4) Эксплуатационные характеристики тепловозных дизелей при работе на установившихся режимах.

Ответ- Характеристикой двигателя называется аналитическая или графическая зависимость его показателей от одного из независимых показателей (независимых переменных). С помощью характеристик устанавливаются функциональные связи между основными параметрами двигателей и факторами, которые влияют на их эксплуатацию. К основным характеристикам двигателей относятся скоростные и нагрузочные. В скоростных характеристиках независимой переменной является частота вращения двигателя n, в нагрузочных — эффективная мощность Ne, среднее эффективное давление рe и вращающий момент М. Условия протекания рабочего процесса, характеризующиеся совокупностью его основных показателей, называются режимом работы двигателя. Различают установившиеся и неустановившиеся режимы работы.

На установившихся режимах основные показатели рабочего процесса двигателя считаются постоянными и не зависят от времени.

На неустановившихся режимах частота вращения и другие показатели двигателя изменяются во времени, что обусловлено в основном изменением внешней нагрузки двигателя. Неустановившиеся режимы являются переходными от одних установившихся режимов к другим и охватывают такие важные для эксплуатации режимы, как пуск, реверс, остановка, работа при прогреве и переходе с одного установившегося режима на другой.

Характеристики двигателей могут быть получены расчетным путем или экспериментально. Большую достоверность имеют характеристики двигателей, полученные экспериментально. Для этого двигатели проходят специальные испытания на заводских стендах: в широком интервале изменения частоты вращения изменяется их мощность (скоростные характеристики) или при постоянной частоте вращения изменяется нагрузка (нагрузочные характеристики). Основными энергетическими и экономическими показателями эксплуатационных характеристик работы судового дизеля являются величины Ne, Me, pe, ge, которые зависят от одних и тех же параметров рабочего цикла ηн, α, γг, ηi, ηm, n.

Под скоростными характеристиками понимают зависимость основных параметров Ne, Ni, ge и др. рабочего процесса дизеля от чатоты врщения n.

Под нагрузочными характеристиками понимают зависимость основных параметров рабочего процесса дизеля от нагрузки pe при постоянной частоте вращения n.

Характеристики позволяют оценивать изменение важнейших параметров рабочего процесса дизеля по частоте вращения или нагрузке, технико-эксплуатационные показатели, перспективность дизелей и их техническое состояние, сравнивать между собой судовые дизели различных типов и марок. Характеристики главного двигателя являются основой для определения тяговых характеристик судна и его скорости, а также гидродинамических характеристик гребного винта. Характеристики используют также при изучении качественных изменений показателей дизелей в процессе эксплуатации и в технической диагностике износов деталей и отложений в газовоздушном-тракте.

5) Силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме дизеля с V-образным расположением цилиндров

Ответ- При работе двигателя в КШМ каждого цилиндра действуют силы: давления газов на поршень Р, массы поступательно-движущихся частей КШМ G, инерции поступательно-движущихся частей Pи и трения в КШМ Рт. Силы трения не поддаются точному расчету; их считают включенными в сопротивление гребного винта и не принимают во внимание. Следовательно, в общем случае на поршень действует движущая сила Pд = Р + G + Pи.

Силы, отнесенные к 1 м2 площади поршня,

Движущее усилие Рд приложено к центру поршневого пальца (пальца крейцкопфа) и направлено вдоль оси цилиндра (рис. 216). На пальце поршня Pд раскладывается на составляющие: Рн — нормальное давление, действующее перпендикулярно к оси цилиндра и прижимающее поршень к втулке; Рш— усилие, действующее вдоль оси шатуна и передаваемое на ось шейки кривошипа, где оно в свою очередь раскладывается на составляющие Рτ и РR (рис. 216). Усилие Рτ действует перпендикулярно к кривошипу, вызывает его вращение и называется касательным. Усилие РR действует вдоль кривошипа и называется радиальным. Из геометрических соотношений имеем:

Численное значение и знак тригонометрических величин

для двигателей с различными постоянными КШМ λ =R / L можно принять по данным.

Величину и знак Рд определяют из диаграммы движущих сил, представляющей графическое изображение закона изменения движущей силы за один оборот коленчатого вала для двухтактных двигателей и за два оборота для четырехтактных в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Чтобы получить значение движущей силы, необходимо предварительно построить следующие три диаграммы. Диаграмма изменения давления р в цилиндре в зависимости от угла поворота кривошипа φ. По данным расчета рабочего процесса двигателя строят теоретическую индикаторную диаграмму, по которой определяют давление в цилиндре р в зависимости от его объема V. Для того, чтобы перестроить индикаторную диаграмму из координат рV в координаты р—φ (давление — угол поворота вала), линии в. м. т. и н. м. т. следует продлить вниз и провести прямую АВ, параллельную оси V (рис. 217). Отрезок АВ делится точкой О пополам и из этой точки радиусом АО описывается окружность. От центра окружности точки О в сторону н. м. т. откладывают отрезок OO' = 1 / 2 R2 / L поправка Брикса. Так как

