
книги из ГПНТБ / Болотин Ф.Ф. Динамика корабельных ДВС учеб. пособие
.pdfдвигателя, до опытным данным существующих двигателей близ кого типа:
|
|
т У |
nr, |
9i |
кгс-сг/см, |
(2.16) |
|
|
|
Fn |
95i |
||||
|
|
m |
_ Ш е : |
.ftW |
кгс-са/см, |
|
(2.17) |
где |
gj и |
Fn |
|
|
|||
g R - приведенные веса поступательно |
и враща- |
||||||
|
|
тельно движущихся деталей КШМ, |
отнесенные |
||||
|
|
к I |
смг площади |
поршня Fn |
, кгс/смг (см. |
||
|
Введение |
табл. I, 2). |
|
и m R практиче |
|||
ски |
относительных величин масс |
||||||
удобно, |
так как |
определяемые по ним силы инерции ПДЫ |
и ВМ имеют размерность давления кгс/сма и их можно затем прямо складывать с соответствующими силами от давления газов в цилиндре, имеющими аналогичную размерность.
§ 8. График изменения силы инерции ПДМ в зависимости от угла поворота вала
Аналогично выражениям для ускорения поршня (1.9) и (1.10) формулу (2.5) для СИ ПДМ можно представить в виде суммы двух составляющих:
|
Pj=—mj R ca/(coscx+/\.cOS£oO= |
|
|
кгс, (2.18) |
||
где |
= -m j RcA^cosa-mjPc*//Uo$2<x=I*I+I>-E |
|||||
Р л = - т ^ а з гсо5а |
кгс |
; 1 |
(2.19) |
|||
|
||||||
|
p i5l=-nijRou27Lcos2a |
КГС-J |
|
|||
ков, |
- гармонические составляющие СИ ПДМ I и 2-го поряд |
|||||
которые обычно называются просто силами |
инерции ПДМ |
|||||
I и 2-го порядков. |
|
|
|
|
||
Поскольку выражения для ускорения поршня и сил инерции |
||||||
ПДМ |
отличаются только |
величиной |
массы |
гп^ |
и противопо |
|
ложными знаками, то |
графики P,=f (сО, PjT=-f(a) 4 Pjs=f(^) |
50
Т а б л и ц а |
2 |
Значения весов д^ и gR поступательно и вращательяо движущихся частей кривошипно-шатунного механизма, отнесенных к площади поршня, выполненных дизелей
Тип двигателя и материал поршня
Тихоходные с толстостенными чугунными поршнями
Средней быстроходности с толстостенными
шнями
Средней быстроходности с тонкостенными чугунными или стальными поршнями
Быстроходные с облегченными алюминиевыми поршнями.
|
9j |
g R |
|
кгс/см* |
кгс/см2 |
||
0,25 - 0,6 |
0,7 - |
1,2 |
|
0,15 |
- 0,3 |
0,15 |
- 0,25 |
0,1 |
- 0,2 |
0,15 - 0,25 |
|
|
0,025 |
- 0,07 |
0,03 |
на рис. 2.5 выглядят точно так же, |
как графики jn=f(«), |
|||||
|
|
jm=-F№ и |
|
|
лишь |
|
а |
|
на |
рис. 1.2 с той |
|||
|
|
разницей, что они по |
||||
|
|
вернуты относительно |
||||
|
|
оси абсцисс на 180° и |
||||
|
|
имеют различный масш |
||||
|
|
таб ординат. Наиболь |
||||
|
|
шая |
отрицательная |
сила |
||
|
|
Pj |
имеет место |
при |
||
|
|
<х = 0 и положении |
||||
|
|
поршня в в.ы.т. и на |
||||
|
|
правлена она противо |
||||
|
|
положно максимальному |
||||
|
|
положительному |
ускоре |
|||
|
|
нию поршня, т.е. в сто |
||||
|
|
рону от оси коленчато |
||||
|
|
го вала (см. рис. 1.2). |
||||
|
|
Наибольшая положитель |
||||
|
|
ная |
сила Р 3 |
, направ |
||
|
|
ленная к оси коленча |
||||
|
|
того вала, |
при |
|
|
|
|
|
имеет место в н.м.т., |
||||
Рис. 2.5. График |
P^-FC^O |
а при Л>-^ |
- дважды |
|||
в районе н.м.т. |
|
со |
||||
а) при |
; б) при Л^-^- |
Гармонические |
||||
|
|
ставляющие P3l |
и PjU |
имеют соответственно один и два периода изменения за один оборот коленчатого вала, так же, как и гармоники ускоре ния поршня I и 2-го порядков.
