Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы и устройство главных и вспомогательных судовых энергетических установок. Методические рекомендации
.pdf
21
аналогии на развернутую диаграмму переносят политропы сжатия и расширения. Точкой
b
на развернутой диаграмме отмечено начало открытия выпуск-
ного клапана, его перенесение под углом
2
на индикаторную диаграмму пока-
зано стрелкой на p – V диаграмме.
— вычисляют и строят в зависимости от (см. рис. 8) суммарную силу,
jг
МПа
32
101
шsn
a
j
rmFР
s
m
Рис. 8. Развернутая диаграмма суммарных сил, действующих
вдоль оси цилиндра
действующую на поршень (обычно графически), получив развернутую
диаграмму суммарных сил, действующих вдоль оси цилиндра:
,
(32)
Для расчета на прочность максимальные нагрузки, действующие на детали (шатун, поршень, крышку цилиндра), определяются по упрощенным формулам. Например, максимальная нагрузка на стержень шатуна складывается из
составляющих:
— при сжатии — газовой при сгорании топливовоздушной смеси и ам-
плитудного значения
, силы инерции [кН], ко-
гда поршень проходит в.м.т. (здесь
дано в таблице 5);
— при растяжении — только от силы инерции в конце выпуска отрабо-
тавших газов из цилиндра, когда поршень проходит в.м.т.
В зависимости от выбранной в [1] методики расчета детали необходимо:
— выявить, в каких сечениях могут возникать наиболее опасные
напряжения и составить расчетную модель (схему) детали;
— провести расчет на прочность;
— дать заключение по результатам расчета и рекомендации по снижению
веса детали или, наоборот, по ее упрочнению или по замене материала, из которого она изготовлена.
22
Литература
1. Гогин А.Ф. и др. «Судовые дизели» (основы теории, устройство и экс-
плуатация). Изд. 4–е переработ, и доп.— М.: Транспорт, 1988.— 439 с.
2. Васькевич Ф.А. «Двигатели внутреннего сгорания. Теория, эксплуата-
ция, обслуживание» — Новороссийск: МГА им. адмирала Ф.Ф. Ушакова 2009 –
266 с.
3. Возницкий И.В. Пунда А.С. «Судовые двигатели внутреннего сгора-
ния», Том 1, 2-е издание, переработанное и дополненное – М.: Моркнига, 2010.
– 260 с.
4. Возницкий И.В. Пунда А.С. «Судовые двигатели внутреннего сгора-
ния», Том 2, 2-е издание, переработанное и дополненное – М.: Моркнига, 2010
– 382 с.
5. Дизели и газовые двигатели. Отраслевой каталог. ЦНИИТЭИтяжмаш.
— М.: 1991. – 191 с.
6. Леонтьевский Е.С. Справочник механика и моториста теплохода. – 4–е
изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1981. — 352 с.
23
Варианты заданий
Вар.