Значение постоянной КШМ λ = R / L принимают по опытным данным. Чтобы получить величину поправки OO', в масштабе диаграммы в формулу OO' = 1 / 2 λR вместо R подставляют значение отрезка АО. Из точки О', которая называется полюсом Брикса, описывают произвольным радиусом вторую окружность и делят ее на любое число равных частей (обычно через каждые 15°). Из полюса Брикса О' через точки деления проводят лучи. Из точек пересечения лучей с окружностью радиусом АО проводят вверх прямые, параллельные оси р. Затем на свободном месте чертежа строят с помощью измерителя координаты давления газов р — угол поворота кривошипа φ°; принимая за начало отсчета линию атмосферного давления, снимают с диаграммы р—V значения ординат процессов наполнения и расширения для углов 0°, 15°, 30°, …, 180° и 360°, 375°, 390°, ..., 540°, переносят их в координаты для этих же углов и соединяют полученные точки плавной кривой. Аналогично строят участки сжатия и выпуска, но в этом случае поправку Брикса ОО' откладывают на отрезке АВ в сторону в. м. т. В результате указанных построений получают развернутую индикаторную диаграмму (рис. 218, а), по которой можно определить давление газов р на поршень для любого угла φ поворота кривошипа. Масштаб давлений развернутой диаграммы будет такой же, как и на диаграмме в координатах р—V. При построении диаграммы p = f(φ) силы, способствующие движению поршня, считаются положительными, а силы, препятствующие этому движению,— отрицательными. Диаграмма сил массы возвратно-поступательно-движущихся частей КШМ. В тронковых двигателях внутреннего сгорания масса поступательно-движущихся частей включает массу поршня и часть массы шатуна. В крейцкопфных дополнительно входят массы штока и ползуна. Массу частей можно подсчитать, если имеются чертежи с размерами этих деталей. Часть массы шатуна, совершающая возвратно-поступательное движение, G1 = Gш l1 / l, где Gш— масса шатуна, кг; l — длина шатуна, м; l1 — расстояние от центра тяжести шатуна до оси кривошипной шейки, м:

Для предварительных расчетов удельные значения массы поступательно-движущихся частей могут быть приняты: 1) для тронковых быстроходных четырехтактных двигателей 300—800 кг/м2 и тихоходных 1000—3000 кг/м2; 2) для тронковых быстроходных двухтактных двигателей 400—1000 кг/м2 и тихоходных 1000— 2500 кг/м2; 3) для крейцкопфных быстроходных четырехтактных двигателей 3500—5000 кг/м2 и тихоходных 5000—8000 кг/м2; для крейцкопфных быстроходных двухтактных двигателей 2000—3000 кг/м2 и тихоходных 9000—10 000 кг/м2. Так как величина массы поступательно-движущихся частей КШМ и их направление не зависят от угла поворота кривошипа φ, то диаграмма сил массы будет иметь вид, показанный на рис. 218, б. Строится эта диаграмма в том же масштабе, что и предыдущая. На тех участках диаграммы, где сила массы способствует движению поршня, она считается положительной, а там, где препятствует,— отрицательной. Диаграмма сил инерции поступательно-движущихся частей. Известно, что сила инерции поступательно-движущегося тела Ри =Gaн (G — масса тела, кг; а — ускорение, м/сек2). Масса поступательно-движущихся частей КШМ, отнесенная к 1 м2 площади поршня, m = G / F. Ускорение движения этой массы определяют по формуле (172). Таким образом, сила инерции поступательно-движущихся частей КШМ, отнесенная к 1 м2 площади поршня, может быть определена для любого угла поворота кривошипа по формуле

Силы инерции можно определить также графическим методом. Для этого берут отрезок АВ, длина которого соответствует ходу поршня в масштабе оси абсцисс (рис. 219) развернутой индикаторной диаграммы. От точки А вниз по перпендикуляру откладывают в масштабе ординат индикаторной диаграммы отрезок АС, выражающий силу инерции поступательно-движущихся частей в в. м. т. (φ = 0), равную Pи(в. м. т) = G / F Rω2 (1 + λ). В том же масштабе от точки В откладывают отрезок ВД — силу инерции в н. м. т. (φ = 180°), равную Ри(н.м.т) = — G / F Rω2 (1 - λ). Точки С и Д соединяют прямой. От точки пересечения СД и АВ откладывают в масштабе ординат отрезок ЕК, равный 3λ G/А Rω2. Точку К соединяют прямыми с точками С и Д, и полученные отрезки КС и КД делят на одинаковое число равных частей, но не менее чем на пять. Точки деления нумеруют в одном направлении и одноименные соединяют прямыми 1—1, 2—2, 3—3 и т. д. Через точки С и Д и точки пересечения прямых, соединяющих одинаковые номера, проводят плавную кривую, выражающую закон изменения сил инерции при нисходящем движении поршня. Для участка, соответствующего движению поршня к в. м. т., кривая сил инерции будет зеркальным отображением построенной. Диаграмма движущих сил Pд= f (φ) строится путем алгебраического суммирования ординат соответствующих углов диаграмм