32
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите все виды сил, действующих в КШМ при ра боте двигателя, и укажите, какими основными факторами они определяются.
2. К каким точкам КШМ и как приводятся все движущиеся массы КШМ?
3.Каким образом определяются силы инерции и каков их физический смысл?
4.Почему сила инерции поступательно движущейся массы
КУШ подразделяется на силу I и 2-го порядков?
3.В каких направлениях действуют на поршень силы инер ции I и 2-го порядков при угле поворота вала 45°?
6.Почему появляется центробежная сила инерции при предполагаемом равномерном вращении приведенной массы КШМ
сш = const ?
7.Какая часть массы шатуна относится к приведенной поступательно движущейся массе КШМ, а какая часть к при веденной вращающейся массе шатуна?
8.Как оценить ориентировочные значения приведенных
масс КШМ?
Г Л А В А 3
ДЕЙСТВИЕ СИЛ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ И СИЛ ИНЕРЦИИ НА ДЕТАЛИ ДВИГАТЕЛЯ, ФУНДАМЕНТ И ВАЛ ПОТРЕБИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ДВИГАТЕЛЯ
§ 9. Действие сил давления газов
Рассмотрим действие силы давления газов Рг , определи мой формулой (2.1), в нормальном КШМ одноцилиндровогоДВС.
33

Эта сила приложена к поршню и через поршневой палец в точ ке В передается на шатун (рис. 3.1).
Разложим эту силу на две составляющие, направ ленные по оси шатуна и перпендикулярно к стенке цилиндра. Б результате по лучим:
|
- нормальную |
силу |
|||
|
Mr=P rtgjb |
кгс; |
(3.1) |
||
|
- |
силу по |
оси шатуна |
||
|
К г= |
Рг |
|
( 3 . 2 ) |
|
|
cosjb |
|
|||
|
Перенесем силу по оси шату |
||||
'ОПР на по линии ее действия в |
|||||
|
точку А и разложим также |
||||
|
на две составляющие, на |
||||
|
правленные по радиусу кри |
||||
|
вошипа и перпендикулярно к |
||||
|
нему по касательной к ок |
||||
|
ружности кривошипа. В ре |
||||
Р и с .3.1. Схема действия сил |
зультате |
получим: |
силу |
||
давления газов Рг в нормальном |
- радиальную |
||||
.кж |
COS(«.+J3) |
|
|
||
|
|
( 3 . 3 ) |
|||
Z r = К г Sin [9 0 - (a + ji)] = к г cos (on-JV) = Р г~ |
“ |
т т к г с ; |
|||
- касательную силу |
|
|
|
|
|
Т г= Кг со5[90-(а+р)]=кгэ1п(а+]Ь)=Рг~ |
^ |
^ |
кгс. |
(ЗЛ) |
Перенесем радиальную силу Ъг по линии ее действия в точку 0 . Сюда же приведем силу Т г , для чего приложим в точке Q две равные и противоположно направленные силыТг, параллельные приводимой касательной силеТг , приложенной в точке А .
В |
результате этого приведения получаем: |
к |
оси |
ко |
||||
|
- силы Z r и Т г , приложенные |
в точке 0 |
||||||
|
ленчатого вала; |
точках А |
и 0 |
, с пле |
||||
|
- пару |
сил Т г |
, приложенных в |
|||||
|
чом R |
. Пара |
сил Т г создает |
крутящий |
момент, |
при |
||
|
ложенный к колену вала, |
к г с с м . |
|
(3.5) |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
Силы |
2 Г и Т г |
, приложенные к оси вала, геометрически |
скла |
|||||
дываются и дают снова силу Кг , но |
уже приложенную в |
точ |
||||||
ке О |
. Разложение силы К v на составляющие,направленные |
по |
||||||
оси цилиндра и перпендикулярно к оси цилиндра, дает, в |
оси |
|||||||
свою |
очередь, |
силы Рг и N r , приложенные в точке |
0 |
к |
||||
коленчатого вала. |
|
|
|
|
вала |
|||
Сила N r через подшипники коренных (раыовых) шеек |
||||||||
передается на |
остов |
двигателя и действует на |
него в |
по |
перечном направлении. С другой стороны, на остов действу
ет в противоположную сторону сила |
М г , приложенная |
к порш |
||||
ню в точке |
В . Эти две противоположные силы N r с плечом |
|||||
Н |
образуют |
так называемый |
опрокидывающий момент М г , при |
|||
ложенный к остову двигателя |
и направленный в сторону, об |
|||||
ратную действию крутящего момента |
М г ,приложенного к ва |
|||||
лу. |
Найдем, чему равен опрокидывающий момент. Из чертежа |
|||||
|
||||||
следует, что плечо пары сил |
Ы г |
выражается суммой |
проек |
|||
ций |
на ось цилиндра отрезков АВ и ОА , т.е. |
|
||||
|
Monp= NrH = Nr(RcOS(X+U05]b)=NrR(cOSo<.+^-C05jb). |
|
||||
Так как из |
треугольника ОАБ |
Siyic* |
|
|
|
|
|
|
i _ _ |
|
|
|
|
то |
с учетом |
Х ~ |
sinjb ’ |
|
|
|
выражения (3.1) |
для |
К1г |
|
|||
|
|
|
|
|
КГС-СМ . |
(3.6) |
35
Как видно из выражений (3.5) и (3.6), опрокидывающий мо лен! по величине равен крутящему моменту, а из рис. 3.1 следует, что направление их действия противоположно, т.е.
