книги из ГПНТБ / Болотин Ф.Ф. Динамика корабельных ДВС учеб. пособие
.pdfПри динамическом расчете двухзальных двигателей с ПДП движущие, нормальные, радиальные и касательные силы для одного цилиндра можно определять только по одной частной
одного цилиндра четырехтактного двигателя
индикаторной диаграмме для выпускного поршня, передающего значительно большую индикаторную мощность, чем продувоч ный поршень. При этом имеется в виду, что результаты дан ного расчета, положенные в основу последующих расчетов на прочность коленчатых валов и деталей кривошипно-шатунных механизмов, управляющих движением выпускного и продувоч ного поршней, обеспечат большие запасы прочности.
Многорядные двигатели V -образного или звездообразного типа с одним коленчатым валом конструктивно могут выпол няться с центральным или прицепным сочленением шатунов в цилиндрах, работающих на одну и ту же кривошипную шейку вала.
В случае центрального сочленения шатунов кинематика и динамика кривошипно-шатунных механизмов для всех рядов цилиндров является одинаковой и точно такой же, как и в обычном однорядном двигателе с нормальными кривошипно-ша тунными механизмами. Для установившегося режима работы
60
двигателя с максимальной мощностью вполне правомерно пола гать также одинаковыми индикаторные диаграммы рабочих ппоцессов во всех цилиндрах двигателя (что и должно иметь место в действительности при их совершенной регулировке).
Поэтому при центральном сочленении шатунов движущие силы и их нормальные составляющие во всех цилиндрах, рабо тающих на одну шатунную шейку вала, будут иметь одинако вые закономерности изменения по углу поворота вала, но будут лишь смещены по фазе. Задача же определения суммар
ных радиальных |
Z z |
и касательных |
Z t сил от m цилиндров, |
работающих на |
одну |
шатунную шейку |
вала, сводится здесь к |
простому алгебраическому суммированию составляющих!^ иi'i
от всех цилиндров, |
взятых с учетом |
сдвига фаз по углу по |
|||||||
ворота |
коленчатого |
вала: |
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
m |
cos(Q4 +ftO |
кгс/смг ; |
(4.10) |
||||
|
|
L=i |
L=r 1 |
COSjbi. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(p-t - |
|
1 |
L=< pL— C0SJ\ |
кгс/см |
(4.11) |
||||
значения движущих сил в |
I -том цилиндре при |
угле |
|||||||
поворота вала а-,,отсчитанном |
от |
оси |
I -того цилиндра и |
||||||
от начала тактаu расширения, |
кгс/см2. |
). |
|
совершающими |
|||||
Фазовый сдвиг между рабочими процессами, |
|||||||||
ся в каждом из гп |
цилиндров, |
работающих |
на |
одну шатунную |
|||||
шейку вала, определяется углом поворота кривошипа |
между |
||||||||
вспышками в соответствующих цилиндрах. |
связанных |
с одной |
|||||||
Углы же между вспышками в цилиндрах, |
|||||||||
и той же шатунной |
шейкой вала, определяются гактностью |
||||||||
двигателя, числом |
таких цилиндров m |
и углами между рядами |
|||||||
цилиндров Я0 (т.е. |
углами между осями соответствующих ря |
||||||||
дов цилиндров). Так, например, в V -образных четырехтакт |
|||||||||
ных двигателях, |
где имеется возможность |
разноса вспышек по |
|||||||
двум оборотам коленчатого вала для цилиндров,работающих на одну шатунную шейку вала, угол между вспышками в них бе рется наибольшим и равным 360°+ % ; в двухтактных же дви гателях, где такая возможность отсутствует, угол между
