книги из ГПНТБ / Ливенцев, Ф. Л. Двигатели со сложными кинематическими схемами. Кинематика, динамика и уравновешивание

по 22,5°, соответствующих числу вспышек за один оборот колен­

•кривошипов позволяет осуществить уравновешивание его инерци­ онных сил и моментов при помощи двух противовесов по методу Шлика [1]. Характерной особенностью кривошипно-шатунного

20

механизма двигателей этого типа является центральное сцепление нижних головок шатунов с шатунными шейками, при котором на долю каждой нижней головки шатуна приходится менее одной четверти окружности шатунной шейки, как это показано на схеме одной секции кривошипно-шатунного механизма двигателя (рис. 6). На шейках кривошипов подшипники нижних головок шатунов удерживаются двумя разъемными обоймами 3, которые устанав­ ливаются с торцов соединения и крепятся жестко к нижней го­ ловке одного из шатунов. Вследствие двухтактного цикла и зна­ чительного давления наддува подшипники нижних головок ша­ тунов во время работы двигателя всегда прижаты к шатунным шейкам. Переднее поле опорной поверхности каждого шатунного подшипника имеет длину /2, которая меньше длины Іх заднего поля, благодаря чему более полно используется гидродинамиче­ ский эффект их жидкостной смазки. Вследствие асимметричной заклинки кривошипов двигатель имеет неуравновешенные цен­ тробежные силы и силы первого порядка и их моменты, которые уравновешены противовесами. Силы второго порядка уравнове­ шиваются взаимно в каждой секции кривошипно-шатунного ме­ ханизма.

7. Кривошипно-шатунный механизм радиальных двухтактных двигателей «Нордберг»

На рис. 7 представлен вертикальный разрез радиального дви­ гателя этой системы с вертикальным валом с рычажным синхро­ низирующим механизмом [10].

Двигатели этой системы первых моделей в одиннадцати рабо­ чих цилиндрах имели мощность 1325 кВт при частоте вращения коленчатого вала п = 350 ч-400 об/мин. Последняя модель — RTS-1412 в двенадцати рабочих цилиндрах развивает мощность 1560 кВт при частоте вращения /г = 400 об/мин. Все выпускае­ мые двигатели спроектированы так, что они могут работать на жидком, газообразном и смешанном топливе (по газожидкост­ ному циклу). Все модификации двигателей осуществляются при минимальных изменениях в их конструкции. Двигатели могут приводить в действие электрогенераторы, вертикальные насосы большой производительности для оросительных систем, газовые центробежные нагнетатели компрессорных станций газопроводов, судовые движители «Фойт— Шнейдер» и др. Они работают по двухтактному циклу с петлевой продувкой и допускают приме­ нение газотурбинного наддува [12].-

Большое число этих машин используется .на мощных электро­ станциях (мощность одной из станций до 350 000 кВт), обслужи­ вающих алюминиевые заводы Американской алюминиевой ком­ пании в штате Техас [11 ]. Двигатели компактны, имеют жесткую конструкцию, малый удельный вес (—15 кг/кВт), требуют малой площади для их установки (диаметр по следу сварной фундаментной

21

i

22

рамы 3,66 м), имеют малую собственную высоту ~ 2 ,8 м, об­ щую наибольшую высоту с фундаментной рамой и встроенными в нее генератором и приводными механизмами (насосы охлажде­ ния и циркуляционной смазки и привод механического нагнета­ теля) 6,23 м, высоту до площадки обслуживания рабочих цилин­ дров 3,55 м, наибольший диаметр по головкам пусковых клапа­ нов 4,5 м. Двигатели удобны в обслуживании.

