книги из ГПНТБ / Крученок И.Л. Авиационный двигатель М-14В26

ленный, состоит из двух частей. Вал имеет шатунную шейку 5 для соединения с главным шатуном, две щеки 4 и 6, носок 1, три ко­ ренные шейки 2 и хвостовик. С помощью коренных шеек вал опи­ рается в картере двигателя через два роликовых 3 и 7 и один шариковый подшипники. С помощью носка 1 вращение вала пере­ дается к зубчатым колесам редуктора. На продолжениях щек вала устанавливаются противовесы 8 и 9.

УСЛОВИЯ РАБОТЫ ДЕТАЛЕЙ

На рис. 37 показана схема сил, действующих на элементы кри­ вошипно-шатунного механизма (КШМ) двигателя.

Шатун при работе двигателя совершает сложное движение, сос­ тоящее из двух простых движений: верхняя головка шатуна пере­ мещается вдоль оси цилиндра вместе с поршнем, а нижняя его го­ ловка вращается вместе с шатунной шейкой коленчатого вала по ■'окружности. При этом по оси шатуна действует составляющая К суммарной силы. В зависимости от положения поршня и кривоши-- па вала сила К сжимает или растягивает шатун, а также нагружа­ ет подшипники головок шатуна, увеличивая трение между рабочи­ ми поверхностями и вызывая их износ. Максимального значения по абсолютной величине сила К достигает в момент наибольшего дав­ ления газов в цилиндре, т. е. через 10—15° по углу поворота кри­ вошипа после в. м. т. в такте расширения. В этот момент в мате­

61

лен следующими соображениями:

а) с увеличением длины шатуна уменьшается величина боковой

силы N ;

б) увеличение длины шатуна приводит к увеличению габаритов и веса двигателя. Последнее соображение является решающим и поэтому длину шатуна стараются уменьшить до минимально воз­ можной величины, выбранной по условиям свободного перемеще­ ния шатуна в цилиндре.

На двигателе М-14В26 длина главного шатуна L = 236,5 мм, длина прицепного шатуна L —189,5 мм.

В шатунном механизме большие нагрузки испытывают подшип­ ники скольжения головок шатунов, причем меньшие размеры при­ цепного пальца по сравнению с поршневым и неподвижная посадка его в шатуне обусловливают повышенное удельное давление на ра­ бочие поверхности. Для уменьшения трения и износа указанных по­ верхностей смазка пальцев кривошипных головок прицепных ша­ тунов производится под давлением. Также под давлением произ­ водится смазка подшипника скольжения кривошипной головки главного шатуна. В этом максимально нагруженном подшипнике (поскольку к главному шатуну передаются силы от прицепных шатунов) в качестве основного несущего слоя применяется свинцо­ вистая бронза БрСЗО (сплав меди с 30% свинца). Последняя име­ ет повышенную твердость, что обусловливает следующие требова­ ния к конструкции и смазке деталей:

во избежание износа поверхностная твердость коленчатого вала должна быть достаточно высокой;

необходимо иметь лучшую очистку (фильтрацию) масла от ме­ ханических включений, поскольку последние плохо поглощаются свинцовистой бронзой и остаются на трущихся поверхностях, вы­ зывая их дополнительный износ;

так как в наиболее нагруженных участках подшипника толщина масляного слоя равна нескольким микронам, во избежание сопри­ косновения микроскопических неровностей чистота обработки тру­ щихся поверхностей должна быть очень высокой;

с целью лучшей приработки свинцовистую бронзу целесообраз­ но покрывать тонким слоем мягкого металла, например свинцовооловянистого сплава.

Условия работы подшипника кривошипной головки главного шатуна ухудшаются по причине изгибных деформаций шатунной шейки коленчатого вала или вследствие перекоса осей головок ша­ туна. При этом чаще всего наблюдается заедание краев подшипни­ ка относительно шейки вала, поэтому расточку подшипника делают по гиперболе (расширяющейся к краям).

Силу К, приложенную к центру шатунной шейки вала, можно разложить на две составляющие: радиальную силу Z, которая действует по радиусу кривошипа R, и тангенциальную или окруж­ ную силу Т, действующую перпендикулярно к радиусу кривошипа.

