2—气环3—油环4—活塞销5—卡环6—连杆A—活塞头部B—活塞顶部C—活塞环槽部D—活塞裙部E—活塞销座

活塞:头部：又分顶部和环部，活塞顶部的直径比裙部小。裙部：起导向和承受连杆传给的侧压力的作用。

活塞环：活塞环槽内的开口弹性金属环

活塞环：包括气环和油环。气环：主要起密封和散热作用，防止缸内高温高压燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶吸收热量的一部分传给气缸套。（2－3道）油环：起刮油和铺油的作用气环的密封机理：第一密封面（气环装入气缸时产生的初始弹力F1）；第一密封面很重要，若失效，则第二密封面建立不起来，因此气环装入气缸时产生的初始弹力F1很重要。第二密封面（燃气压力F2）。气环的切口端呈迷宫式布置（减少漏气）。直角切口：工艺性好，密封效果差气环的结构特点：阶梯切口：密封好，工艺性差斜切口：介于中间，但套装时尖角易折断气环泵油原理内燃机气环：防止泵油扭曲环：正扭曲环,内圆上边缘切去部分金属或外圆下边缘切去部分金属；反扭曲环,内圆下边缘切去部分金属或外圆上边缘切去部分金属正扭曲内切环反扭曲内切环活塞环装入气缸后，其外侧气缸壁的作用力与内侧环弹力不在一条直线上，于是产生扭曲力矩，从而使环的边缘与环槽的上下侧平面都接触，避免了因环在环槽内的上下窜动造成的“泵油”现象。内燃机气环：防止泵油锥面环桶面环梯形环工艺性差油环：上行铺油，下行刮油（1）铺油：润滑，气缸壁上铺油膜（2）刮油：气缸壁上多余机油刮落回曲轴箱中间泄油孔，提高刮油能力内燃机组合钢片式油环1-上刮片2-衬簧3-下刮片4-活塞接触比压大，刮油能力强，泄油通路大，惯性质量小，制造成本高活塞销：活塞和连杆的连接零件作用：连接活塞和连杆小头，传递动力要求：足够的刚度、强度和冲击韧性；表面耐磨；质量小。活塞销：活塞和连杆的连接零件材料与工艺：一般为低碳钢或低碳合金钢，经表面渗碳或渗氮热处理以提高心部冲击韧性和表面硬度，然后进行精磨和研磨。结构特点：管状。圆柱形：易加工，但质量大截锥形：等强度梁，质量小，但难加工组合形：居中活塞销与销座孔为过渡配合,活塞销与连杆小头轴承孔为动配合。在运行过程中，活塞销不仅可以在连杆小头衬套孔内，还可以在销座孔内缓慢转动，以使活塞销表面的磨损比较均匀。必须在活塞销座两端用卡环定位，防止活塞销轴向窜动。装配时，应先将活塞预热，在70~90ºC的油中加热，然后将销装入。活塞销连接方式连杆45671-连杆小头2-杆身3-连杆大头4-衬套5-轴瓦6-轴瓦上的凸肩7-连杆螺栓8-润滑油槽9-连杆盖89作用：传递动力，将活塞往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。工作特点：复杂平面运动，承受压缩、拉伸、弯曲等交变载荷。要求：在质量尽可能小的前提下有足够的刚度和强度。材料与工艺：中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成。连杆小头：连杆与活塞销相连的部分。一般为圆筒形，与杆身连成一体。为了减少磨损、维修方便，小头都镶有铜衬套,小头顶部开有润滑油槽，收集飞溅油雾，润滑活塞销。45671-连杆小头2-杆身3-连杆大头4-衬套5-轴瓦6-轴瓦上的凸肩7-连杆螺栓8-润滑油槽9-连杆盖89连杆杆身：断面形状大多数是“工”字形，其翼面的长轴安排在连杆摆动平面内，且断面尺寸由小头向大头逐渐增大。以求在刚度足够的前提下尽可能减少惯性质量杆身钻有润滑油道。优点：抗弯断面模数大；抗弯强度大；使连杆传力及应力均匀分布。45671-连杆小头2-杆身3-连杆大头4-衬套5-轴瓦6-轴瓦上的凸肩7-连杆螺栓8-润滑油槽9-连杆盖89连杆大头：连杆与曲轴相连部分，曲柄销在连杆大头轴承中作相对高速旋转。通常做成分开式的，以便于拆装活塞连杆组，被分开的部分叫连杆盖，两者之间用连杆螺栓连接。连杆与连杆盖之间有配对记号，拆装时应注意一致。连杆装配标记平切口：连杆大头沿着与杆身轴线垂直的方向切开。优点：定位可靠，结构简单，受力好。斜切口：连杆大头沿着与杆身轴线成30~60º夹角切开，常用于曲柄销直径较粗的场合，否则，连杆大头尺寸太大，无法从气缸中拆下活塞连杆组。缺点：定位不可靠，切口方向受到附加剪切力，连杆螺栓易剪断，连杆盖脱落会击穿气缸体。连杆大头孔内过盈压入上、下两半薄壁钢轴瓦，在其内表面上涂有减磨合金层，具有保持油膜、减少摩擦阻力和易于磨合的作用，主要有巴氏合金、铜铝合金、高锡铝合金。轴瓦背面制有定位凸肩，防止轴瓦转动；轴瓦内表面开有油槽。曲轴

