Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

170 Судовые двигатели внутреннего сгорания

ного вращения вала маховой момент необходимо увеличить; обычно для этого увеличивают маховой момент маховика G J )2, где Gm~ масса маховика, D - его диаметр.

В судовых малооборотных двигателях в связи с большими вращаю­ щимися массами достаточно низкая степень неравномерности враще­ ния обеспечивается самими вращающимися массами, поэтому необхо­ димость в маховике отпадает, а имеющийся маховик в основном вы­ полняет функцию колеса валоповоротного механизма. При анализе причин, вызывающих неравномерное вращение вала, колебания угло­ вой скорости, вызываемые неравномерностью регулятора частоты вра­ щения и волнением моря, не учитывались, так как эти колебания по частоте несоизмеримы с рассмотренными, их период во много раз пре­ вышает время одного оборота вала.

§ 7»3. Неуравновешенность дизелей и методы их уравновешивания

Причины неуравновешенности. Понятие неуравновешенности поршневых двигателей связывается с действием в них циклически ме­ няющихся сил и их моментов, вызывающих вибрацию как самого дви­ гателя, так и его фундамента и корпуса судна. К числу циклически меняющихся сил двигателя относятся силы действия газов в цилинд­ рах Рг и силы инерции движущихся масс Р . Силы Рг, будучи направ­ ленными вверх и вниз, в пределах каждого цилиндра взаимно уравно­ вешиваются (рис. 1.6а), за пределы остова двигателя не передаются и поэтому не могут служить причиной его неуравновешенности.

Единственными стами, которые вызывают неуравновешенность и обусловленные ею вибрации, являются силы инерции и создаваемые ими моменты.

Силы инерции. Подразделяют эти силы на силы инерции посту­ пательно движущихся масс, к которым относится поршень, шток и часть шатуна, и центробежные силы, создаваемые вращающимися массами. Силы инерции в одноцилиндровом двигателе являются свободными и могут быть причиной вибрации.

Сила инерции поступательно движущихся масс описывается фор­ мулой (7.6). Ввиду сложности закона ее изменения она может быть условно разделена на две составляющие: Р - Р + Р р где:

Р = Mnro?cos(p = PjCoscp, (7.17)

подчиняющаяся закону косинуса угла поворота кривошипа, называет­ ся силой инерции первого порядка;

Р.П- M rctfXjzoslcp = Pn cos2(p, (7.18)

подчиняющаяся закону косинуса удвоенного угла поворота кривоши­ па 2ср, называется силой инерции второго порядка.

Силы P.j и Р ц действуют в направлении движения поступательно движущихся масс - вдоль оси цилиндра, причем сила Р в 2-5 раз меньше силы Р так как входящее в ее выражение равно Аш= 1/2,2-1/5. Обе силы приложены к центру головного соединения (точка С на рис. 1.6а) и при вращении кривошипа непрерывно меняют свои значения и знак, но при всех углах поворота кривошипа остаются в плоскости оси цилиндра (рис. 7.7).

Внешнее воздействие сил инерции I и II порядков - они стремят­ ся оторвать двигатель от фундамента, когда направлены вверх, и при­ жать к фундаменту, когда направлены вниз. Частота действия сил и вызываемых ими колебаний будет кратна соответственно (со и 2со, где со - угловая скорость).

Центробежная сила инерции, создающаяся при вращении колен­

Эта сила постоянна по значению и направлена по радиусу криво­ шипа от центра кривошипного соединения к периферии. Масса вращаю­

части шатуна, кг; Мм = G Jg - масса кривошипной шейки, кг; Мщ -

172 Судовые двигатели внутреннего сгорания

<р, отсчитываемому от ВМТ. Иначе говоря, центробежная сила враща­ ется вместе с валом, непрерывно меняя направление своего действия.

Внешнее воздействие центробежной силы инерции - в зависимо­ сти от положения кривошипа она стремится сместить двигатель с фун­ дамента в плоскостях, совпадающих в каждый момент с плоскостью кривошипа и проходящих через ось коленчатого вала.

М оменты сил инерции.

Природу возникновения и действия моментов сил инерции разбе­ рем на примере центробежной силы одноцилиндрового двигателя, пространственная схема коленчатого вала которого приведена на рис. 7.6а, б. Допустим, что в рассматриваемый момент времени кривошип отклонился от ВМТ на угол (р и находится в плоскости V. Тогда возни­ кающая в нем центробежная сила инерции Рцтакже лежит в этой плос­ кости и, будучи приложенной в точке Оп находится на расстоянии / от плоскости S, проходящей через центр тяжести двигателя.

