620V16柴油机曲轴平衡性分析

离心力Ｋ＝（２皖＋Ｇａ）ｒｏ，／ｇ与１个活塞组加１个连
杆小头一阶往复惯性力的最大值Ｃ＝（Ｇ＋Ｇｌ。）Ｍ２／ｇ
之和．这些力都可以用在每一曲柄上添加２个平衡块 的办法来平衡，平衡块的重径积按公式
Ｇｐｒｐ＝（Ｇｈ＋Ｇｌ＋Ｇ乜＋Ｇｑ）ｒ／２
（３）
式中：Ｇ。为平衡块重量；Ｇ。为活塞组重量；Ｇ，为连杆
重量；Ｇ。为连杆组往复运动重量，按公式Ｇｎ—
（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江２１２００３）
摘要：柴油机的平衡性能是影响柴油机使用性能的重要因素之～．为了找到贴合实际的６２０Ｖ１６柴油机曲轴平衡性计算
方法，根据６２０Ｖ１６柴油机曲轴图纸，建立了曲轴简化模型，运用内燃机动力学的平衡理论，用数学分析法进行计算，得到了
平衡块布置位置角度和重径积的计算值为１６．５９。和１３ ８４０．２４７ Ｎ·ｈｉｍ，实际值分别是１６．５０和１４ ９６１．８３６，１５ ０２２．６３８，
左缸Ｐ。Ⅱ’＝ＡＣｃｏｓ２（０＋４５。）＝一ＡＣｓｉｎ２驴 右缸只Ⅱ”＝，气ＣＣＯＳ２（哆－４５。）＝ＡＣｓｉｎ ２５ 式中，Ａ为曲柄销的旋转半径与连杆长度比．它们
的合力Ｒ。Ⅱ在髫，Ｙ轴上的投影分别为
尺出＝一ＡＣｓｉｎ２妒００ｓ４５０＋ＡＣｓｉｎ２ｌｌｂｃｏｓ４５。＝０
Ｒ。Ⅱ，＝ＡＣｓｉｎ ２ｑｂｓｉｎ ４５０＋ＡＣｓｉｎ ２ｌ｜ｂｓｉｎ ４５０＝
ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｂａｌａｎｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ６２０Ｖ１６ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ。ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｂｌｕｅｐｒｉｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ６２０Ｖ１６ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｕｐ，ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎａｌｙｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ Ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ．ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ。ｔｈｅ ｃａｌｃｕ． １ａｔｅｄ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｅｒｂａｌａｎｃｅ ａｓｓｉｇｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ肋ｇｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ－ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔ Ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｒｅ－ ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ Ｗａｓ １ ６．５９０ａｎｄ １ ３ ８４０．２４７ Ｎ·ｍｍ．ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ａｎｇｌｅ ｖａｌｕｅ ＷａＳ １ ６．５ ｏａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｗｅｉｇｈｔ．ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔ ｖａｌｕｅｓ ｗｅｒｅ １４ ９６１．８３６ Ｎ·ｎＲｎ．１５ ０２２．６３８ Ｎ·ｍＩｉｌ。１３ ２８６．４０４ Ｎ·ｔｏｎｉ。１４ ６３５．４７６ Ｎ·１１１１＂１１． Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｖａｌｕｅ，ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｖａｌｕｅ ｃｏｎｆｏｒｍｓ ｔｏ ｒｅａｌｉＷ ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｗｅｉｇｈｔ·ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔ ｉ８ ４．５％．ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｌｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｅｏｕｎｔｅｒｂａｌａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：６２０Ｖ１ ６ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎ百ｎｅ；ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｂａｌａｎｃｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｕｎｔｅｒｂａｌａｎｃｅ