61
вспышками не может |
быть большим угла развала цилиндров %. |
В зависимости от |
числа цилиндров двигателя, тактности |
и величины угла развала рядов цилиндров чередование вспы шек для многорядного двигателя в целом может быть равно мерным или неравномерным. В первом случае углы между смеж
ными |
вспышками а„ одинаковы и |
определяются выражениями: |
|||
|
- |
в четырехтактных двигателях |
|||
|
|
720°_ б |
граб ; |
||
|
|
а о~ z. |
m |
||
|
|
|
|
( 4.12 ) |
|
|
- |
в двухтактных двигателях |
|||
|
|
360° |
б |
_ |
а |
где |
|
<*Г— |
“^ ТгГ |
гРа а , |
|
(У - угол заклинки кривошипов; |
|||||
|
м |
- число рядов |
цилиндров |
двигателя. |
|
Во втором случае углы между смежными вспышками получа |
|||||
ются |
неодинаковыми. |
|
|
|
|
Обычно стремятся обеспечить равномерное чередование вспышек и в наиболее часто встречающихся четырехтактных двигателях v - образного типа с числом цилиндров 12 или 16, где у гола 0 достаточно велик, это удается сделать при сохранении рациональных конструктивных форы остова двига теля и сравнительно небольшой ширине двигателя, принимая соответственно 3 = 60 или 45°. В двухтактных двигателях такого типа ввиду нежелательности чрезмерного уменьшения
угла |
3 |
по |
конструктивным соображениям вынужденно приме |
|
няют неравномерное чередование вспышек (.двигатели ЗОД и |
||||
40Д |
при |
z |
= 12 и |
Ц = 45° имеют чередование соседних |
вспышек через 45°и 15° угла поворота вала) или допускают |
||||
наличие двух одновременных вспышек (двигатель 45Д при |
||||
Z |
= 16 |
и |
J - 45° имеет порядок работы цилиндров с одно |
|
временными |
вспышками в двух цилиндрах - см. прилож.2). |
|||
В |
звездообразных |
четырехтактных двигателях, которые |
||
для |
равномерного чередования вспышек |
имеют нечетное число |
|||
рядов |
цилиндров, |
чередование вспышек |
в цилиндрах, |
работаю |
|
щих |
на |
одну и ту |
же кривошипную шейку коленчатого |
вала |
|
62
(по звезде), осуществляется с пропуском через один ци линдр, так как рабочий цикл во всех этих цилиндрах совер шается за два оборота коленчатого вала. Так, в пятирядном звездообразном четырехтактном двигателе (т = 5) чередова ние вспышек по звезде будет I-3-5-2-4-I, а углы между вспышками в первом и каждом последующем цилиндре звезды
соответственно равны: |
|
|
|||
( |
скг= 560°+ \ |
•, |
а ,= ^ |
•, о^ЗбО’ + Яц-, |
|
1 Я з1 \ » ^5 |
~ |
Углы |
между |
осями I и соответственно2, |
|
3,4,5-го рядов цилиндров). |
двигателях равномерное |
||||
В |
звездообразных двухтактных |
||||
чередование вспышек может быть осуществлено как при нечет
ном, так и при |
четном |
числе рядов цилиндров. Поскольку |
||
рабочий |
цикл во |
всех |
m |
цилиндрах звезды в этом случае |
должен |
быть совершен |
за |
один оборот коленчатого вала, то |
|
чередование вспышек осуществляется только в последователь ности расположения цилиндров по звезде. Например, в пяти рядном двухтактном двигателе чередование вспышек по звез де будет 1-2-3-4-5-1, а соответствующие углы между вспыш
ками в цилиндрах звезды равны: |
•,^5"^5 • |
й з=^', |
|
Для равномерного чередования |
вспышек в цилиндрах |