Рис. 8. Кинематическая схема кривошипно-шатуниого механизма радиального двигателя «Нордберг» для шести рабочих цилиндров

На рис. 8 в целях упрощения показана кинематическая схема кривошипно-шатунного механизма для двигателя с шестью рабо­ чими цилиндрами /—VI. Он состоит из одного колена коленча­ того вала с вертикальной осью вращения О. Центр 0' шатунной шейки 2 описывает окружность 5 радиусом R. На шатунную шейку 2 насажена неразрезная обойма 1, в щеках которой имеются цилиндрические гнезда I'—VI' для установки подшипников паль­ цев нижних головок шатунов. Центр 0' обоймы I и центры всех пальцев нижних головок шатунов (/'— VI') вращаются относи­ тельно центров О и Ох—Ов, т. е. конгруэнтно окружности 3. Центры Ох—06 есть точки пересечения окружности 4 с осями / — VI рабочих цилиндров. Следовательно, движение обоймы /

23

является поступательным, т. е. она не имеет вращения .относи­ тельно центра О, что достигается введением в схему кривошипно­ шатунного механизма специальных синхронизирующих устройств двух типов, из которых одно (планетарное) допускает возможность компоновки двигателей с четным и нечетным числами цилиндров, а второе (рычажное) годно только для двигателей с четным числом

Пользуясь схемой на рис. 8, определим перемещение s поршня первого рабочего цилиндра при повороте кривошипа на угол а

Это выражение не отличается от такового для пути поршня обычного кривошипно-шатунного механизма, поэтому пути s, скорости V и ускорения j рабочих поршйей рассматриваемого двигателя могут определяться по обычным формулам.

Так как все рабочие цилиндры двигателя должны работать при каждом обороте коленчатого вала, угол между вспышками будет равен 360 : і, где і — число рабочих цилиндров. Взаимное расположение рабочих поршней в значительной степени нейтра­ лизует пики от давлений газов в рабочих цилиндрах, поэтому результирующие нагрузки на шейки коленчатого вала имеют меньшие амплитуды колебаний, чем у обычных рядных двигателей.

Эта особенность кривошипно-шатунного механизма двигателя вместе с малым числом подшипников коленчатого вала (два ко­ ренных и один шатунный вместо 13 коренных и 12 шатунных у ряд­ ного 1 или семь коренных и шесть шатунных у Ѵ-образного двига­ телей) уменьшают потери на трение и улучшают его механический к. п. д. В этих двигателях просто решается также и проблема крутильных колебаний, так как жесткий коленчатый вал обеспе­ чивает двигателю очень высокую частоту собственных свободных колебаний. Опасное действие большинства первых гармонических составляющих крутящего момента, характерное для обычных ряд­ ных двигателей, в рассматриваемой машине исключено благодаря тому, что все рабочие поршни действуют на один кривошип и, следовательно, могут рассматриваться .только возмущающие мо­ менты от 11, 22, 33-й и т. д. гармонических составляющих у один­ надцатицилиндровых и от 12, 24, 36-й ит. д. гармонических состав­ ляющих у двенадцатицилиндровых машин. Однако из этих воз­ мущающих моментов только 11 и 12-я гармоники представляют собой заметные величины, которые у обычных рядных двигателей не учитываются. На невозможность развития крутильных коле-1

1 При этом не учитываются потери на трение в 12 подшипниках обоймы, так как они малы по сравнению с потерями в обычных шатунных подшипниках.

24

баний на всех рабочих диапазонах чисел оборотов особо благо­ приятное влияние оказывает короткий и жесткий коленчатый вал. В модификациях силовых агрегатов с длинными промежуточ­ ными валами между собственно двигателями и приводными ме­ ханизмами возникновение первой формы крутильных колебаний возможно, но запретная зона чисел оборотов будет значительно меньшей, чем у обычных рядных двигателей.

Для рассматриваемого двигателя фирма «Нордберг» приме­ няет два вида оригинальных кривошипно-шатунных механизма.У

Рис. 9. Схема планетарного синхронизирующего механизма двига­ теля «Нордберг»

У обоих видов механизмов все шатуны прицепные, одинаковой конструкции, но у одного из них обойма нижних головок шатунов удерживается от проворачивания на шейке кривошипа при помощи планетарного синхронизирующего механизма; у второго вида — рычажного—.обойма удерживается от поворачивания двумя шатунами диаметрально-противоположных рабочих цилиндров. Оба вида синхронизирующих механизмов обеспечивают обойме поступательное движение. Рассмотрим планетарный синхрони­ зирующий механизм, схема которого представлена на рис. 9 и 10. Неподвижная шестерня 3, жестко связанная с корпусом двигателя, имеет окружность зацепления радиуса г3. Обкатываю­ щая ее сателлитная шестерня 4 имеет окружность радиуса г4. Жестко связанная с шестерней 4, вторая сателлитная шестерня 2 имеет окружность радиуса г2. Шестерня 1, принадлежащая обойме главного шатунного подшипника, имеет окружность радиуса гх. Сателлитные шестерни 4 и 2 вместе с соединяющим их валом вмон-

