книги из ГПНТБ / Болотин Ф.Ф. Динамика корабельных ДВС учеб. пособие

последовательно изменяющуюся избыточную или недостающую работу движущих суммарных касательных сил двигателя по от­ ношению к работе постоянных сил сопротивления, отнесенных

наибольшем запасе кинетической энергии связанных с валом движущихся масс и, следовательно, при наибольшем избытке работы движущих касательных сил, а минимальная скорость вращения вала - при наименьшем запасе кинетической энер­ гии движущихся масс и наибольшем недостатке работы движу­

(последняя сумма при правильном определении значения t cfi должна быть обязательно равна нулю).

Наибольший избыток работы движущих касательных сил двигателя, отнесенных к площади поршня, определяемся той из перечисленных последовательных алгебраических сумы, которая имеет наибольшее положительное значение X f mcn(l ,

90

а наибольший недостаток работы движущих касательных сил - суммой, имеющей наибольшее отрицательное значение Величина избыточной работы движущих сил при изменении ско­

инерции кривошипно-шатунных механизмов 0 О , приведенные моменты инерции вращающихся масс вспомогательных механиз­ мов, навешанных на двигатель и др. Поскольку обычно все составляющие, кроме первых, являются сравнительно малыми, то приближенно величину 8дЬможно определять как сумму эквивалентных моментов инерции кривошипно-шатунных меха­ низмов 80 . Для однорядных двигателей с нормальными криво­

91

Последнюю формулу можно приближенно применять и для оцен­ ки величины 80 двигателей с прицепным сочленением шатунов. Тогда в общем случае

приближенно по эмпирической формуле Гельда для тронковых двигателей:

-для судовых двигателей, работающих непосредствен­ но на гребной винт:

?= i

-для двигателей, работающих на генераторы постоян­

ного тока:

- для двигателей, работающих на генераторы перемен­ ного тока:

Для уменьшения степени неравномерности, превышающей указанные пределы, требуется увеличение момента инерции движущихся масс, связанных с валом установки.В установках

92

смалогабаритными или малоцидиндроьыми вспомогательными двигателями (дизель-генераторных и др.) это достигается

спомощью дополнительных маховиков, присоединяемых к ко­ ленчатому валу двигателя. Величина требуемого момента инерции маховика определяется исходя из заданной степени неравномерности q .

Вустановках главных судовых двигателей, включающих

обычно соединительные и разобщительные муфты, роторы ге­ нераторов или гребные винты с большими моментами инерции вращающихся масс, обычно специальные маховики не требуют­ ся.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите причины неравномерного вращения вала двигателя даже при совершенной регулировке топливоподачи

2.Что называется степенью неравномерности вращения

4.Как определить величину А и каков ее физический

смысл?

5.Из какого уравнения выводится формула для оценки величины q (каков физический смысл этого уравнения)?

6.Назовите допускаемые пределы величины q для ДВС раз­ личного назначения?

7.Какими мерами можно уменьшить величину q до допу­ стимых значений?

93

УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВС

ВНЕШНЯЯ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТЬ РЯДНОГО ДВИГАТЕЛЯ

§ 20. Понятие об уравновешенности двигателя

Во время работы двигателя в нем действуют переменные силы давления газов и силы инерции движущихся частей. Следствием действия этих сил является периодический опро­ кидывающий момент, передающийся через элементы крепления двигателя на корпусные конструкции корабля. Если инерцион­ ные силы взаимно не компенсируют друг друга в пределах двигателя, то результирующая сила или результирующий мо­ мент этих сил также передается на корпус кбрабдя.

Периодические усилия, передающиеся на корпус корабля, вызывают вибрацию последнего. Эта вибрация (так называе­ мый структурный шум) распространяется в другие помещения. Она ухудшает условия работы механизмов, приборов. При вибрации в конструкциях возникают знакопеременные напря­ жения. Амплитуды напряжений достигают особенно больших величин в случае резонанса, когда частота возмущающих переменных сил иди моментов совпадает с частотой свободных

94

лекторе и газоотводе, в деталях крепления и др. Вибрация корпуса увеличивает также акустическое поле

корабля. Для его уменьшения двигатели устанавливают на упругих амортизаторах. Последние предохраняют и сами дви­ гатели при сотрясениях корпуса. Большие вибрации аморти­ зированного двигателя могут привести к выходу из строя амортизаторов, а также связанных с двигателем трубопрово­ дов. Требования к уравновешенности амортизированного дви­ гателя еще выше.

Итак, переменные силы, передающиеся на фундамент, ока­ зывают немаловажное влияние на работу установки.

Двигатель считается уравновешенным, если во время уста­ новившегося режима работы через опоры на фундамент не передаются переменные по величине усилия. Таковы, напри­ мер, паровая и газовая турбины или электродвигатель. При установившемся режиме их работы на фундамент передаются постоянные усилия. Предполагается при этом, что ротор статически и динамически отбалансирован. Конечно, в слу­ чае плохой балансировки при работе и этих двигателей через опоры будут передаваться переменные по величине и направ­ лению центробежные силы и их моменты. Если же тщательной балансировкой ротора эти силы исключить, то фундамент испытывает только усилия опрокидывающего момента, равного крутящему моменту, который в указанных двигателях являет­ ся практически постоянным на рассматриваемом установившем­ ся режиме.