звездообразного двигателя в целом необходимо помимо выпол нения условия (4.12) иметь одинаковые углы между рядами
цилиндров |
% , равные |
„ |
|
Вычисление значений нормальных сил п |
по формуле (4.7), |
||
суммарных |
радиальныхi z |
и касательныхHt |
сил по форму |
лам (4.10) и (4.II) в зависимости от угла а. поворота |
|||
коленчатого вала, отсчитываемого от оси принятого какого- |
|||
либо первого ряда цилиндров, удобно |
производить так же, |
|||
как |
и в случае обычного однорядного |
двигателя (в таблич |
||
ной |
фо^ме). В |
табл. 5 дана для |
примера форма расчета п , |
|
5.x и 2 Ф для |
четырехтактного m |
-рядного звездообразного |
||
63
двигателя при выбранном интервале изменения угла поворота
вала |
а |
= |
12° |
(от а |
= 0 ° |
при |
положении |
кривошипа данной |
||||
звезды цилиндров на оси первого ряда цилиндров в начале |
|
|||||||||||
такта расширения до о. |
= 720° при положении кривошипа на |
|||||||||||
оси |
первого |
ряда цилиндров |
в конце |
такта |
сжатия). |
5 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а |
б |
л |
и ц а |
|
Расчет нормальных |
суммарных радиальных |
и |
суммарных |
|
||||||||
касательных сил для одной шатунной шейки m |
-рядного |
|
||||||||||
|
|
|
двигателя |
с центральными шатунами |
|
|
||||||
|
|
Исходные и |
|
Углы |
поворота |
коленчатого |
||||||
|
вычисляемые |
|
0 |
12 |
вала |
|
,град |
720 |
||||
|
|
величины |
|
24 ... |
360 |
... 7и6 |
||||||
|
р кгс/гт2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
tg /3 |
кгс/см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n=ptg ft |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
cos(а+й) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cosJi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 = n |
COb(d+fl) кгс/см2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
г |
C0$J3 |
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z2 |
|
|
|
- н - |
|
|
|
|
|
|
|
|
Zf. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zfn |
|
|
|
— и— |
|
|
|
|
|
|
|
|
f z = Z z L |
ХГТ/СМ2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
яп(aL+fi) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
cosji |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ti_p |
s'coi4/ |
) кгс/см2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Pt, |
|
|
— |
n— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-—■ H |
|
|
|
|
|
|
|
||
Pmm |
m |
|
|
— T" |
|
|
|
|
|
|
||
|
I t = I t L |
КГС/С.М |
|
|
|
|
|
|
|
|||
б4
Для двухтактных двигателей эта таблица рассчитывается
соответственно в пределах изменения а от 0 до |
360 . |
||||
Составление табл. 5 начинается |
с выбора расчетного |
||||
интервала |
углов |
поворота |
вала Д а |
в пределах 10 |
-20 .При |
этом нужно |
иметь |
в виду |
следующие |
соображения. |
|
Одноименные процессы рабочего цикла совершаются в ци линдрах каждого следующего ряда по отношению к первому ря ду через угол между вспышками в соответствующих цилиндрах. Угол между вспышками o t в цилиндрах четырехтактных звездо образных двигателей с нечетным числом рядов цилиндров m
равен: |
Я - |
для нечетных номеров |
рядов |
I = |
2n + I и 2f-t* |
+360° |
- для |
четных номеров рядов |
i = 2п |
(п = |
1,2,3,... |
т-1 у |
|
|
|
|
|
2'*
Вдвухтактных двигателях указанный угол между вспышка
