基于拟线性等效系统理论的柔性转子发动机运动模型

来源:用户上传      作者:

　　摘要：柔性转子发动机是一种新型的能量转换系统，其燃烧效率高于一般的传统发动机。近几年，由于其各方面性能的优势，它也在逐渐的取代传统活塞式发动机的地位。然而，弹性转子发动机中的簧片式活塞的运动不受机械系统的限制，受力因素也较为复杂。若要准确地把握发动机的动力性能，则必须对活塞的运动进行控制研究，解决簧片式活塞的复杂受力过程、受力接触点变化、振动等问题。本文首先对活塞运动研究过程中的问题进行了具体分析，然后提出了一种基于拟线性等效系统理论原理的柔性转子发动机运动模型，利用欧拉--伯努利理论对活塞的运动进行了快速建模。同时，采用了试差法对弹性活塞的运动进行反复模拟。
　　关键词：柔性转子发动机；拟线性等效系统；欧拉方程；运动模型
　　1.引言
　　近年来，随着微加工技术的发展，机械工程装置小型化的趋势日益明显。微机电系统（MEMS）技术的发展也加快了电力系统的微型化。在多个宏引擎原型的基础上，多种微机电动力系统出现在人们的视野中，它们通常将燃料的化学能转化为机械能或电能，为微飞机、自动机器人、便携式计算机、无线电子设备等诸多领域提供动力[1-3]。基于这一微型化的理念，簧片式柔性转子发动机正式被提出。它由前、后端盖、转子、簧片、缸体、输出轴、飞轮等部件组成。转子、前后簧片、缸体、前后端盖共同围成燃烧室，簧片一端固定于转子的沟槽中，另一端依靠自身的弹性与气缸相接触，转子旋转一周，每个燃烧室完成对应的一个工作循环。簧片式柔性转子发动机燃烧室中引入的簧片这一柔性部件使得发动机工作过程柔和、部件所受冲击减小，并在发动机微小型化时仍可以使各部分保持足够的强度，提高产品的可靠性。
　　簧片式柔性转子发动机在许多方面优于典型的旋转发动机，它所包含的部件几何外型结构简单，适用于中小型发动机，也适用于微型发动机的加工制造，在降低成本的同时还可以达到很高的加工精度，由此可以解决轴向密封问题。此外，与三角转子发动机相比，此转子发动机中没有偏心结构，可以避免产生转动不平衡带来的不良影响，减少各部件的振动，减小噪音。簧片式柔性转子发动机实现了内燃机由传统的全刚性燃烧室向柔性燃烧室的过渡。
　　2.运动过程分析
　　由于簧片式柔性转子发动机巧妙地采用了弹簧作为活塞，故活塞的速度和加速度总是处于不断的变化之中。但又由于活塞的运动规律对柔性发动机系统的工作能力有很大的影响，它的柔性特性决定了燃烧室在工作过程中体积变化的规律，即它是影响压缩比的关键因素，所以要想对发动机的各项性能进行研究分析，则必须对活塞的运动规律进行研究。我们可以通过对簧片活塞受力的分析，确定发动机的大致运动性能。因此，叶片弹簧的受力分析成为了确定燃烧室容积和明确发动机运动的关键步骤。
　　然而，簧片式活塞的运动不受机械系统等复杂因素的限制。在动力学上，簧片式活塞类似于传统的发动机活塞，它除了自身的惯性力和惯性矩所引起的加速度和角加速度外，还受到来自转子和气缸壁的压力以及发动机系统内力的作用。同时，它也会受到活塞与气缸壁之间的摩擦。随着转子的转动，作用在叶活塞上的力时刻变化。在不同的发动机工况下，簧片式活塞还会由于气缸内功率压力、混合气燃烧等参数的变化，受到活塞两侧反复波动载荷的影响。当混合物在燃烧时释放越来越多的热量过程中，簧片式活塞也会发生部分变形。此外，簧片式活塞本身在工作过程中也会发生振动。在旋转过程中，活塞的自由端和固定端均受力，簧片式活塞的形状随着气缸的外形而变化，活塞的受力点也在一个工作循环中处于变化状态。最后，我们还可以知道簧片式活塞的运动也受到活塞长度和位置的影响。
　　由于簧片式柔性转子发动机中活塞受力的复杂以及确定各参数的困难，簧片式活塞受力的精确分析和弹性旋转发动机的运动性能描述目前是不能够很好的解决的。但在研究过程中适当的忽略一些运动过程中的影响因素总体上对发动机运动分析的影响是非常微小的，所以本文将活塞运动简化，建立发动机的运动模型。
　　3.运动模型的建立
　　本文中将发动机中的簧片-转子组合看作为悬臂梁结构，假设其在工作过程中始终保持完全弹性，不考虑簧片工作过程中复杂的动力学特性，将其变形视作静力学行为，选取簧片固定端为坐标原点，并在簧片自由端施加集中载荷，由于簧片的几何非线性特性，其满足欧拉-贝努利方程，利用拟线性等效系统理论有：
　　其中，M为簧片自由端弯矩，p为簧片自由端集中载荷，EI 为簧片弯曲刚度，l为簧片自由端水平位移，L为簧片悬置段积分长度，L0为簧片悬置段实际长度，y为簧片挠度。
　　W（x）为簧片自由端水平位移l的函数，采用试差法，通过编制Matlab计算程序，在悬臂梁自由端逐步施加载荷，在每一载荷步内计算簧片自由端水平位移l，以簧片自然状态下的原始长度为拟合量，计算得出簧片的挠度曲线，在此基础上积分得到燃烧室容积，从而得到发动机的运动模型。
　　参考文献
　　[1]Chia L C，Feng B.The development of a micro power （micro-thermophotovoltaic） device.Journal of Power Sources，2007，165（1）：455-480.
　　[2]Walther D C，Ahn J.Advances and challenges in the development of power generation systems at small 431 scales [J].Progress in Energy & Combustion Science，2011，37（5）：583-610.
　　[3]Chou S K，Yang W M，Chua K J，Li J，Zhang K L.Development of micro power generators-A review.433 Applied Energy，2011，88（1）：1-16.
　　[4]王勁松，张世民.一种二冲程循环微自由活塞摆动发动机.中国专利.02117081.9.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14850377.htm