книги из ГПНТБ / Болотин Ф.Ф. Динамика корабельных ДВС учеб. пособие
.pdfЭти особенности (см. § 3 и 12) обусловливают прежде всего несовпадение моментов прихода поршней в свои край ние положения и пересечения кривошипом вала осей соответ ствующих цилиндгов (углы опережения или запаздывания кри вошипа по отношению к в.м.т. или н.м.т. поршней составля ют обычно около 5-10° угла поворота вала). Закономерности изменения перемещения и ускорения поршней в главном и бо ковых цилиндрах получаются разными.
Следовательно, даже при условии равных приведенных по ступательно движущихся масс в главном и боковых цилиндрах (которые, вообще говоря, тоже отличаются) закономерности изменения сил инерции этих масс pL=f(a.) не являются оди наковыми.
Необходимость иметь равные степени сжатия в главном и
боковых |
цилиндрах |
вынуждает делать разные хода поршней |
||||||
(в цилиндрах с прицепными шатунами |
ход поршня обычно |
на |
||||||
2-5/6 больше, |
чем |
в |
цилиндре с главным шатуном). Поэтому |
|||||
индикаторные |
диаграммы |
|
|
|
|
|||
|
|
P 4= f ( v ) |
или p Ui= f ( S n) |
|
|
|
||
для главного и боковых цилиндров тоже неодинаковы. |
|
|||||||
Таким образом, при одинаковыхуг<...х поворота кривошипа |
||||||||
вала относительно |
осей соответствующих |
цилиндров а |
и й 1; |
|||||
движущие |
силы р |
и |
р |
, действующие на |
поршни в главном и |
|||
L -том боковом цилиндре, а значит, и закономерности изме |
||||||||
нения их |
p = f (а) |
|
и рг =f(p‘4L). |
по углу поворота |
вала |
|||
отличаются. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Наконец, благодаря нецентральному расположению прицеп ных шатунов относительно оси шатунной шейки вала при пере даче составляющих движущих сил р по оси стержня при цепного шатуна возникают изгибающие моменты, действующие на главный шатун и обусловливающие Аопилнительные нормаль ные силы, прижимающие поршень главного цилиндра к стенкам, и дополнительные радиальные и касательные силы, действую щие на шатунную шейку вала.
Учет всех этих особенностей кривошипно-шатунных меха низмов с прицепными шатунами в расчете суммарных нормаль ных сил в главном цилиндре и суммарных радиальных и ка
сательных сил,действующих на одну шатунную |
шейку вала,суще |
||
ственно усложняет расчет и делает его весьма |
трудоемким. |
||
т |
т |
m |
для много |
Методика точного расчета сил^.п |
,^2. |
иX t |
|
рядных двигателей с прицепными шатунами излагается в спе циальных пособиях {д! .Такие расчеты выполняют только при техническом проектировании дизелей в конструкторских бюро заводов-изготовителей. Приближенные динамические расчеты v -образных и звездообразных двигателей с прицеп ным сочленением шатунов с достаточной точностью можно вы полнять, считая все шатуны центральными.
§ 15. Выбор порядка работы цилиндров многоцилиндрового двигателя
Порядком работы цилиндров в многоцилиндровом двигателе называют последовательность совершения в цилиндрах одно именных процессов рабочего цикла по углу поворота колен чатого вала. Обычно порядок работы определяют принятым вариантом чередования вспышек топлива в цилиндрах двига теля. Например, в 4-цилиндровом четырехтактном однорядном двигателе принимается вариант I-3-4-2, а в 6-цилиндровом четырехтактном однорядном двигателе I-5-3-6-2-4 и т.д.
Варианты чередования вспышек зависят от схемы располо жения кривошипов коленчатого вала. В двухтактном двигате ле рабочие циклы должны осуществляться во всех цилиндрах за один оборот, а в четырехтактном - за два оборота колен чатого вала. Поэтому при равномерном чередовании вспышек кривошипные схемы коленчатых валов двухтактных двигателей получаются всегда составленными из отдельных несовпадаю щих кривошипов и для каждой схемы возможен лишь один ва риант чередования вспышек. В четырехтактных двигателях
71
с четным числом цилиндров и равномерным чередованием вспы шек кривошипные схемы валов получаются составленными из попарно совпадающих кривошипов и для них возможны несколь ко вариантов чередования вспышек, число которых тем боль ше, чем больше число цилиндров двигателя, (см.прилож. 2).
Таким образом, порядок работы цилиндров простого одно рядного двигателя определяется в двухтактном двигателе только кривошипной схемой коленчатого вала, а в четырех тактном двигателе с четным числом цилиндров еще и приня тым вариантом чередования вспышек, получаемым путем соот ветствующей установки кулачных шайб распределительного вала.