ми равен всегда углу развала цилиндров
Значения радиальных и касательных сил z4 и t< от пер вого цилиндра рассматриваемой звезды вычисляются в табл.5
по движущему |
|
усилию для этого цилиндра, взятому с графика |
||
p=-f(cO на |
рис. 4.2 и записанному в первой строке |
табли |
||
цы. Остальные |
составляющие |
суммарных радиальныхS z |
и ка |
|
сательных S t |
сил от всей |
звезды Zz ,1-ь ,..., Т-п\и |
,tj. , |
|
можно получить смещением по углу поворота вала |
||||
значений z, |
и t<, записанных в 5 и 11-й строках табл.5, |
|||
на величину угла между вспышками в рассматриваемом и пер
вом цилиндрах. |
|
величина Д а расчетных угловых |
|||||
Для этого требуется,чтобы |
|||||||
интервалов табл. |
5 Да целое |
число раз укладывалась в ве |
|||||
личине |
углов |
Ц |
и 360°+ Я*, . Для |
оольшей точности |
расчета |
||
следует |
брать Д а |
возможно меньшим в пределах 5-20°. |
|||||
Суммируя |
алгебраически полученные смещением zA n t 4 зна |
||||||
чения |
,гЪп,..., |
и t2 ,Ц |
А .••,tui , находим |
суммарные |
|||
радиальные S z и |
касательные S t |
силы на одной |
шатунной |
||||
шейке вала в зависимости от угла |
поворота вала а |
(в 9 и |
|||||
15-й строках |
табл.5)- |
|
|
|
|
||
65
При числе рядов цилиндров m = 7 и равномерном чередо вании вспышек угол между рядами цилиндров
1= ^ « 5 1 ° 25Ч о ” ,
поэтому невозможно подобрать расчетные интервалы Да , укладывающиеся в величине этого угла целое число раз. В этом случае точное составление расчетной табл. 5 способом
смещения |
значений |
|
и t< становится уже |
невозможным. Здесь |
||||||
лучше применить графический метод определения значений |
||||||||||
■Zi,=-H°0 |
и |
|
для |
каждого из m |
цилиндров, |
работающих |
||||
на |
одну шатунную |
|
шейку вала. Это можно |
сделать по |
графи |
|||||
кам |
z1=fCcx') и ti=-f(<*)для |
одного первого |
цилиндра |
(см. |
||||||
рис. 4-3), разбив |
их |
на |
семь равных участков; началу каж |
|||||||
дого из |
участков |
|
соответствуют значения |
и - ^ в |
I -том |
|||||
цилиндре |
при а |
= 0, |
а все |
последующие |
|
значения zt=-f(oO |
||||
и ti,=f (а) могут |
быть |
сняты |
с графиков |
через любой расчет |
||||||
ный интервал Дсх (например, через 10°).
Однако можно составить эту расчетную таблицу приближен но аналитическим методом, если интерполированием опреде лить значения тригонометрических функций
• |
si.n(g+Jb) |
cos |
’ |
cosjb |
cosf' |
для интервалов углов поворота вала, приблизительно крат
ных углу между двумя смежными вспышками:
«0 = 22f = W °5i' 26" ,
т.е., например, для Да ~ 10°17* (см. табл. 6 для А =
вдвигателе Ы-503).
Бэтом случае расчетная таблица составляется совершен но аналогично рассмотренной выше табл. 5.
|
|
|
Т а б |
л и ц а |
6 |
Значения тригонометрических функций в зависимости |
|
||||
|
от « при А = 1/4,2 для двигателя М-503 |
|
|||
а° |
tg Э |
C0S(d+JJ) |
$in(a+JM |
а” |
|
cos6 |
sinft |
360° |
|
||
00 |
0 |
1,0 |
0 |
|
|
Ю°17 |
0,0425 |
0,978 |
0,220 |
370°I7 |
|
20°34 |
0,0842 |
0,903 |
0,420 |
380°34 |
|
30°51 |
0,1223 |
0,798 |
0,610 |
390°5I |
|
41°8 |
0,1582 |
0,650 |
0,780 |
40I°8 |
|
51°25 |
0,1890 |
0,470 |
0,901 |
4II°25 |
|
61°43 |
0,2140 |
0,290 |
0,982 |
42I°43 |
|
72° |
0,2320 |
0,090 |
1,020 |
432° |
|
