Динамические нагрузки дизеля


Категория Судовые энергетические установки

Основные силы, действующие в дизеле. При работе дизеля на его поршни действуют силы: от давления газов, инерции, от воздействия масс движущихся деталей, трения. Силы воздействия масс движущихся деталей определяют по опытным данным (или по чертежам дизеля). Силы инерции равны произведению масс движущихся деталей на ускорение и направлены в сторону, противоположную ускорению.

Рис.1. Кривошипы коленчатых валов

Эти силы являются периодически неуравновешенными и во время работы вызывают вибрацию дизеля и корпуса судна. Пусть равнодействующая всех этих сил, действующих на поршень в какой-то момент, равна. Большую часть рабочего цикла движущая сила Р направлена вниз. При рабочем ходе (при движении поршня вниз) разложим силу Р на две составляющие: К — действующую по оси шатуна и N — действующую перпендикулярно оси цилиндра. Точку приложения силы К перенесем в центр нижней головки шатуна и разложим ее также на две составляющие: радиальную силу Z, направленную по радиусу коленчатого вала, и касательную силу Т, направленную по касательной к окружности, описываемой центром шатунной шейки коленчатого вала.

Подобным же образом разложим силы и при такте сжатия (при движении поршня вверх). Из рис. 2, б видно, что направление составляющих V и Т в этом случае будет обратным. Сила N при переходе верхней мертвой точки меняет направление, прижимает поршень то к одной, то к другой стороне втулки, из-за чего усиливается шум и увеличивается изнашивание деталей цилиндропоршневой группы. Нормальная сила N, кроме того, умноженная на длину плеча h, создает опрокидывающий момент, вызывает напряжение в деталях корпуса и особенно в районе крепления их к фундаменту. Радиальная сила Z увеличивает воздействие подвижных деталей дизеля на подшипники вала. Наибольшего значения сила Z достигает в момент сгорания топлива при положении поршня в в.м.т., когда Z = P. Касательная сила Т создает вращающий момент, по значению равный произведению TR, где R — радиус кривошипа. В связи с тем что сила Т не является постоянной (в мертвых точках сила Т= 0), в зависимости от угла поворота кривошипа а изменяется и вращающий момент.

Неравномерность вращения коленчатого вала. Значения степеней неравномерности приводятся в формулярах дизелей: при работе дизелей на гребной винт 6 = = 1 /20-4-1 /40, при работе на генератор 6= 1/100-=- 1/300. Необходимая степень неравномерности вращения коленчатого вала достигается путем установки на нем маховика с массивным ободом, т. е. с большим моментом инерции.

Если значение вращающего момента больше момента сопротивления, то избыток работы расходуется на увеличение кинетической энергии маховика. При уменьшении вращающего момента аккумулированная в маховике кинетическая энергия расходуется на преодоление сопротивления. Маховик прикреплен к кормовому концу коленчатого вала болтами. Соосность соединения маховика с валом обеспечивается с помощью контрольных штифтов. На обод маховика наносят градуировку, по которой можно определить углы поворота вала относительно мертвых точек при регулировочных работах. На ободе маховика расположено несколько отверстий а или выфрезеровывают зубцы для поворота вала вручную. Вал поворачивают ломиком, для чего переставляют ломик из одного отверстия в другое. Поворот вала можно производить специальным двуплечим рычагом с собачкой. При качании рычага собачка скользит по зубцам маховика или упирается в выступ зубца, поворачивает его в требуемом направлении. Главные дизели могут иметь и механическое валоповоротное устройство. На ободе маховика таких дизелей обычно крепят червячную шестерню, входящую в нужный момент в зацепление с червяком привода. Дизели в этом случае оборудуют блокировкой, благодаря которой исключается их пуск при включенном валоповоротном устройстве. В районе присоединения к валу маховика монтируют специальные уплотнения. Дизели 6ЧСПН 18/22 для этой цели снабжены масляными отражателями, с которых центробежными силами масло сбрасывается в картер.

Рис. 2. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Рис. 3. Маховики дизелей

У дизелей с электростартерным пуском на обвод маховика напрессовывают зубчатый венец для сцепления с шестерней стартера в момент пуска. Такой маховик, как, например, у дизеля 64 12/14, соединен с торцовой частью коленчатого вала болтами. Соосность соединения маховика с валом обеспечивается с помощью штифтов. С валом генератора маховик связан упругой муфтой, состоящий из кольца с внутренними выступами и полумуфты с внешними выступами, между которыми устанавливают резиновые шашки. Последние закрыты со стороны генератора кольцом.

Уравновешенность дизеля. Давление газов в камере сгорания (на поршень, стенки цилиндра, головку дизеля) передается равномерно и силы, возникающие при этом, взаимно уравновешиваются. Они не вызывают вибрации корпуса судна или его элементов. Однако силы инерции поступательно движущихся и вращающихся частей ничем не уравновешиваются внутри дизеля. Сумма сил инерции и моментов сил инерции относительно центра тяжести дизеля должна равняться нулю. Когда это требование выполняется, дизель считается уравновешенным. В противном случае силы инерции и их моменты могут вызывать вибрацию корпуса судна в вертикальной и в горизонтальной плоскостях. Эффективным средством повышения равномерности вращения коленчатого вала и уравновешивания тепловых машин является использование многоцилиндровых дизелей, в которых рабочие такты в различных цилиндрах чередуются равномерно по углу поворота вала. Для этого кривошипы вала располагают под углом, равным 720/г в четырехтактных и 360/г — в двухтактных дизелях (z — число цилиндров).