62

В звездообразных двигателях суммирование силы Z и Т, дей­ ствующих от нескольких цилиндров на одну шейку, производится порознь алгебраически по формулам:

Т с = Т'г.ш 2 7 п.Ш)

где Тс— суммарная тангенциальная сила, действующая на шатун-- ную шейку (среднее значение Г0 для двигателя М-14В26 на взлетном режиме составляет 1280 кГ)\ Тт.т— тангенциальная сила от цилиндра с главным шатуном; Е Г п.ш — алгебраическая сумма тангенциальных сил от цилиндров с прицепными ша­ тунами;

Zc = Zrin -J- 2Zn.ni,

где Zc — суммарная радиальная сила, действующая на шатунную шейку; Zr.nj — радиальная сила от цилиндра с главным шату­ ном; Zn.in — радиальная сила от цилиндра с прицепным шату­ ном; ZZn.m — алгебраическая сумма радиальных сил от цилин­ дров с прицепными шатунами.

Сила Zс периодически то сжимает, то растягивает щеки криво­ шипа и вызывает изгиб шатунной шейки то в одну, то в другую сто­ рону.

Следует иметь в виду, что в направлении радиуса кривошипа на колено вала действуют также силы инерции Р, от вращательно дви­ жущихся масс (ВДМ) и центробежные силы от масс противовесов. Эти силы вызывают растяжение щек коленчатого вала. Кроме того, коленчатый вал подвергается действию реакций опор, а также скру­ чивающих усилий.

Крутящий момент на коленчатом валу выражается произведе­ нием текущей суммарной тангенциальной силы Тс на радиус кри­ вошипа R:

М1ф = TCR кГм.

Поскольку сила Тс по величине периодически меняется (по углу поворота кривошипа), возникает неравномерность крутящего мо­ мента и, следовательно, неравномерность скорости вращения ко­ ленчатого вала. С другой стороны, несущие винты, имеющие боль­ шой момент инерции, вращаются подобно маховику с постоянной угловой скоростью. Поэтому при возрастании Мкр скорость вра­ щения коленвала стремится возрасти, а так как несущие винты не меняют скорости вращения, упругий участок коленчатого вала под­ вергается скручиванию.

Соответственно при снижении Мкр упругий участок коленвала будет раскручиваться. Так возникают вынужденные крутильные колебания вала.

Причем и в том, и в другом случае речь идет о колебаниях крутящего момента от среднего значения при каком-то постоянном режиме работы двигателя.

Несмотря на значительную жесткость конструкции, коленчатый вал может совершать собственные свободные колебания с опреде­

63

ленной частотой, если к нему приложить, а потом снять внешнее возбуждающее воздействие. Если же частота возмущающего воз­ действия или одной из его составляющих станет равной или крат­

Аналогичную физическую сущность имеет характер возникнове­ ния резонансных изгибных колебаний шатунной шейки вала под действием переменной силы Zc. Однако исследованиями установле­ но, что изгибные колебания шатуннной шейки вала менее опасны, чем крутильные, хотя также бывают случаи разрушения коленча­ тых валов современных двигателей из-за резонанса изгибных ко­ лебаний.

В диапазоне рабочих режимов двигателя явление резонанса свободных и вынужденных крутильных колебаний обычно наблю­ дается при нескольких значениях оборотов коленчатого вала. Одна­ ко опасными резонансными режимами являются лишь те, при ко­ торых амплитуда колебаний и напряжения скручивания вала превышают максимально допустимые значения. Даже непродолжи­ тельная работа двигателя на таких режимах, характеризуемых кри­ тическими оборотами, вызывает разрушение коленчатого вала от усталости материала и поэтому недопустима.

Проследить за действием крутящего момента в целом на колеба­ ния коленчатого вала трудно, но если крутящий момент предста­ вить в виде суммы гармонически (синусоидально) меняющихся мо­ ментов разной частоты, становится ясно, какая часть крутящего момента может вызвать резонанс.