Число возможных кривошипных схем коленчатого вала Z - цилиндрового однорядного двигателя определяется числом возможных перестановок кривошипов вала и равно {ъ - I)!
Для 6-цидиндрового двигателя возможны 120 вариантов кривошипных схем, а с увеличением числа цилиндров их ко личество резко возрастает. Отсюда ясно, что в многоцилиндровых двигателях можно осуществить много различных порядков работы цилиндров, поэтому при проектировании дви гателя нужно выбрать лучший из них. При этом стремятся обеспечить:
- равномерное чередование вспышек для наиболее рав номерного вращения вала. Для этого вспышки в рабочих ци
линдрах двигателя должны следовать друг за другом |
через |
|
одинаковые углы |
поворота вала о и » равные |
|
720° |
в четырехтактном двигателе; |
|
а 0=-^— |
|
|
а 0= ^ - - |
в двухтактном двигателе (,Z -число |
цилин |
|
дров двигателя); |
коленча |
- благоприятные условия работы подшипников |
||
того вала в отношении распределения действующей на них максимальной нагрузки. С этой целью желательно избегать одновременных вспышек в двух цилиндрах, а все смежные
вспышки разносить по цилиндрам, равноудаленным от середи ны коленчатого вала;
-наилучшую уравновешенность двигателя в отношении результирующих сил инерции и их моментов, действующих на двигатель и его фундамент. Это достигается подбором таких вариантов схем расположения кривошипов, при которых ука занные результирующие сил и моментов имеют наименьшие зна чения;
-отсутствие опасных крутильных колебаний валопроводов установок с данным двигателем, снижающих требуемую работоспособность установки. Поэтому вариант чередования вспышек в проектируемых дизелях выбирается обычно только после соответствующих расчетов установок с этим двигателем на крутильные колебания валопровода.
Чтобы избежать ошибок при выборе порядка работы цилин дров проектируемого двигателя, в динамическом расчете рекомендуется принять проверенные практикой порядки рабо ты цилиндров, В прилож. 2 даны порядки работы цилиндров для некоторых отечественных судовых четырехтактных и двух тактных дизелей с различным числом цилиндров. В справоч ных таблицах (так называемые таблицы неуравновешенности двигателей, см.прилож. 3) даются более подробные характе ристики различных кривошипных схем и вариантов чередова ния вспышек для многоцилиндровых двухтактных двигателей. Указанными таблицами следует пользоваться при выборе по рядков работы цилиндров проектируемых двигателей.
Схемы расположения кривошипов коленчатого вала проекти руемых двигателей составляются согласно принятому порядку работы цилиндров.
Впростых однорядных двигателях для получения равномер ного чередования вспышек углы б заклинки кривошипов ци линдров смежных по вспышкам, должны оыть одинаковые и рав ные углу между вспышками л 0 :
73
8 = а 0 =2|0° |
- в четырехтактных двигателях: |
$ = а 0 = ЦО- |
(4.14) |
- в двухтактных двигателях. |
Для многорядных двигателей с одним коленчатым валом и с несколькими цилиндрами, работающими на одну шатунную шейку вала (V -образных, звездообразных и т.п. двигателей), кривошипная схема коленчатого вала берется обычно такой же, как и кривошипная схема простого однорядного двигате ля с числом цилиндров, равным числу цилиндров в каждом ряду многорядного двигателя. Например, в прилож. 2 приве дены кривошипные схемы валов 12-цилиндровых м-образных дизелей М-50 (четырехтактного) и ЗОД (двухтактного), ни чем не отличающиеся от соответствующих кривошипных схем для однорядных 6-цилиндровых дизелей с порядками работы цилиндров I-5-3-6-2-4 и I-5-3-4-2-6. При этом углы между соседними вспышками в цилиндрах каждого ряда одинаковы и равны углу заклинки кривошипов смежных по вспышкам цилин дров, а чередование вспышек в ряду получается равномерным, как и в простом однорядном двигателе.
В однорядных двухвальных двигателях с ПДП порядок ра боты цилиндров обычно принимается аналогичным порядкам работы цилиндров соответствующих простых однорядных двух тактных двигателей (с одинаковым числом цилиндров). В многорядных двигателях с ПДП для наилучшей внешней и внут ренней уравновешенности и по конструктивным соображениям порядки работы цилиндров каждого ряда могут отличаться от порядков работы цилиндров в соответствующих простых одно рядных двухтактных двигателях. Лучше всего здесь ориенти роваться на выполненные двигатели близкого типа (см. при лож. 2).