При суммировании ординат этих трех диаграмм сохраняется указанное выше правило знаков. По диаграмме Рд= f (φ) молено определить движущее усилие, отнесенное к 1 м2 площади поршня для любого угла поворота кривошипа. Сила, действующая на 1 м2 площади поршня, будет равна соответствующей ординате на диаграмме движущих усилий, умноженной на масштаб ординат. Полная сила, движущая поршень,

где рд— движущая сила, отнесенная к 1 м2 площади поршня, н/м2; D — диаметр цилиндра, м.

По формулам (173) с использованием диаграммы движущих сил можно определить значения нормального давления рн силы Рш, касательной силы Рτ и радиальной силы PR при различных положениях кривошипа. Графическое выражение закона изменения силы Рτ в зависимости от угла φ поворота кривошипа называется диаграммой касательных сил. Расчет значений Рτ для разных φ производится с использованием диаграммы Pд= f:(φ) и по формуле (173).

По данным расчета строят диаграмму касательных сил для одного цилиндра двухтактного (рис. 220, а) и четырехтактного двигателей (рис. 220,6). Положительные значения откладывают вверх от оси абсцисс, отрицательные — вниз. Касательная сила считается положительной, если она направлена в сторону вращения коленчатого вала, и отрицательной, если она направлена против вращения коленчатого вала. Площадь диаграммы Рτ= f (φ) выражает в определенном масштабе работу касательной силы за один цикл. Касательные усилия для любого угла φ поворота вала можно определить следующим простым способом. Описывают две окружности — одну радиусом кривошипа R и вторую вспомогательную — радиусом λR (рис. 221). Проводят для данного угла φ радиус ОА и продлевают его до пересечения со вспомогательной окружностью в точке В. Строят ΔВОС, у которого ВС будет параллельна оси цилиндра, а СО — параллельна оси шатуна (для. данного φ). От точки А откладывают в выбранном масштабе величину движущего усилия Рд для данного φ; тогда отрезок ЕD, проведенный перпендикулярно к оси цилиндра до пересечения с прямой AD, параллельной СО, и будет искомым Рτ для выбранного φ.

Изменение касательной силы ΣРτ двигателя можно представить в виде суммарной диаграммы касательных сил ΣРτ= f (φ). Для ее построения необходимо столько диаграмм Рτ = f (φ), сколько цилиндров имеет двигатель, но сдвинутых одна относительно другой на угол φвсп поворота кривошипа между двумя последующими вспышками (рис. 222, а—в). Алгебраически сложив ординаты всех диаграмм при соответствующих углах, получают для различных положений кривошипа суммарные ординаты. Соединив их концы, по­лучают диаграмму ΣPτ = f (φ). Диаграмма суммарных касательных усилий для двухцилиндрового двухтактного двигателя показана на рис. 222, в. Аналогичным образом строят диаграмму и для многоцилиндрового четырехтактного двигателя.

Диаграмму ΣРτ = f (φ) можно построить также аналитическим путем, располагая только одной диаграммой касательных усилий для одного цилиндра. Для этого необходимо разбить диаграмму Рτ = f (φ) на участки через каждые φвсп градусов. Каждый участок разделяют на одинаковое число равных отрезков и нумеруют, рис. 223 (для четырехтактного z = 4). Ординаты кривой Рτ = f (φ), соответствующие одним и тем же номерам точек, алгебраически суммируют, в результате чего получают ординаты суммарной кривой касательных усилий.

На диаграмму ΣРτ = f (φ) наносят среднюю величину касательной силы Рτ cp. Для определения средней ординаты Рτ cp суммарной диаграммы касательных сил в масштабе чертежа необходимо площадь между кривой и осью абсцисс на участке длиной φвсп поделить на длину этого участка диаграммы. Если кривая суммарной диаграммы касательных сил пересекает ось абсцисс, то для определения Рτ ср нужно алгебраическую сумму площади между кривой и осью абсцисс разделить на длину участка диаграммы. Отложив на диаграмме величину Рτ ср вверх от оси абсцисс, получают новую ось. Участки между кривой и этой осью, расположенные над линией Рτ , выражают положительную работу, а под осью — отрицательную. Между Рτ ср и силой сопротивления приводимого в действие агрегата должно существовать равенство. Можно установить зависимость Рτ ср от среднего индикаторного давления рi: для двухтактного двигателя Рτ cp = pi z /π и для четырехтактного двигателя Pτ cp = pi z /2π (z – число цилиндров). По Pτ cp определяют средний крутящий момент на валу двигателя

где D — диаметр цилиндра, м; R — радиус кривошипа, м.