１３ ２８６．４０４，１４６３５．４７６ Ｎ·姗．在与实际值的比较中，角度值贴合实际，重径积值平均差异为４．５％，证明了所采用的方法
具有理论指导意义．
关键词：６２０Ｖ １６型柴油机；曲轴平衡计算；平衡块
中图分类号：ＴＫ４２１
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７３—４８０７（２００９）０３—０２３９—０４
Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｂａｌａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ６２０Ｖ１６ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ
ＭＩ＝（肘１８２＋朋ｋ２）１／２＝｛［７口（Ｋ＋Ｃ）］２＋
［３ａ（墨＋ｃ）］２｝忱＝乃丽（Ｋ＋ｃ）
Ｍ２＝（朋岛２＋肘４ｓ２）１／２＝｛［５口（墨＋Ｃ）］２＋
［口（Ｋ＋ｃ）］２｝忱＝以＿口（墨＋ｃ）．
夹角ａ为 ａ＝ｔｇ。１（Ｍ３１６／Ｍ１８）＝ｔｇ。１［３ａ（Ｋｒ＋Ｃ）ｎａ（墨４－
Ｃ）］＝ｔｇ。１［３／７］一２３．１９９。
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—‘ ，．’ｋ，
图２力矩合成图
隐．２ Ｍｏｍｅｎｔ ｄｉａｇｒａｍ
但是这种方法显然可以简化．由图２分析可
知，每一曲柄销上作用着的旋转力墨＋Ｃ合成以后
互相抵消，并不产生一个自由的合力，只产生一个
不平衡的力矩眠
Ｍ１８＝７ａ（群＋Ｃ）；％＝５ａ（墨＋Ｃ）
Ｍ３６＝３ａ（墨＋Ｃ）；＾％＝口（Ｋ＋Ｃ） 则合力矩膨。，鸩大小分别为
ｃ）］２一［以’口（Ｋ，＋ｃ）］２｝／Ｅ２—孔（ｘ，＋ｃ）．
４．３５ａ（Ｋ＋Ｃ）］一３９．７８６。
力矩眠与３，６曲拐平面构成夹角Ｋ为
Ｋ－－８一ｄ＝３９．７８６。－２３．１９９。＝１６．５９。
（５）
所以，若单是为了平衡这个不平衡的旋转力矩
％，只要在曲轴两端加２个平衡块就可以了（其产 生的旋转力矩是肘），其方位与１，８曲拐平面成
万方数据
第３期
肖 民，等：６２０Ｖ１６柴油机曲轴平衡性分析
２４１
０．３Ｇ。计算；Ｇ１２为连杆组旋转运动重量，按公式 Ｇ比一０．７Ｇ。计算；瓯为曲拐不平衡重量等效换算到 曲柄销轴线上的当量重量；ｒ为曲柄销的旋转半
径；ｒｐ为平衡块的重心到主轴中心线的距离．
∥粼彬 磐一鹤坞 工Ｊ ．，Ｘ’’
一．少少｛ 弋＼、．、～歹
用平衡机构等．这些都是在改进过程中应当予以考 虑的，因而改善柴油机的平衡性非常重要【ｌ。４Ｊ．目 前关于柴油机平衡性的计算，国内主要针对直列 ４，６缸柴油机和Ｖ型６，８缸柴油机的较多”叫０｜，对 于高速大功率的Ｖ型１６缸柴油机少有涉及，主要 是由于高速大功率柴油机多用于机车车头和船用 发电机组，应用范围相对狭窄所致．中国船舶重工 集团公司从德国引进了６２０Ｖ１６柴油机，其自身平 衡性良好，但没有提供平衡性计算方法，在引进消 化过程中衍生了许多问题需要解决．相应地，在研 发进程中，根据实际使用要求，柴油机各总成结构 需要进行改动和改进，在此前提下，必须有针对性
以采用在】，２和１５，１６曲柄臂上布置平衡块的方
案这时用的平衡方案既不是用１６块平衡块完全逐
拐平衡１６ＰＡ６Ｖ柴油机即采取这种形式，也不是用２
块平衡块完全整体平衡．
表l实际值与计算值的比较tamelactualvalueandcalculatedvaluecomparison平衡块a均值图41234平衡块mg41234counterbalance本文建立曲轴简化模型为了抓住主要影响因素并简化计算方法在考虑受力时假设各曲拐的受力完全相同各曲拐的结构形式完全一致并且主要考虑了一阶往复惯性力忽略其它高阶往复惯性力的影响然而实际情况略有差异所以每一平衡块重径积实际值会分布在计算值上下从而略有差异
协Ｃｓｉｎ２沙
由此可以清楚地看到，气缸夹角为９００的Ｖ一２型柴 油机左右两缸的二阶往复惯性力的合力大小按简 谐规律变化，方向恒沿两列气缸轴线夹角平分线垂 直的方向，也就是说，气缸夹角为９０。的Ｖ．２型柴 油机左右两缸的二阶惯性力的合力仍是往复 力‘１‘３］．
２ ６２０Ｖ１６柴油机的平衡性分析
有了关于两列气缸轴线夹角为９００的Ｖ·２型 柴油机左右两缸的一阶往复惯性力合力的规律，就 不难对两列气缸轴线夹角为９００的６２０Ｖ１６柴油机 的平衡情况进行分析．６２０Ｖ１６柴油机的曲轴曲柄 空间布置如图ｌ所示，图中Ｋ。，岛，玛，丘分别为４ 个平衡块产生的离心力．
Ｒ。ｈ＝Ｃｃｏｓ（０＋４５。）Ｃ０８ ４５０＋Ｃｃｏｓ（砂一４５０）