Двигатель считается неуравновешенным, если при устано­ вившемся режиме работы через его опоры передаются пере­ менные силы. Как было сказано выше, поршневые двигатели по своей природе являются неуравновешенными машинами, так как всегда имеющийся во время работы двигателя переменный опрокидывающий момент воспринимается и передается опора­ ми. При увеличении числа цилиндров амплитуда изменения

95

суммарного крутящего, а значит, и опрокидывающего момента уменьшается. Особенно она мала в звездообразных двигате­ лях с большим числом цилиндров. Таким образом, полностью уравновешенным поршневой двигатель быть не может, так как уже одна неизбежная неравномерность крутящего момента является причиной переменных периодических усилий, пере­ даваемых на фундамент.

Другая причина неуравновешенности поршневого двигателявозникновение при движении деталей кривошипно-шатунного механизма сил инерции, которые в одноцилиндровом двигате­ ле, как было показано выше, передаются на фундамент. В многоцилиндровом двигателе силы инерции масс кривошипно­ шатунных механизмов отдельных цилиндров могут вызвать появление неуравновешенных периодически изменяющихся ре­ зультирующих сил и моментов. При удачно выбранных кон­ структивных элементах двигателя силы инерции отдельных цилиндров в любой момент времени взаимно компенсируют друг друга, так что результирующие сил и моментов оказы­ ваются равными нулю. В этом случае говорят об уравновешен­ ности двигателя по силам инерции и их моментам (т.е. об уравновешенности в узком смысле, так как поршневые двига­ тели, как уже было сказано выше, не могут быть полностью уравновешенными в широком смысле).

Если оказывается, что за счет рационального выбора конструктивных элементов двигателя не удается добиться равентсва нулю результирующей сил или результирующей мо­ ментов сил инерции, иди того и другого, то двигатель ока­ зывается неуравновешенным. В этом случае может возникнуть необходимость в уравновешивании двигателя при помощи спе­ циальных устройств.

Прежде чем уравновешивать двигатель, необходимо опреде­ лить его внешнюю неуравновешенность, т.е. величину, закон изменения и направление действия указанных результирующих сил инерции и их J ^ментов.

сб

Определение результирующих центробежных сил инерции и их моментов не вызывает затруднений, так как центробежные силы одинаковы для всех цилиндров по величине и направле­ ны по соответствующим кривошипам.

Сила инерции Pj поступательно движущихся масс КШМ, как было показано в главе 2, с большой точностью представляет­ ся в виде суммы двух сил: силы инерции ПДМ перво,гс поряд­

гичный методу определения результирующих сил инерции ВМ и их моментов.

Далее будем считать, что КШМ всех цилиндров являются идентичными: поршни имеют одинаковый вес, а шатуны, кроме того, имеют и одинаковое расположение центра тяжести. Предполагается также постоянство угловой скорости оо ко­ ленчатого вала.

При рассмотрении действия сил в КШМ одноцилиндрового двигателя мы установили, что внешнее действие силы инер­ ции ПДМ сводится к следующему.

1. Переменная сила инерции ПДМ направлена по оси цилин­ дра. Составляющая Р,-г этой силы стремится оторвать двига­ тель от фундамента и прижать его к фундаменту один раз за один оборот коленчатого вала. Составляющая Pjs оказывает такое же действие, но с удвоенной частотой.

2. Сила инерции ПДМ создает переменный крутящий момент, приложенный к коленчатому валу, и равный ему опрокидываю­ щий момент, передающийся на опоры. Средняя величина этих моментов равна нулю. Опрокидывающий момент от силы инер­ ции ПДМ складывается с опрокидывающим моментом от силы давления газов. Суммарный опрокидывающий момент обусловли­ вает действие переменных сил на фундамент, которые не мо­ гут быть уравновешены и далее не рассматриваются.

97

3. Вертикальная составляющая центробежной силы инерции вращающихся масс

1^ у = COSC*

оказывает такое же действие, как сила инерции ПДМ, нахо­ дится в фазе и суммируется с этой силой.

Горизонтальная составляющая центробежной силы инерции РЯ Х = Р К s u m

стремится сдвинуть двигатель в горизонтальной плоскости в направлении, перпендикулярном оси вращения коленчатого

т.е. по фиктивному кривошипу, двигающемуся с удвоенной угловой скоростью (или по кривошипу схемы 2-го порядка).

*Положительное направление силы инерции ПДМ примем здесь от оси вращения зала.

98

§21. Внешнее действие сил инерции в многоцилиндровом рядном двигателе

При рассмотрении внешней неуравновешенности двигатель рассматривается как абсолютно твердое тело. Силы инерции, действующие во время работы двигателя в каждом цилиндре, образуют три системы сил;

-центробежные силы инерции вращающихся масс;

-силы инерции ПДМ 1-го порядка;

-силы инерции ПДМ 2-го порядка.

Каждая из этих совокупностей сил, как известно из тео­ ретической механики, может быть заменена главным вектором и главным моментом, т.е. силой и парой. Величины главных векторов (результирующих сил) не зависят от выбора точки приведения, а величины главных моментов (результирующих

Рис. 6.2. К выбору центра приведения сил инерции

99