Наилучшей уравновешенности в данном случае достигают при одинаковом расположении кривошипов, равно отстоящих от середины коленчатого вала. С учетом этого у шестицилиндровых дизелей 6ЧСП 15/18, 64 12/14, 6ЧРП 25/34 одинаково направлены кривошипы 1 и 6, 2 и 5, 3 и 4; у восьмицилиндровых дизелей 8ЧРН 24/36 и 8ЧРН 32/48 — кривошипы 1 и 8, 2 и 7, 3 и 6, 4 и 5.

Для уравновешивания дизеля подбирают наиболее целесообразный порядок работы цилиндров. При его выборе стремятся более равномерно распределить нагрузку на коренные подшипники, а это возможно только в том случае, когда одноименные такты совершаются в цилиндрах не подряд, а в определенной последовательности. Например, для дизелей 6ЧСП 15/18, 64 12/14 установлена последовательность работы цилиндров 1—5—3—6—2—4. Предположим, что коленчатый вал у дизелей 6ЧСП 15/18 повернулся на 300° от в.м.т. В это время в его третьем цилиндре (рис. 34) будет осуществляться рабочий ход, в четвертом — впуск, а во втором — начало сжатия. При таком порядке работы цилиндров исключается нагрузка одного подшипника значительными силами от двух рядом расположенных цилиндров. Для сохранения уравновешенности дизеля не следует допускать, чтобы после ремонта массы поршней у одного дизеля отличались более чем на 0,5—1%, у шатунов — на 0,2—1,5%.

Силы инерции и их моменты могут быть уравновешены путем присоединения к кривошипам вала дополнительных масс, называемых противовесами. Массу противовесов подбирают такой, чтобы действующие на них центробежные силы соответствовали по значениям силам, действующим на шатунные шейки валов, и были направлены в противоположную сторону. Для уменьшения массы противовесов их стараются расположить как можно дальше от оси вращения коренной шейки вала. У некоторых двигателей противовесы изготовляют как одно целое со щеками вала. Судовые дизели имеют, как правило, отъемные противовесы по два на каждый кривошип или по одному на кривошип, как, например, у дизелей 64 23/30 с частотой вращения вала 750 мин-1. Возможно и другое расположение противовесов. У дизелей 2ЧСП 10,5/13, например, противовесы прикреплены только к первой, четвертой, пятой и восьмой щекам коленчатого вала.

Рис. 4. Порядок работы цилиндров дизеля 6ЧСП 15/18

Противовесы могут иметь различную форму. Крепят их к щекам вала у дизелей 2ЧСП 10,5/13 двумя болтами, у дизелей 6ЧН 24/36 болтами с корончатыми гайками, у дизелей 6ЧРН 36/45 треугольными шлицами и болтами. Для большей надежности головки болтов приваривают к противовесам, стопорят от проворачивания замковыми шайбами или проволочными стопорами, а корончатые гайки шплинтуют. Противовесы разгружают подшипники коленчатого вала от центробежных сил, поэтому ими оборудуют и уравновешенные дизели;

Рис. 5. Противовесы

Рис. 6. Демпферы

Крутильные колебания валопровода.

Коленчатый вал с насаженными на нем массами при вращении совершает крутильные колебания, т. е. скручивается то в одну, то в другую сторону. Момент, выводящий коленчатый вал из состояния равновесия, принято называть возмущающим, а колебательные движения его — вынужденными.

Упругие колебания вала и насаженных на него масс, возникающие после прекращения действия возмущающих моментов, называют свободными. Они совершаются с определенной частотой (числом колебаний в секунду), называемой частотой свободных колебаний.

При изменении частоты возмущающего момента (с изменением угловой скорости коленчатого вала) изменяется и частота вынужденных колебаний системы. В случае совпадения частоты возмущающего момента с частотой свободных колебаний системы наступает резонанс. Частоту вращения, при которой наступает резонанс, называют критической. При работе на такой скорости возможны стуки во всех сочленениях деталей, вибрация дизеля на фундаменте и даже поломки вала.

Современные дизели проектируют с таким расчетом, чтобы критическая частота вращения их вала находилась за пределами рабочей скорости. При наличии зоны критической частоты вращения (на шкале тахометра она ограничивается красными линиями) работа дизеля в этой зоне запрещается. С изменением подачи топлива эту зону следует проходить быстро. Для поглощения энергии крутильных колебаний на коленчатых валах судовых дизелей устанавливают демпферы жидкостного или сухого трения. Демпфер жидкостного трения дизеля 6ЧРН 36/45 представляет собой кольцевую массу, свободно вращающуюся на бронзовых втулках 4 в корпусе, закрытом крышкой. Пространство а между корпусом, массой и крышкой заполняют селико-новой жидкостью. Во избежание ее утечек стык между корпусом и крышкой демпфера заливают эпоксидным клеем. Корпус демпфера несколькими болтами крепят к фланцу носовой части коленчатого вала. Масса демпфера вращается практически с постоянной частотой вращения, а корпус подвергается крутильным колебаниям вместе с валом и при вращении проскальзывает относительно массы. Энергия колебаний в этом случае затрачивается на преодоление трения между массой, корпусом и крышкой демпфера, что и приводит к уменьшению их амплитуды.

Демпфер сухого трения дизеля 6ЧРН 32/48, закрепленный на носовой части коленчатого вала, имеет два конических обода, с приклепанными к ним сегментами из фрикционного материала. Пружины 5 прижимают к сегментам две кольцевые массы. Натяжение пружин регулируют гайками 7. Ободы вращаются вместе с валом и при колебаниях скорости проскальзывают относительно кольцевых масс, вращающихся с постоянной угловой скоростью. Энергия колебаний в данном случае затрачивается на преодоление сил трения между сегментами и кольцевыми массами.


Читать далее:

Категория Судовые энергетические установки