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

L- длина судна, м;

с- эмпирический коэффициент (с = 3,44*10в-

для судов с острыми образованиями кор­ пуса, с = 3 , 1 4 - Ю 6- для больших транс­ атлантических судов, с = 2 , 8 - Ю 6 - для коммерческих судов с полными очертани­

Н - высота борта, м.

Колебания корпуса второго тона ориентировочно можно найти по так называемой стандартной таблице [II].

170

Неприятность общей вибрации корпуса, даже если она и незначительна, в том, что эта вибрация может сопровож­ даться сильными резонансами отдельных конструкций (трубо­ проводов, дверей, отдельных механизмов и т.д.) и нарушать их надежную работу.

Величина вибраций корпуса, вызванных неуравновешен­ ностью двигателя, зависит от места установки двигателя. При неуравновешенной силе наибольшие колебания возбужда­ ются, если двигатель установлен на месте пучности. Если же такой двигатель установлен в районе узла, то он не способен возбудить колебаний данной формы (рис. 8.9). Противоположная картина будет в случае установки двигате­ ля с неуравновешенным моментом: сильные вибрации он будет возбуждать, находясь в районе узла, но окажет весьма сла­ бое воздействие на корпус, находясь в районе пучности.

При установке двигателя на амортизаторах воздействие двигателя на корпус значительно уменьшается и последний можно считать как жесткий, рассматривая систему "двига- тель-амортизаторы-жесткий корпус". Б этом случае следст­ вием неуравновешенности могут быть сильные вибрации само­ го двигателя.

Не следует забывать, что полностью уравновешенный по силам инерции и моментам от этих сил двигатель является источником вибраций благодаря периодичности опрокидываю­ щего момента. Хотя амплитуда его гармонических составляю­ щих не велика, но при резонансе возможны достаточно силь­ ные вибрации двигателя, в особенности при установке дви­ гателя на амортизаторах.

Приведенных примеров достаточно, чтобы показать услов­ ность применяемых критериев для оценки величины яеуравно-

При амортизирующем креплении двигателя на фундамент передается часть возмущающей силы, определяемой так называемым коэффициентом передачи. Чем он меньше, тем лучше эффект амортизации.

171

вешенности. Ряд авторов (Б.С.Стечкин, В . Я . Климов, Н.Р.Бриллинг, И.А.Лурье, О.К.Найденко) рекомендуют в ка­ честве такого критерия амплитуду Xv » с которой вибриро­ вал бы двигатель в среде без сопротивлений под действием неуравновешенных сил или моментов, будучи свободно под­ вешенным в центре тяжести бесконечно податливыми нитями.

При действии неуравновешенной силы v -го порядка с амплитудой Pv

критерий, предложенный А.М.Кацем, который учитывает сов­ местное действие неуравновешенных сил и моментов сил инер­ ции и представлен в безразмерном виде [2].

В последнее время ЦНИИ им.А.Н.Крылова предложил наибо­ лее удачный критерий для оценки величины неуравновешен­ ности. Согласно этому предложению неуравновешенная сила Pv должна быть менее 10# от веса двигателя Gab , а неурав­

новешенный момент M v - 2# от величины момента, получаемо-

172

го умножением веса двигателя на половину его длины:

Анализ эксплуатации корабельных двигателей показывает относительность указанных критериев. Например, двигатель _ 44 13/18 имеет х5 = 0,126 < 0,15, однако никакими мерами не удалось избежать появления усталостных трещин в корпу­ сных конструкциях из-за вибрации обшивки. Двигатель 37Д, наоборот, имеет xf = 0,319 > 0,15, но в корпусных кон­ струкциях поломок не было. Лучше всего с опытом эксплуата­ ции согласуется критерий ЦНИИ им.А.Н.Крылова, который и рекомендуется для использования. Так, для упомянутого случая двигателя 44 13/18 этот критерий

Ь‘ >у м •

Взаключение еще раз подчеркнем условность всех указан­

ных критериев. Как указывалось, в большинстве случаев ре­ шающее значение для надежной работы установки имеет не амплитуда неуравновешенной силы или момента, а близость частоты их изменения к частоте свободных колебаний кон­ струкции. В некоторых случаях лимитирующим фактором надеж­ ности является не внешняя, а так называемая внутренняя неуравновешенность, понятие о которой дается в следующем параграфе.

§29. Понятие о внутренней неуравновешенности

Впредыдущих параграфах определялась внешняя неуравно­ вешенность двигателя от сил инерции и их моментов. Двига­ тель при этом считался абсолютно твердым и передавал лишь возникающие неуравновешенные силы и моменты на фунда­ мент, не деформируясь,испытывая равные и противоположные реакции со стороны фундамента.

173

моменты от инерционных сил уменьшились при этом в несколь­ ко раз.