ＣＯＳ４５０＝Ｃｃｏｓ出
Ｒ。Ｉ ｒ＝一Ｃｃｏｓ（驴＋４５０）ｓｉｎ ４５。＋Ｃｃｏｓ（Ｉ步一 ４５。）ｓｉｎ４５ ｏ＝Ｃｓｉｎ砂
所以，一阶往复惯性力合力的大小和方向为
Ｒ。Ｉ＝（Ｒ。Ｉ，２＋Ｒ．ｘ ７２）‘／２＝Ｃ
（１）
砂Ｉ＝ａｒｃｔａｎ（Ｒ。Ｉ，／Ｒ。ｈ）ａｒｃｔａｎ（ｔａｎ砂）＝砂
１６．５９０夹角，其重径积大小为
Ｇｐ，＿ｐ＝４．３５ａ（Ｇｈ＋Ｇｚ＋Ｇ垃＋Ｇｑ）ｒ／ｂ
（６）
由于尺寸ｂ比口大得多，用这种整体平衡法显
然可以减轻曲轴的重量，简化其制造工艺．但 ６２０Ｖ１６柴油机并未采用这种布置方寨因为若光在
ｌ，１６曲柄臂上布置平衡块，则必然要把这两曲柄臂
做得很厚，反而使柴油机总长度加长，整机加重．所
１ Ｖ－２型柴油机的平衡性分析
双列式柴油机由于结构紧凑、重量轻，所以在
中速和高速柴油机领域应用日益扩大，其中尤以Ｖ
型柴油机应用最广．在船用柴油机方面两列气缸轴
线夹角为９０。的Ｖ型柴油机应用较多．本文以Ｖ型
１６缸柴油机为例，因Ｖ型１６缸柴油机可以看成由 ８台Ｖ一２型柴油机串联而成，所以先对Ｖ．２型柴油
１ ｊ，ｊ～
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ｊ，入 ．入一 ＼、＼、．／ ‘ｙ二ｊ｜｜
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８
端视图
图ｌ ６２０Ｖ１６型柴油机曲柄空间布置简图
№．１ ６２０Ｖ１６ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｃｒｌｕｌｌ【ｓｐａｔｉａｌ ｌａｙｏｕｔ
在这种６２０Ｖ１６柴油机中，每一曲柄销上作用着
旋转力Ｋ＋Ｃ，它相当于１个曲拐加２个连杆大头的
Ｘｉａｏ Ｍｉｎ，Ｚｈｏｕ Ｆｅｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｓｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｍｖｅｒｓｉｆｆ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂａｌａｎｃｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ
夹角口为
卢＝ｔｇ。１（％／‰）＝ｔｇ。［５ａ（墨＋Ｃ）／ｌａ（墨＋
Ｃ）］＝ｔｇ一［５／１］一７８．６９０。
力矩％的大小为
Ｍｏ＝［Ｍ１２＋Ｊｌ如２—２肘１ Ｊｊｌ乞ＣＯＳ（１８０。一０）］价一
４．３５ａ（Ｋ＋Ｃ）
（４）
力矩眠与Ｍ。构成夹角占为
６＝ａｒｃｃ０８｛［／５８口（Ｋ＋ｃ）］２＋［４．３５ａ（Ｋ，＋
收稿日期：２００８－０８—２５
作者简介：肖民（１９６９一），女，湖北荆州人，博士．教授，研究方向为动力机械性能优化与计算机仿真研究．Ｅ·ｍａｉｌ：ｘｉａｏｍｌｎ＿ｊｕｓｔ＠１２６．啪·
万方数据
２４０
江苏科技大学学报（自然科学版）
第２３卷
地进行理论分析和计算．曲轴作为柴油机的关键运 动部件，其结构的改动对柴油机的平衡性有较大的 影响，因此在国产化中找到贴合实际的平衡性计算 方法，为企业在开拓市场，研发新机型的过程中提 供有价值的理论依据显得十分重要．
第２３卷第３期 ２００９年６月
江苏科技大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ）ｒ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．２３ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２００９
６２０Ｖ１６柴油机曲轴平衡性分析
肖 民，周 枫
（２）
由此可以清楚地看到，气缸夹角为９００时Ｖ－２型柴油
机左右两缸一阶往复惯性力的合力大小不变，方向
恒沿曲柄方向向外从变化性质来说，其一阶往复惯
性力的合力变成了离心力，因此，虽然它本身并未互
相抵消，但很容易用在曲轴的两曲柄上加平衡块的
方法与旋转质量离心力Ｋ一起进行平衡¨ｑ Ｊ．
至于二阶往复惯性力，有
机的平衡性作分析．
在Ｖ型柴油机中，左右一对气缸的２个连杆
与同１个曲柄销相连（即并列式连杆）．所以当曲 柄与戈轴（气缸夹角平分线）成砂角时，一阶往复
惯性力
左缸匕Ｉ’＝Ｃｃｏｓ（≯＋４５０）
右缸Ｐ。Ｉ”＝Ｃｏｏｓ（Ｉ；ｆ，一４５。） 式中Ｃ为一个活塞组加一个连杆小头一阶往复惯
性力的最大值．它们的合力Ｒ。Ｉ在ｚ，Ｙ轴上的投影 分别为
柴油机存在离心惯性力、往复惯性力及力偶， 这些力和力偶作用对柴油机运转的可靠性、使用寿 命以及操作维护等都将产生不良的后果．柴油机的 平衡性对柴油机工作的影响一直是国际柴油机界 关注的问题之一，它涉及到柴油机的可靠性、使用 寿命、振动、平衡、噪音等诸多问题．平衡性差的柴 油机会引起机身在支承上的振动，降低其耐久性， 影响整机使用寿命．分析柴油机平衡性的目的，一 方面是分析各种结构型式活塞式柴油机的平衡性， 为设计选型提供依据；另一方面是寻求改善柴油机 平衡情况的措施．例如：采用适当的气缸数、气缸排 列和曲拐布置方案，在曲轴上安装平衡块，加装专