является гармоника 4,5 порядка. От действия этой гармоники в се­ чениях вала возможно появление опасных крутильных колебаний в диапазоне рабочих оборотов ротора двигателя. Действие этой гармоники на коленчатый вал двигателя нейтрализуется с помощью противовесов-демпферов маятникового типа.

С учетом сложности условий, в которых работают коленчатый вал и шатуны, к их конструкции предъявляются следующие тре­ бования:

высокая прочность и надежность как при действии постоянных, так и знакопеременных нагрузок;

большая жесткость во избежание деформаций и заклинивания в двигателе;

высокая твердость и износоустойчивость трущихся поверхностей;

достаточно обильная смазка трущихся поверхностей подшипни­ ков скольжения;

хорошее демпфирование крутильных колебаний.

64

Рис. 39. Угловое смещение в. м. т. в цилиндрах с прицепными шатунами:

а —поршень цилиндра № 3 находится в в. м. т., кривошип не дошел до оси цилиндра № 3

туна (рис. 38). Так как из технологических соображений желатель­ но иметь все прицепные шатуны взаимозаменяемыми, а фланцы картера для крепления цилиндров целесообразно разместить на одном расстоянии от оси двигателя, линейное смещение в. м. т. на двигателе М-14В26 устраняется путем применения различных ра­ диусов подвески прицепных шатунов к главному (см. табл. 9).

3. Угловое смещение в. м.т. в цилиндрах с прицепными шатуна­ ми (рис. 39). Эта особенность приводит к неравенству фаз газо­ распределения и углов опережения зажигания в цилиндрах, что также увеличивает неравномерность хода коленчатого вала.

Для цилиндров, симметрично расположенных относительно главного цилиндра, углы смещения в. м. т. одинаковы. В связи с этим регулировка фаз механизма газораспределения производится относительно главного цилиндра, что дает минимальное отклоне­ ние в фазах для боковых цилиндров.

Поскольку величина угла опережения зажигания оказывает большое влияние на процесс сгорания, в конструкции магнето пре­ дусмотрено неравномерное расположение выступов на кулачковой шайбе. Такое расположение выступов, выполненное с учетом угло­ вого смещения в. м. т., обеспечивает равенство углов опережения зажигания во всех цилиндрах двигателя.

4. В случае съемки главного цилиндра и отклонения главного шатуна (под действием собственного веса) возможен выход нижне­ го масляного кольца поршня из юбки противоположных цилинд­ ров № 8 и 9, а затем поломка его при последующем проворачива­ нии коленчатого вала. Во избежание этого необходимо снимать главный цилиндр при положении поршня в в. м. т.; проворачивать же коленчатый вал при снятом главном цилиндре нельзя.

Динамическими особенностями КШМ с эксцентрично сочленен­ ными шатунами являются:

1. Силы Pi, передаваемые от поршней через прицепные шатун дополнительно нагружают боковой силой главный шатун и его

66

поршень (рис. 40). Этой особен­ ностью объясняется то, что дефек­ ты цилиндро-поршневой группы чаще всего проявляются в глав­ ных цилиндрах.

2. Силы инерции поступатель­ но движущихся частей Рг в глав­ ных и боковых цилиндрах неоди­ наковы, что увеличивает неравно­ мерность крутящего момента, пе­ редаваемого от коленчатого вала, и вызывает появление дополни­ тельных неуравновешенных сил инерции второго порядка.

УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВИГА ТЕЛЯ

Двигатель считается уравнове­ шенным, если равнодействующая всех сил, передающихся на узлы

крепления к мотораме вертолета, либо равна нулю, либо постоянна по величине и направлению. Наличие неуравновешенной силы на узлах крепления двигателя к мотораме вызывает вибрации конст­ рукции вертолета и затруднения при его пилотировании. Кроме то­ го, неуравновешенные силы дополнительно нагружают опоры дви­ гателя вертолета.

Сила давления газов, действуя с одной стороны на поршень, а с другой — на головку цилиндра, неуравновешенности двигателя не вызывает. Также уравновешенными в двигателе являются силы тре­ ния в подшипниках, тепловые нагрузки, центробежные силы одно­ родных симметричных масс.