Дизель–
прототип
e
P
e
n
с
int
p
d
p
a
T
кл
d
Содержание в топ-
ливе, %
кВт
1
мин
кПа
кПа К м С Н
О
2
00
6Ч23/30
345
1000
13,6
0
87
291
0,1
86,7
11,77
1,53
01
6ЧН23/30
615
1000
13,3
157
а
p
298
0,1
87,4
11,77
0,83
02
6Ч23/30
350
1000
13,7
0
88
292
0,1
86,8
11,77
1,43
03
6ЧН28/29
1632
900
16
260
а
p
292
0,11
86,8
11,77
1,43
04
6Ч23/30
360
1000
13,9
0
90
294
0,1
87
11,77
1,23
05
6ЧН27/38
2040
800
16,5
250
а
p
294
0,11
87
11,77
1,23
06
6Ч23/30
370
1000
14,1
0
92
296
0,1
87,2
11,77
1,03
07
6ЧН28/32
1320
720
13,3
220
а
p
296
0,11
87,2
11,77
1,03
08
6Ч23/30
380
1000
14,3
0
94
298
0,1
87,4
11,77
0,83
09
6ЧН28/32
1320
750
13,3
220
а
p
299
0,11
87,5
11,77
0,73
10
6Ч23/30
390
1000
14,5
0
96
300
0,1
87,6
11,77
0,63
11
6ЧНСП18/22
241
750
13
160
а
p
290
0,08
86,4
12,16
1,44
12
6ЧСП18/22
112
750
14,1
0
88
291
0,08
86,5
12,16
1,34
13
6ЧН28/29
1950
1050
16
260
а
p
292
0,11
86,6
12,16
1,24
14
6ЧСП18/22
116
750
14,3
0
90
293
0,08
86,7
12,16
1,14
15
6ЧН20/28
780
720
15
320
а
p
294
0,09
86,8
12,16
1,04
16
6ЧСП18/22
120
750
14,5
0
92
295
0,08
86,9
12,16
0,94
17
6ЧН20/28
1200
1000
15
320
а
p
296
0,09
87
12,16
0,84
18
6ЧСП18/22
124
750
14,7
0
94
297
0,08
87,1
12,16
0,74
19
6ЧН40/46
3300
520
16
290
а
p
298
0,18
87,2
12,16
0,64
20
6ЧСП18/22
128
750
14,9
0
96
299
0,085
87,3
12,16
0,54
21
6ЧН64/90
12060
330
14
450
а
p
299
0,2
87,3
12,16
0,54
22
6ЧСП15/18
101
1500
14,2
0
81
291
0,06
86,4
12,35
1,25
23
6ЧНСП15/18
217
1500
13,3
142
а
p
292
0,06
86,5
12,35
1,15
24
6ЧСП15/18
103
1500
14,4
0
83
293
0,06
86,6
12,35
1,05
25
6ЧН16/19
612
800
14
290
а
p
294
0,07
86,7
12,35
0,95
26
6ЧСП15/18
105
1500
14,6
0
85
295
0,06
86,8
12,35
0,85
27
6ЧНСП15/18
221
1500
13,7
146
а
p
296
0,06
86,9
12,35
0,75
28
6ЧСП15/18
107
1500
14,8
0
87
297
0,06
87
12,35
0,65
29
6ЧН28/30
1494
720
13
277
а
p
298
0,11
87,1
12,35
0,55
30
6ЧРН36/45
735
350
12,1
156
а
p
290
0,16
86,4
12,4
1,2
31
6ЧР36/45
410
350
13 0 87
289
0,16
86,3
12,4
1,3
32
6ЧН22/28
705
750
13,3
300
а
p
292
0,1
86,6
12,4
1
33
6ЧР36/45
416
350
13,2
0
89
291
0,16
86,5
12,4
1,1
34
6ЧН28/30
2118
1000
13
277
а
p
294
0,11
86,8
12,4
0,8
35
6ЧР36/45
422
350
13,4
0
91
293
0,16
86,7
12,4
0,9
36
6ЧРН36/45
785
350
12,6
161
а
p
295
0,16
86,9
12,4
0,7
37
6ЧР36/45
428
350
13,6
0
93
295
0,16
86,9
12,4
0,7
Приложение 2
24
Продолжение таблицы приложения 2
Вар.