74
§ 16. Определение набегающих касательных усилий на шейках коленчатого вала в многоцилиндровых двигателях
Алгебраическая сумма касательных сил, передаваемая дан ной шейке коленчатого вала от всех предыдущих по располо жению цилиндров, начиная со стороны, противоположной флан
цу отбора мощности двигателя, |
называется набегающим каса |
|||
тельным усилием на этой шейке. |
|
|
||
Пусть для z |
-цилиндрового однорядного двигателя обоз |
|||
начениями 1,2,3,..., z. указаны |
номера цилиндров двигате |
|||
ля и соответствующих шатунных шеек коленчатого вала, а |
||||
обозначениями 0,1,П,Ш,...,х-1, |
z - номера |
рамовых (корен |
||
ных) шеек вала. Согласно определению набегающие касатель |
||||
ные усилия на рамовых шейках |
коленчатого вала, отнесенные |
|||
к I см2 площади |
поршня двигателя, представляют собой сле |
|||
дующие алгебраические суммы: |
|
|
|
|
t0= o |
; |
|
|
|
*1=*1 |
кгс/см2 ; |
|
|
|
t i= t < + t a = Z t г кгс/смг ; |
|
|||
|
|
|
_ кгх/см*; |
|
tz = W |
- * 3+ ••• +*z=2 t + t z=2 * |
кгс/см2( 4 . 15) |
||
где *<, |
“ касательные силы от 1,2,3,...,Z -го |
|||
цилиндров, отнесенные к I см |
площади поршня и взятые при |
|||
одном и том же значении угла поворота коленчатого вадасх .
Набегающие касательные усилия на шейках коленчатого
вала |
образуют соответствующие набегающие крутящие момен |
|||||
ты, |
действующие |
на |
этих шейках: |
кгс-см , |
(4. |
|
где |
к |
|
Z |
M Kp= i t - F nR |
||
Z t |
- набегающее касательное усилие на к-той рамовой |
|||||
|
|
шейке вала, отнесенное |
к I см2, площади |
поршня |
||
|
1? |
F„ |
, кгс/см*; |
|
|
|
|
- радиус |
кривошипа, см. |
|
|
||
75
Очевидно, что набегающее касательное усилие на г,оследией z -той рамовой шей^е вала определяет величину суммар ного крутящего момента51Мкр двигателя на фланце отбора
мощности при данном значении |
угла поворота вала ot |
: |
i n Kp= 2 t - F n Т? |
кгс-см . |
(4.17) |
Для определения наиболее нагруженного крутящими момен тами колена вала (что необходимо для последующего расчета вала на прочность) и для построения графика зависимости суммарного крутящего момента двигателя от угла поворота вала (что необходимо для определения степени неравномер ности вращения вала двигателя и проверки точности динами ческого расчета) нужно определить набегающие усилия на шейках коленчатого вала в зависимости от углов поворота
вала |
в промежутке изменения о |
от 0 до 360° для двухтакт |
ного |
двигателя и от 0 до 720° для четырехтактного. |
|
Вычисление Si=-f(oO удобно |
производить в табличной фор |
|
ме согласно выражениям |
(4.13) через |
выбранные равные |
ин |
|
тервалы углов поворота |
вала Дсх |
(табл. 7). |
7 |
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
|
Расчет набегающих касательных сил на рамовых |
|
|||
шейках коленчатого |
вала |
двигателя |
|
|
tL(it) кгс/см2.
M l |
(tr-Zii) |
|
ts = |
W z |
t |
t3 (zt3) |
s |
|
tin=t]i+t3=Z.t
*z(&z) tz=t2-i+tz=Zt
Углы поворота коленчатогоо |
вала ,град |
|
|
\ |
|
0 |
СТ о |
720° |
|
||
76
Составляя эту таблицу, нужно иметь в виду следующее. Для простого однорядного двигателя закономерности измене ния касательных сил на всех шатунных шейках вала
(«) 7 tz=f(oO
принимаются совершенно одинаковыми, но сдвинутыми по фазе на величину угла между вспышками в соответствующих цилин драх. Поэтому, приняв из табл. 4 или с графика на рис.4.3
ранее полученные значения касательных сил t=-f(oO |
для ша |
||
тунной шейки первого цилиндра и |
обозначив их |
все |
|
другие значения |
, t3=-K°0 |
... , |
|
V=-f(°0 |
|
||
получают смещением |
значений |
, записанных в первой |
|
строке табл.7, на фазовый угол между вспышками в первом и рассматриваемом цилиндрах. Величины указанных углов фазо вого сдвига касательных сил определяются по принятым углу заклинки кривошипов коленчатого вала 8 и порядку работы цилиндров.