Рассмотрим, например, внутреннюю неуравновешенность 4— цилиндрового четырехтактного двигателя от сил инерции ЛДМ 1-го порядка. Эти силы, как известно, в таком двига­ теле внешне уравновешены. Внешне уравновешены и моменты

от этих сил. Изооразим силы инерции ПДМ в положении колен­ чатого вала, когда все кривошипы, заклиненные под углом 180° друг к другу, находятся в вертикальной плоскости (.рис. 8.II,а). Считая, что вал разрезной и каждая сила

±75

инерции передается на остов только через смежные опоры поровну, получим следующую схему действия на остов сил инерции ПДМ 1-го порядка (рис. 8.11,6). Эти силы внешне уравновешены, т.е. не вызывают появления реакций на лапах двигателя со стороны фундамента. Однако они вызывают в поперечных сечениях остова срезывающие силы, изгибающие моменты и соответствующие напряжения. Наиболее нагружен­ ным является сечение у средней опоры. Так как силы пере­ менны, то и напряжения носят циклический характер, т.е. остов работает "на усталость". Аналогично действуют силы инерции ПДМ 2-го порядка, но с удвоенной частотой. Изги­ бающие моменты от центробежных сил инерции вызывают изгиб остова не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. Профессор А.М.Кац предложил оригинальный гра­ фический способ расчета изгибающих моментов [7].

Внутренняя неуравновешенность приобретает особое зна­ чение при установке двигателя на амортизаторы, когда об­ легчается деформация остова под действием инерционных сил. При установке двигателя непосредственно на очень жесткий фундамент деформации остова ограничены и поэтому фундамент разгружает остов двигателя от напряжений, вы­ званных действием инерционных сил.

Выше отмечалось, что в многооборотяых двигателях иногда устанавливают противовесы на каждом кривошипе для раз­ грузки коренных подшипников от центробежных сил инерции (§ 27, рис. 8.3). Ясно, что центробежные силы, будучи уравновешенными в пределах каждого цилиндра, не создают внутренней неуравновешенности.

Иногда возникает необходимость разгрузки не всех, а одного, наиболее напряженного подшипника. Так, в двигате­ ле М-303, например, особенно нагружен средний коренной подшипник, так как соседние 3 и Ч-й кривошипы совмещены. Для разгрузки его от центробежных сил установлены проти-

176

вовесы А (рис. 8.12). Центр тяжести противовеса не нахо­ дится на продолжении радиуса кривошипа. Его положение выбрано таким образом, чтобы разгрузить коренной подшип­ ник от наибольшего суммарного усилия, возникающего в под­ шипнике от сил давления газов, сил инерции ПДМ и центро­ бежных сил инерции вращающихся масс двух соседних КШМ (определение усилий на коренные подшипники см.[9], стр. 103). Установка противовесов А нарушила уравновешен­

ность центробежных сил инерции вращающихся масс. Для ее восстановления служат противовесы Б , крепящиеся к край­ ним щекам. Противовесы А и Б создают центробежные силы, моменты которых также взаимно компенсируются, не нарушая уравновешенности двигателя по моментам центробежных сил инерции.

34

Рис. 8.12. Схема установки противовесов в двигателе М-503

Первоначально противовесы при помощи болтов жестко крепились к опорам (рис. 8.13,а). Однако такая конструк­ ция оказалась неработоспособной. Вследствие больших изгибных колебаний в противовесах возникали трещины (в райо­ не отверстий для крепления), приводящие к тяжелым пов­ реждениям деталей "движения" и картера.

Конструкция противовеса была изменена (рис. 8.3,6). Каждый противовес стали изготовлять из двух частей. Не­ подвижная часть закреплялась к щеке коленчатого вала. Под­ вижная часть подвешивалась к неподвижной при помощи двух пальцев (бифилярный подвес).Наличие шарнира исключило из-

177

гиблые напряжения в противовесе, возникавшие при изгибных колебаниях.

Но и такая конструкция страдала недостатком. Пальцы в местах контактов сильно изнашивались, несмотря на все предпринятые меры по упрочнению поверхности. Тогда в кон­ струкцию были введены два пакета тарельчатых пружин, установленных в цилиндрах подвижной части противовеса (рис. 8.3,в).До а = 1000 об/мин упругая сила предвари­ тельно сжатых пружин больше центробежной силы качающейся части противовеса, поэтому последняя полностью передается через пакеты пружин, а пальцы усилием, равным разности упругой силы пружин и центробежной силы качающейся части противовеса, прижаты своими нерабочими поверхностями.

При п > 1000 об/мин центробежная сила инерции превышает силу предварительной затяжки пружин. Пружины дополнитель­ но скима'ются, пока не произойдет перекладка зазора и пальцы не прижмутся своими рабочими поверхностями. При дальнейшем увеличении оборотов избыток центробежной силы противовеса над силами упругости пружин передается непо­ движной части противовеса к щеке через пальцы, а осталь­ ная часть центробежной силы, равная упругой силе пружин, - через пакеты пружин.

Таким образом, давление на пальцы в последней конструк­ ции значительно снижено, и она оказалась работоспособной.

Еще раз подчеркнем, что данные противовесы не имеют никакого отношения к уравновешиванию результирующей центробежных сил. В данном двигателе она равна нулю, т.е. двигатель по центробежным силам уравновешен. Речь идет оо' уменьшении нагруженности среднего коренного подшипника.

Конечно, введение указанных противовесов изменяет внутрен­ нюю неуравновешенность двигателя от центробежных сил инерции.

В заключение следует еще раз подчеркнуть важность по­ нимания будущими инженерами-кеханиками рассмотренных воп­

179