Мопр— Кф- |
(3.7) |
Однако эти моменты не уравновешивают друг друга, |
так как |
они действуют на совершенно различные детали двигателя: на неподвижный остов и на вращающийся коленчатый вал.
Сила Р г , приложенная в точке 0£ , через коренные под шипники вала передается на остов двигателя. В то же время равная по величине, но противоположная по направлению си ла Р г действует на крышку цилиндра, т.е. также на остов двигателя. Эти две силы Р г полностью уравновешивают друг друга и на фундамент двигателя не передаются. Но силыРг растягивают остов двигателя и для их восприятия в двига телях, имеющих литые чугунные или алюминиевые блоки ци линдров, чувствительные к растягивающим усилиям, приме няются так называемые анкерные связи (ДЦ, 37Д) или сило вые шпильки (М-50, М-503 и др.).В двигателях, имеющих сварные стальные блоки цилиндров, не боящиеся растягиваю щих усилий, такие связи обычно не применяются (40Д, 2Д4-2).
При вращении коленчатого вала величина сипы Р г , дей ствующей на поршень, изменяется в соответствии с характе ром индикаторной диаграммы, а направление действия оста ется неизменным, если в рабочей полости цилиндра давление всегда больше, чем давление ро со стороны картера дви гателя. В тактах расширения и сжатия шатун отклоняется от оси цилиндра в разные стороны и направление действия нор
мальных сил N r при этом изменяется. Поэтому при работе двигателя происходит так называемая перекладка поршня в цилиндре и он попеременно прижимается силой Nr то в одну, то в другую сторону в плоскости качания шатуна. Именно в этой плоскости имеют место наибольшие износы стенок втул ки цилиндра и тронка поршня.
Сила К г в этом случае действует на шатун в одном яа-
36
правлении и вызывает напряжения сжатия и изгиба в его стержне и головках.
Силы^г и Т г действуют на шейки и щеки коленчатого ва ла, вызывая в них различные напряжения. Одновременно они передаются на шатунные и коренные подшипники коленчатого вала.
Направление действия касательных сил Т г изменяется так же,как и направление нормальных сил. Поэтому попеременно изменяется направление действия крутящего и опрокидываю щего моментов. Тормозящее действие на вал отрицательного крутящего момента в такте сжатия преодолевается за счет накопленного во время такта расширения запаса кинетиче ской энергии движущихся масс двигателя и маховика, свя занных с коленчатым валом.
Периодически изменяющийся опрокидывающий момент от нор
мальных сил Мг |
стремится опрокинуть двигатель |
на бок по |
|||
переменно то в |
одну, то в другую сторону. Так |
как двига |
|||
тель закреплен |
на |
фундаменте жестко или |
с помощью |
упругих |
|
амортизаторов, |
то |
опрокидывающий момент |
вызывает |
вибрации |
|
двигателя на фундаменте в поперечном направлении. |
|
Таким образом, в отношении внешнего действия сил дав ления газов можно еще раз подчеркнуть, что они уравнове шиваются в двигателе и на фундамент не передаются, но об разуют крутящий момент, вращающий вал двигателя и потре бителя его энергии, а так же опрокидывающий момент, дей ствующий на фундамент двигателя.