Так, например, для двухтактного 6-цилиндрового двига теля с равномерным чередованием вспышек при угле заклинки
кривошипов (5 = 360L = 60й и порядке работы цилиндров
I-5-3-4-2-6 углы фазового сдвига одноименных процессов, совершаемых в цилиндрах двигателя, по отношению к первому
цилиндру соответственно составляют для цилиндровО |
: |
||
3-го |
- |
СГ\ о |
|
3-го |
- |
120°;о |
|
4-ГО |
- |
00М о |
|
2-го |
- |
240°; |
|
6-го |
- |
300е; |
|
Нетрудно заметить, что величина этих углов определяет ся произведением угла заклинки кривошипов на число про межутков в принятой последовательности вспышек между пер вым и рассматриваемым цилиндрами. Поэтому фазовые углы можно определять сразу в порядке расположения цилиндров.
77
Так, для четырехтактного 6-цилиндрового двигателя с равномерным чередованием вспышек при угле заклинки криво шипов
= 120°
и порядке работы цилиндров I-5-3-6-2-4 углы фазового сдви га соответственно равны для цилиндров:
2- |
го |
4<$ = 480°; |
3- |
го |
2d = 240°; |
4- |
го |
5d = 600°; |
5- |
го |
d =120°; |
6- |
го |
Зб = 360°. |
Для V -образных, |
звездообразных и т.п. двигателей зако- |
|
номерности изменения суммарных касательных CHnZtj=f(oO , действующих на каждой шатунной шейке вала (от m цилиндров, работающих на одну шейку), полагаются совершенно одинако
выми, |
но |
сдвинутыми^по фазе. |
В первую строку табл. 7 за |
|||
писываются значенияЗДЬ^-Н0^ |
для первой шатунной шейки, |
|||||
взятые |
из |
табл. 5,6 |
или с графиков на рис. 4.4УТ\ и 4.5. |
, |
||
Остальные |
значения |
суммарных |
касательных сил !£-Ьг= К ° 0 |
|||
Z t j r K o O ,...,Ztz.= f(c<) |
, действующих на всех после |
|||||
дующих шатунных шейках вала, определяются смещением |
и |
|||||
S t ^ f C o O |
на фазовый угол между вспышками в первом |
|||||
рассматриваемом цилиндрах одного и того же ряда. Величина этого фазового угла определяется аналогично выше рассмот ренным случаям как произведение угла заклинки кривошипов коленчатого вала 5 на число промежутков между первым и каждым последующим цилиндрами в принятой последователь ности вспышек для цилиндров одного ряда.
Для возможности смещения значений касательных сил t4=f(oO илиZt<=-f(оО , записанных в первой строке табл. 7, путем переноса их во все другие строки этой таб лицы необходимо, чтобы расчетные интервалы угловДо( целое число раз укладывались в величине угла заклинки кривоши пов 8 . Для получения достаточного числа табличных зяаче-
78
ний набегающих касательных усилий и дальнейшего построе
ния графика !Lt=-f(bO |
нужно, чтобы величина угла 8 |
была |
|
больше Дсх не менее, |
чем в 5-6 раз. |
|
|
Так, например, для двухтактного 8-цилиндрового одноряд |
|||
ного двигателя при угле заклинки кривошипов S |
= |
=45° |
|
величину расчетного |
интервала углов поворота |
вала |
следует |
принять: |
|
|
|
ДоЧ = Т =^ |
= 9° иди Д а 2='Т= |
= 5°. |
|
Для четырехтактного 8-цилиндрового однорядного двигателя при
|
л_ |
720° |
_ |
90°, |
|
можно принять |
° - ~ 8 “ |
‘ |
|
||
|
|
|
|
|
|
^ |
= |
15° или |
& а г= |
= 10°. |
|
В некоторых случаях, например для двухтактного 7-цилиндро вого двигателя, составление расчетной табл. 7 аналитиче ским смещением значений t4=f(oO становится невозможным, так как при
8 = Щр° = 51°25' 43м
нельзя подобрать расчетный |
интервал Д а , целое число раз |
укладывающийся в величине |
этого угла. |
В таких случаях составление табл. 7 следует делать
графическим |
способом, снимая значения tL=-f(a)HnHXtL=-f(pO |
||
для каждой |
шатунной шейки вала |
с графиков t^fCcx) |
или |
= |
(см.рис. 4.3, 4.4 |
и 4.5). Для этого |
нужно |
предварительно разбить указанные графики на равные участки по числу шатунных шеек вала, как показано для примера на
рись 4.5. Началу |
каждого участка соответствуют значения^ |
и л и ^ при о*. = |
0, а все последующие значения t-L(сх) или |
!Е-^(сО можно снимать с графика через любой расчетный интервал До*. .
79