25

тированы в противовес верхней шеки кривошипа. Если передаточ­ ные отношения между шестерням 1 и 2, с одной стороны, и шесстерням 3 и 4, с другой стороны, будут одинаковыми, то при вра­ щении коленчатого вала шестерня 1, а вместе с ней и обойма 1 подшипников нижних головок шатунов, перемещаясь в плоскости кривошипно-шатунного механизма, не будут вращаться относи-

Рнс. 10. Расчетные схемы кривошипно-шатунного механизма дви­ гателя «Нордберг»: а — для 0 = 0 ; б — для 0 =f=0

тельно их оси О'. Это может быть достигнуто, следовательно, при соблюдении следующих условий;

где R = 5/2 и k — коэффициент, который может быть принят равным 2,0—2,5.

Задаваясь значением /г, диаметром окружности зацепления одной из шестерен планетарного механизма и зная величину R, можно определить диаметры зацепления остальных шестерен механизма, которые удовлетворяли бы условиям (15) и (16), .по формуле

26

Определим dx—dA, пользуясь равенствами (16) п (17). Из вы­

27

+180 + 350 = 980 Равенство передаточных отношений шестерен планетарного

механизма попарно и их межцентровые расстояния могут быть обеспечены и при других соотношениях его элементов. У выпол­ ненных двигателей осуществлены следующие передаточные от­ ношения в зубчатых парах: гх : z2 = 96 : 42 = 16 : 7 и z3 : z4 = = 64 : 28 = 16 : 7.

Шестерни синхронизирующего механизма могут быть' сцеп­ лены между собой так, что верхние мертвые точки нижних голо­ вок шатунов будут совпадать с мертвыми точками кривошипа при совмещениях его радиуса R с осями соответствующих рабо­ чих цилиндров, как это показано на левой схеме рис. 10, на ко­ торой палец нижней головки шатуна цилиндра III и радиус R кривошипа лежат иа оси этого цилиндра.

Как показывает силовой, расчет этого двигателя, введение угла запаздывания Ѳ при взаимном сцеплении шестерен синхро­

Рассмотрим силы, возникающие в кривошипно-шатунном ме­ ханизме от действия одного рабочего поршня при сцеплении ме­ ханизма с углом запаздывания ѲSs 0°. Действие сил от криво­ шипно-шатунных механизмов других поршней легко учесть пу­ тем смещения их фаз на угол между вспышками, что достигается простым сдвигом одноименных фаз в графах расчетной таблицы.

Результирующая сила Ра = Рга — Pja, действующая на па­ лец верхней головки шатуна и определяемая при помощи совме­ щенной диаграммы на рис. 11 (индикаторной — Брикса—Толле), может быть разложена на две силы: нормальную Рпа— действую­ щую через поршень на стенку гильзы (втулки) рабочего цилиндра, и Дшаі действующую вдоль шатуна, которые определяются по формулам:

где угол ß' будет меньше.угла ß, который отвечает условию вклю­ чения механизма при Ѳ= 0°, на величину Aßx, значение которой может быть найдено с достаточной для практической цели точ­ ностью из условия

28 -

Угол ß определяется при помощи вспомогательных таблиц, приводимых в курсах конструирования и расчета ДВС по вели-

D

Рис. 11. Совмещенная диаграмма индикаторная — Брикса — Толле

нижних головок шатунов в направлении ее действия, т. е. в сто­ рону вращения коленчатого вала, и Рга — действующую вдоль радиуса г. Эти силы определяются по формулам:

В точке 0' сила Рга может быть разложена на две силы: ка­ сательную Р(а к окружности радиуса R lt которая при умножении на радиус R дает крутящий момент, создаваемый кривошипношатунным механизмом рассматриваемого рабочего цилиндра,

29