82°17 |
0,2427 |
-0,105 |
1,022 |
442°I7 |
|
92°34 |
0,2450 |
-0,285 |
0,988 |
452°34 |
|
Ю2°51 |
0,2385 |
-0,460 |
0,922 |
462°5I |
|
113°8 |
0,2246 |
-0,600 |
0,836 |
473°8 |
|
Х23°25 |
0,2035 |
-0,724 |
0,722 |
483°25 |
|
133°43 |
0,1748 |
-0,817 |
0,600 |
493°43 |
|
144° |
0,1410 |
-0,892 |
0,478 |
О о |
|
3"- LA |
|
||||
154°17 |
0,1035 |
-0,945 |
0,340 |
5I4°I7 |
|
164°34 |
0,0635 |
-0,980 |
0,280 |
524°34 |
|
174°51 |
0,0210 |
-0,997 |
0,072 |
534°5I |
|
185°8 |
-0,0210 |
-0,997 |
-0,072 |
545°8 |
|
195°25 |
-0,0635 |
-0,980 |
-0,205 |
555°25 |
|
205°43 |
-0,1035 |
-0,945 |
-0,340 |
565°43 |
|
216° |
-0,1410 |
-0,892 |
-0,470 |
576° |
|
226°17 |
-0,1748 |
-0,817 |
-0,600 |
586°I7 |
|
236°54 |
-0,2035 |
-0,724 |
-0,722 |
596°34 |
|
246°51 |
-0,2246 |
-0,600 |
-0,836 |
606°5I |
|
257°8 |
-0,2385 |
-0,460 |
-0,922 |
617°8 |
|
267°25 |
-0,2450 |
-0,285 |
-0,988 |
627°25 |
|
277°43 |
-0,2427 |
-0,105 |
-1,022 |
637°43 |
|
67
I |
2 |
3 |
4 |
5 |
288° |
-0,2320 |
0,090 |
-1,020 |
648° |
298°17 |
-0,2140 |
0,290 |
-0,982 |
658°17 |
308°34 |
-0,1890 |
0,470 |
-0,901 |
668°34 |
318°51 |
-0,1582 |
0,650 |
-0,780 |
678°51 |
329°8 |
-0,1223 |
0,798 |
-0,610 |
689°8 |
339°25 |
-0,0842 |
0,903 |
-0,420 |
699°25 |
349°43 |
-0,0425 |
0,978 |
-0,220 |
709°43 |
360° |
0 |
1.0 |
0 |
720° |
Расчет суммарных радиальных и касательных сил на одной шатунной шейке вала v -образных двигателей с центральными шатунами удобно делать в аналогичной табличной форме, ко торая становится короче, поскольку требуется учитывать
всего |
по две |
составлявших |
z* ,z& и |
. Смещение зна |
||
чений |
этих составляющих по углу поворота вала делается на |
|||||
величину угла |
между вспышками |
в паре |
цилиндров, |
работающих |
||
на одну шейку |
вала: 360° |
+ 3 |
- в четырехтактном |
и Я - в |
||
двухтактном двигателе. |
|
|
|
|
||
Рис. 4.4. Графики суммарных радиальных и касательных сил \г =f(d) и £t =/(сО для одной шатунной шейки
V -образного четырехтактного двигателя при У = 60°
68
По данным табл.5 и 6 строятся графики n= f( с х V ,( о 0 '7 Zt=-f(c<0 в пределах изменения угла поворота вала от 0 до 360° для двухтактного двигателя и от 0 до 720°для четырех
тактного. На рис. 4 Л |
показан для примера общий вид гра |
|||
фиков Zx=-f(a) HZt=f(oQ |
для одной шатунной |
шейки двух |
||
рядного |
V -образного |
четырехтактного двигателя при Х1=60°, |
||
а на рис. |
4.5 - общий |
вид |
графиков S z = H « ) |
H5Lt=f(pO |
для одной шатунной шейки семирядного 42-цилиндрового здездообразного четырехтактного двигателя типа М-503 при
Я= 102°51‘2б" .
Рис. 4.5. Графики суммарных радиальных и касательных
сил |
L |
=№ |
и Zi= j M |
для одной звезды двигателя М-503 |
||
т Как |
видим, |
на |
этих |
графиках пики кривых |
f(°0 и |
|
2it=-F(°0 отстоят |
друг |
от друга на величину углов между |
||||
вспышками в цилиндрах, |
работающих на одну шейку вала: |
|||||
й0= 360°t У = 360°+60° |
= 420° - в V -образном двигателе; |
|||||
\ = |
Z%= 2*51°30'= 103° - в звездообразном |
двигателе. |
||||
В случае применения прицепного сочленения шатунов для цилиндров, работающих на одну и ту же шатунную шейку вала, кинематика и динамика кривошипно-шатунных механизмов с прицепными шатунами имеют специфические особенности.
69