Неуравновешенность поршневых двигателей могут вызвать: ко­ лебания реактивного момента N-a (см. рис. 37), равного по величичине МКР за вычетом моментов от сил трения, и силы инерции от поступательно и вращательно движущихся масс (ПДМ и ВДМ) кривошипно-шатунного механизма. При проектировании двигателя особое значение приобретает уравновешивание сил инерции ПДМ и ВДМ.

Сила инерции поступательно движущихся масс в каждом ци­ линдре может быть подсчитана по формуле

в боковых цилиндрах); /п — ускорение поршня.

Ускорение поршня может быть разложено на две составляющие

/п' и ]п":

. .Т гг

/п — ! п -f- j n ,

/п = Ясо2 cos а;

/п = *,Д(02 cos 2а,

где со — угловая скорость вращения коленчатого вала; а — угол по­ ворота кривошипа; X— удлинение шатуна, равное отношению радиуса кривошипа R к длине шатуна L (для двигателя М-14В26 *,=0,275).

Угловая скорость вращения коленчатого вала подсчитывается по формуле

пп

где п — число обортов коленвала в минуту.

В соответствии с наличием двух ускорений поршня силу инер­ ции ПДМ можно представить в виде суммы двух составляющих:

Р j ПДМ= т пдм (in “Ь in ) — P j l + Р jll,

где Рд — сила инерции ПДМ первого порядка; Pju — сила инерции ПДМ второго порядка.

Таким образом, при работе двигателя от поступательно движу­ щихся масс в каждом цилиндре возникают силы инерции первого и второго порядка, которые периодически изменяются как по вели­ чине, так и по направлению в зависимости от угла поворота криво­ шипа. Однако в каждый данный момент времени вектор этих сил совпадает с осью своего цилиндра. В результате геометрического суммирования векторов сил инерции ПДМ в звездообразном дви­ гателе можно убедиться, что результирующие этих сил будут равны:

68

Для двигателя М-14В26 на взлетном режиме сила ЛщДм состав­

ляет примерно 2200 кГ.

Поскольку векторы сил 2Рд и Ррздм всегда совпадают по на­ правлению, на двигателе эти силы уравновешиваются совместно об­ щими противовесами (см. рис. 41). Условием уравновешивания дви­ гателя является следующее соотношение:

Вектор силы ZPjn всегда направлен в сторону от центра вра­ щения кривошипа и вращается в сторону вращения коленчатого вала с удвоенной угловой скоростью. При угле поворота кривошипа

вошипа относительно оси главного цилиндра на угол а —180° вектор

гателя М-14В26 сила 2Рщ на взлетном режиме равна ~-200 кГ.

69

Эта сила не может быть уравновешена противовесами, укреплен­ ными на щеках коленчатого вала. Для ее уравневешивания было бы необходимо иметь с каждой стороны колена (симметрично осям цилиндров) специальные механизмы. Однако применение подобных механизмов связано с усложнением конструкции и увеличением веса двигателя, поэтому на двигателе М-14В26 сила 2Р.Щ остается неуравновешенной.

ША ТУНЫ

Шатуны двигателя изготовлены из поковок высококачественной хромоникелевой стали 20ХНЗА и термически обработаны. Во избе­ жание возникновения концентрации напряжений поверхности шату­ нов после окончательной механической обработки тщательно полируются до полного удаления рисок от обрабатывающего инст­ румента.

Полки двутавровых стержней шатунов расположены перпенди­ кулярно плоскости качания, что увеличивает момент сопротивле­ ния изгибу в этой плоскости.

Г л а в н ы й ш а т у н 1 (рис. 42) имеет стержень непостоянно­ го сечения, постепенно увеличивающийся к кривошипной головке. В поршневую головку главного шатуна устанавливается втулка 2, изготовленная из твердокатаной бронзовой ленты.

После установки в головку шатуна втулка 2 уплотняется специаль­ ной протяжкой и для фиксации от осевых перемещений развальцо­ вывается по краям.

Рис. 42. Детали шатунного механизма

70