Дизель–
прототип
e
P
e
n
с
int
p
d
p
a
T
кл
d
Содержание в топ-
ливе, %
кВт
1
мин
кПа
кПа К м С Н
О
2
38
6ЧН28/30
2400
1050
13
320
а
p
297
0,11
87,1
12,4
0,5
39
6ЧР36/45
434
350
13,8
0
95
297
0,16
87,1
12,4
0,5
40
6ЧНСП12/14
144
1500
14,7
176
а
p
284
0,05
86,4
12,15
1,45
41
6ЧСП12/14
65
1500
15,6
0
87
283
0,05
86,3
12,15
1,55
42
6ЧН20/30
1020
900
13,6
325
а
p
286
0,09
86,6
12,15
1,25
43
6ЧСП12/14
67
1500
15,8
0
89
285
0,05
86,5
12,15
1,35
44
6ЧНСП12/14
148
1500
15,1
180
а
p
288
0,05
86,8
12,15
1,05
45
6ЧСП12/14
69
1500
16 0 91
287
0,05
86,7
12,15
1,15
46
6ЧН20/30
1140
1000
13,6
325
а
p
290
0,09
87
12,15
0,85
47
6ЧСП12/14
71
1500
16,2
0
93
289
0,05
86,9
12,15
0,95
48
6ЧНСП12/14
152
1500
15,5
184
а
p
292
0,05
87,2
12,15
0,65
49
6ЧСП12/14
74
1500
16,5
0
96
292
0,05
87,2
12,15
0,65
50
6Ч23/30
355
1000
13,8
0
89
293
0,1
86,9
11,77
1,33
51
6ЧН32/48
3000
1000
13,6
325
а
p
291
0,14
86,7
11,77
1,53
52
6Ч23/30
365
1000
14 0 91
295
0,1
87,1
11,77
1,13
53
6ЧН23/30
590
1000
12,8
152
а
p
293
0,1
86,9
11,77
1,33
54
6Ч23/30
375
1000
14,2
0
93
297
0,1
87,3
11,77
0,93
55
6ЧН40/54
4410
450
13
290
а
p
295
0,16
87,1
11,77
1,13
56
6Ч23/30
385
1000
14,4
0
95
299
0,1
87,5
11,77
0,73
57
6ЧН23/30
610
1000
13,2
156
а
p
297
0,1
87,3
11,77
0,93
58
6ЧСП18/22
110
750
14 0 87
290
0,08
86,4
12,16
1,44
59
6ЧН52/55
4410
430
12
290
а
p
300
0,2
87,6
11,77
0,63
60
6ЧСП18/22
114
750
14,2
0
89
292
0,08
86,6
12,16
1,24
61
6ЧНСП18/22
242
750
13,1
163
а
p
291
0,08
86,5
12,16
1,34
62
6ЧСП18/22
118
750
14,4
0
91
294
0,08
86,8
12,16
1,04
63
6ЧН50/54
3750
465
14
230
а
p
293
0,18
86,7
12,16
1,14
64
6ЧСП18/22
122
750
14,6
0
93
296
0,08
87
12,16
0,84
65
6ЧНСП18/22
246
750
13,5
175
а
p
295
0,08
86,9
12,16
0,94
66
6ЧСП18/22
126
750
14,8
0
95
298
0,08
87,2
12,16
0,64
67
6ЧН60/645
6600
390
14
290
а
p
297
0,2
87,1
12,16
0,74
68
6ЧСП15/18
100
1500
14,1
0
80
290
0,06
86,3
12,35
1,35
69
6ЧНСП15/18
215
1500
13,1
140
а
p
290
0,06
86,3
12,35
1,35
70
6ЧСП15/18
102
1500
14,3
0
82
292
0,06
86,5
12,35
1,15
71
6ЧН58/64
7950
428
13,2
320
а
p
291
0,19
86,4
12,35
1,25
72
6ЧСП15/18
104
1500
14,5
0
84
294
0,06
86,7
12,35
0,95
73
6ЧН48/60
5310
450
14
320
а
p
293
0,17
86,6
12,35
1,05
74
6ЧСП15/18
106
1500
14,7
0
86
296
0,06
86,9
12,35
0,75
75
6ЧН40/54
3990
514
13,2
320
а
p
295
0,15
86,8
12,35
0,85
76
6ЧСП15/18
108
1500
14,9
0
88
298
0,06
87,1
12,35
0,55
25
Окончание таблицы приложения 2
Вар.