Известно, что всякую силу Р, не нарушая ее действия, можно пе­ ренести параллельно самой себе в любую точку О, присоединив при этом пару с моментом, равным моменту силы Р относительно точки Ог Воспользовавшись этим правилом, приведем силу Р к центру Os (рис 7.66), являющемуся точкой пересечения оси вала с плоскостью центра тяжести S.

После приведения имеем: силу Р , приложенную к центру О и стремящуюся оторвать двигатель от фундамента в плоскости V; пару сил Рци Р"ц, создающую на плече /; момент М , действующий в той же плоскости V и стремящийся опрокинуть двигатель относительно его центра тяжести в направлении по часовой стрелке.

ная сила инерции вращающихся масс Р , сила инерции поступательно движущихся масс первого порядка Рысила инерции поступательно дви­ жущихся масс второго порядка Р р момент центробежной силы М , моменты сил первого и второго порядков М, и М г

Силы и моменты в многоцилиндровом двигателе возникают и дей­ ствуют в каждом цилиндре, и их суммарный эффект для двигателя в целом может быть получен путем нахождения следующих векторных сумм:

2 > , г T , M r 2 Х

Если результаты суммирования оказываются равными нулю, то это свидетельствует о полной внешней уравновешенности двигателя.

Нулевые значения векторных сумм могут быть получены, если одноименные силы, действующие во всех цилиндрах, и моменты сил, замыкаясь внутри остова двигателя, компенсируют друг друга. Это оз­ начает, что внешнее воздействие результирующих векторов сил и мо­ ментов в данном случае отсутствует, т.е. на фундамент и корпус судна они не передаются.

Если же векторы сил или моментов при сложении компенсируют­ ся лишь частично или совсем не компенсируются, то результирующие их векторы (суммы) будут выходить за пределы остова двигателя и оказывать внешнее воздействие в виде переменной периодически ме­ няющейся нагрузки на фундамент и конструкции корпуса судна. В этом случае двигатель считается внешне неуравновешенным. Поскольку гео­ метрическая сумма векторов зависит от их количества, размеров и вза­ имного расположения, то внешняя неуравновешенность многоцилинд­ рового двигателя в общем случае определяется числом цилиндров и взаимным расположением кривошипов (углом заклинивания и поряд­ ком работы цилиндров). О характере внешней неуравновешенности двигателей с наиболее типичным расположением кривошипов можно судить по данным табл. 7.1.

Помимо внешнего воздействия сил инерции и их моментов, пос­ ледние, действуя внутри остова двигателя, нагружают и деформируют его конструкции. Центробежные силы, действуя в плоскости колена вала, а силы инерции I и II порядков - в плоскости осей цилиндров, нагружают коленчатый вал и подшипники и передаются фундамент­

ли примерно в 1,8 раза, что не могло не отразиться на росте сил инерции и вызываемых ими моментов. Этим объясняется, что в крейцкопфных двигателях более ранних конструк­ ций метод «Ланчестер Балансир» не находил применения, а использовал­ ся исключительно в высоко- и сред­ необоротных двигателях, для кото­ рых характерно наличие больших сил инерции в силу высоких оборотов, то с появлением длинноходовых конст­ рукций его стали применять и в них.

Рис. 7.11. Уравновешивание Иллюстрацией служит рис. 7.11.

моментов в крейцкопфном двигателе с помощью дополнительных противовесов

1 7.4* Продольные и крутильные колебания валов

Продольные колебания.

Этот вид колебаний возникает под действием тангенциальной Т и радиальной Z составляющих сил действия газов и сил инерции масс, нагружающих кривошипы коленчатого вала и вызывающих деформа­ цию колен в виде попеременного расхождения или сближения щек (рис. 7.12). В итоге вал приобретает колебания вдоль оси, которые пе­ редаются упорному подшипнику, а через него фундаменту и корпусу судна. Продольные колебания стали особенно заметными с ростом фор­ сирования двигателей, так как увеличилось отношениеp jp с 7,5 до 10. Продольные колебания возбуждаются также меняющимся упором греб­ ного винта из-за пульсирующего характера действия воды на вращаю­ щиеся лопасти и крутильных колебаний валопровода и винта. В целях уменьшения продольных колебаний коленчатого вала и вызываемых ими вибраций судна на носовой фланец вала устанавливают гидравли­ ческий демпфер поршневого типа (см. рис. 7.17).

Колебания в поперечной плоскости. Малооборотный крейцкопфный двигатель, имеющий большую высоту, раскачивается в попереч­ ной плоскости под действием моментов, возникающих в пределах каж-