:通过连杆将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动.

图5-9四缸高速内燃机曲轴1—皮带轮2—起动爪3—垫圈4、9—前、后挡油盘5—曲轴正时齿轮6-键7—曲轴8—定位销10—锁片11—飞轮螺钉12—齿圈13—飞轮14—曲柄销15—曲柄16—主轴颈17、20—曲轴前、后端气缸体、气缸套和气缸盖三个主要固定件机体：由气缸体、曲轴箱和机座或油底壳及主轴承盖等组成。气缸体和曲轴箱常铸成一体。气缸体结构形式平分式气缸体：油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。优点是机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；缺点是刚度和强度较差。龙门式气缸体：油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。优点是强度和刚度都好；缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难。隧道式气缸体：主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，曲轴从气缸体后部装入。优点是结构紧凑、刚度和强度好，缺点是加工精度高，工艺性差，曲轴拆装不方便。气缸盖:气缸盖的底面和活塞顶与气缸等共同组成燃烧空间；气缸盖上设有进排气道，并装有配气机构的进气和排气阀组件、摇臂、摇臂座等，还装有喷油器或火花塞。多缸发动机的气缸盖结构形式有单体式、分段式和整体式三种。单体式多用于大型发动机。第三节曲柄——连杆机构的动力学

曲柄连杆机构动力学分析是研究往复活塞式动力机械在稳定工况下曲柄连杆机构运动中所受的各种作用力和它们互相间的关系。动力学分析是为强度、刚度和磨损计算以及基础设计提供依据，确定所需的飞轮矩，作为往复活塞式动力机械振动计算和平衡分析的基础，寻求内燃机、泵、压缩机平衡的有效途径，也为其总体设计提供理论和数值分析的依据。主要作用力：1.惯性力；2.流体作用力；3.相对运动表面间所产生的摩擦力一、曲柄连杆机构的运动关系曲柄半径与连杆长度比

1、活塞运动2、曲柄销中心的加速度3、连杆的运动连杆摆角的近似公式

近似公式连杆摆动的角速度

摆动的角加速度

近似公式

二、曲柄连杆机构的动力学往复活塞式动力机械工作时，作用在曲柄连杆机构上的力主要有：（1）运动件的惯性力；（2）气缸中的气体压力；（3）构件相对运动时接触面产生的摩擦力；（4）运动件的重力；相对较小，可忽略对于整个机器而言，还有:（5）负荷的反作用扭矩及机构的支承反力1、惯性力曲柄连杆机构中的惯性力来自三个方面：

1.活塞组件往复运动产生的惯性力；

2.曲柄不平衡质量回转运动产生的离心惯性力；

3.连杆运动产生的惯性力。运动件惯性力的大小等于其质量和加速度的乘积，且惯性力的方向同加速度的方向相反。

连杆惯性力的分析最为复杂。研究连杆惯性力，很重要的是要找出它在连杆大小两头的表现，也就是要找出它传给活塞和曲柄之力的大小与方向。通常采用质量替代系统。惯性力质量替代原则：

1)代替系统的总质量要等于原来连杆的总质量。

2)代替系统的质心位置要与原来连杆的质心位置相重合。

3)代替系统对于质心的转动惯量应等于原来连杆的转动惯量。将运动零件的质量简化为两类：

1)集中在C点作往复运动的质量mp，包括活塞、十字头部件、连杆部件的小部分质量；

2)集中在D点作旋转运动的质量mr，包括曲拐、曲柄、连杆部件大部分质量。惯性力往复惯性力I一阶往复惯性力II二阶往复惯性力III通常:旋转惯性力Ir惯性力在动力计算中，凡是使连杆受拉伸的力都取正值，使连杆受压缩的力取负值。2、气体力压缩过程1-2膨胀过程3-4吸气过程为ps’的等压过程。排气过程为pd’的等压过程。

轴侧气缸容