§ 10. Действие сил инерции
Рассмотрим сначала действие силы инерции поступатель
но движущихся масс Pj |
, приложенной к поршню в точке В |
|
(рис. 3.2). Разложение |
этой силы на |
составляющие Nj и Kj |
последующее разложение |
силы Kj на радиальную и касатель |
|
ную составляющие Zj и Tj |
, приведение |
сил Zj nTj в точку О |
|
|
3? |
к оси коленчатого вала, определение крутящего и опрокиды вающего моментов от сил инерции ПДМ производятся точно так же, как и в рассмотренной выше схеме действия сил давления газов Р г. Но аналогии с формулами (3.1)- (3.6) можно получить следующие выражения для составляющих силы Pj и моментов силТ- и Nj :
Сила Pj , приложенная в точке
О, Рис. 3.2. Схема действия кой другой силой не уравновеши-
сил инерции ПДМ Р; в нор |
вается, поскольку в |
цилиндре она |
||
мальном КШМ |
|
|||
палец в точке В |
|
действует |
только на |
поршневой |
. Поэтому сила Pj |
через подшипники колен |
чатого вала и остов двигателя передается непосредственно на фундамент дзигателя и в данном положении КШМ, по казанном на рис. 3.2, стремится оторвать двигатель от фундамента в направлении оси цилиндра. Крутящий момент от
касательных силТ^ |
и опрокидывающий момент |
от нормальных |
||
сил N ,• при этом |
положении КШМ |
направлены противоположно |
||
соответствующим |
|
.<г |
,.г |
|
моментам М кр |
и М опр от составляющих сил |
|||
давления газов |
и, |
следовательно, ослабляют |
действие по |
|
следних. |
|
|
|
|
38
При вращении колена вала и перемещении поршня сила Pj изменяет направление действия (см. § 8); соответственно
изменяется |
направление |
действия |
всех |
составляющих |
сил |
||
Nj ,Kj ,Zj ,Tj и моментов |
М*р ,Мопр по |
одному |
разу |
за |
|||
каждый ход |
поршня. Таким |
образом, |
нормальная сила Nj |
по |
|||
переменно |
то ослабляет, |
то усиливает действие |
газовой си |
||||
лы N r', прижимающей поршень к стенке цилиндра. |
Сила Kj по |
переменно растягивает или сжимает шатун, ослабляя или уси
ливая действие |
газовой силы К г |
. Силы Zj nTj , моменты M KJ|, |
||||||||
М^ртакже попеременно то |
ослабляют, |
то усиливают действие |
||||||||
газовых |
сил Z r,Tr |
и моментов |
и М опр . |
|||||||
Рассмотрим еще |
действие |
силы |
инерции |
вращающихся масс |
||||||
p R , приложенной в |
точке |
А |
к оси шатунной шейки вала |
|||||||
(рис. 3.3). Перенесем ее по линии дей |
|
|||||||||
ствия (по радиусу кривошипа) к оси |
|
|
||||||||
коленчатого вала в точку 0 |
и разложим |
|
||||||||
на две составляющие: вертикальную си |
|
|||||||||
лу |
Р® |
, направленную по |
оси цилиндра |
|
||||||
и горизонтальную силуРй , направлен |
|
|||||||||
ную перпендикулярно к оси цилиндра. |
|
|
||||||||
Этн |
силы равны |
проекциям |
силы Р й на |
|
|
|||||
соответствующие |
оси: |
|
|
(3.7) |
|
|||||
|
|
PR= P RCOSOt кгс , |
|
|
||||||
|
|
Рд = Рй5»1П(Х КГС . |
|
(3.8) |
|
|
||||
Очевидно, что обе составляющие через |
|
|
||||||||
коренные подшипники вала |
передаются |
|
|
|||||||
на фундамент двигателя и стремятся при |
|
|||||||||
данном положении К11Ш соответственно |
|
|
||||||||
оторвать двигатель от фундамента в |
|
|
||||||||
вертикальном |
направлении |
и |
сместить |
|
Рис. 3.3. Схема |
|||||
его |
влево в |
горизонтальном |
направле |
|
||||||
нии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
действия сил инер |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ции вращающихся |
||
|
При вращении коленчатого вала сила |
масс Pg |
||||||||
Р0 остается постоянной по величине, а |
|
|||||||||
к |
|
|
|
|
в |
г |
|
|
как по величине, так |
|
составляющие |
силы P R и Р, |
изменяются |
39