Дизель–
прототип
e
P
e
n
с
int
p
d
p
a
T
кл
d
Содержание в топ-
ливе, %
кВт
1
мин
кПа
кПа К м С Н
О
2
77
6ЧН40/48
3300
600
13
210
а
p
297
0,16
87
12,35
0,65
78
6ЧСП15/18
109
1500
15 0 89
299
0,06
87,2
12,35
0,45
79
6ЧН65/65
7950
400
13
216
а
p
299
0,2
87,2
12,35
0,45
80
6ЧР255/40
1740
720
14
320
а
p
289
0,1
86,3
12,4
1,3
81
6ЧР36/45
413
350
13,1
0
88
290
0,16
86,4
12,4
1,2
82
6ЧН43/52
3312
480
14
230
а
p
291
0,16
86,5
12,4
1,1
83
6ЧР36/45
419
350
13,3
0
90
292
0,16
86,6
12,4
1
84
6ЧРН36/45
765
350
12,4
159
а
p
293
0,16
86,7
12,4
0,9
85
6ЧН58/60
5514
425
14
240
а
p
291
0,19
86,5
12,5
1
86
6ЧР36/45
431
350
13,7
0
94
296
0,16
87
12,4
0,6
87
6ЧН45/52
4050
500
14
245
а
p
296
0,17
87
12,4
0,6
88
6ЧР36/45
437
350
13,9
0
96
298
0,16
87,2
12,4
0,4
89
6ЧН32/35
2700
720
15
240
а
p
298
0,12
87,2
12,4
0,4
90
6ЧН32/35
3000
750
15
240
а
p
283
0,12
86,3
12,15
1,55
91
6ЧСП12/14
66
1500
15,7
0
88
284
0,05
86,4
12,15
1,45
92
6ЧН41/47
3300
550
14
210
а
p
285
0,18
86,5
12,15
1,35
93
6ЧСП12/14
68
1500
15,9
0
90
286
0,05
86,6
12,15
1,25
94
6ЧН62/66
7500
425
14
210
а
p
287
0,21
86,7
12,15
1,15
95
6ЧСП12/14
70
1500
16,1
0
92
288
0,05
86,8
12,15
1,05
96
6ЧН25/34
1680
750
15
270
а
p
289
0,09
86,9
12,15
0,95
97
6ЧСП12/14
72
1500
16,3
0
94
290
0,05
87
12,15
0,85
98
6ЧН55/59
5292
430
14
187
а
p
291
0,22
87,1
12,15
0,75
99
6ЧСП12/14
73
1500
16,4
0
95
291
0,05
87,1
12,15
0,75
Примечание:
Материал поршня — чугун СЧ12–32 у нечетных вариантов,
алюминиевый сплав Ал–4 — у четных вариантов заданий.
26
Приложение 3
Рис. 9. Напряжения, действующие на эле-
мент стенки цилиндровой втулки
Рис. 10. Изменение температуры стенки втулки цилиндра
Расчёт на прочность втулки цилиндра
Втулки цилиндров. Согласно ГОСТ 7274 втулки должны быть изготовлены из серого нелегированного или легированного чугуна с пластин-
чатым графитом или из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
При внутреннем диаметре втулок до 450 мм приме няют чугун марки
СЧ25, а при диаметре втулок более 450 мм — чугун СЧ20. У некоторых двигателей втулки изготовлены из чугуна СЧ28.
Внутренние поверхности втулок для повышения износоустойчивости закаливают токами высокой частоты, хромируют, азотируют или упрочняют
другими способами.
Цилиндровые втулки быстроходных двигателей с внутренним диамет-
ром до 200 мм изготавливают в настоящее время стальными.
В цилиндровых втулках четырехтактных дизелей предусмотрены два
опорных и уплотнительных пояса (верхний и нижний). На бурт верхней ча-
сти блок-картера втулка садится фланцем.
Для уменьшения общей высоты двигателя нижняя часть втулки выступает внутрь картера. В связи с этим во втулке внизу предусмотрены вы-
резы для шатуна. В верхней части втулки у некоторых двигателей для кла-
панов протачивают карманы. В этом случае втулка должна быть вставлена в
блок строго в определенном положении, для чего предусмотрены специальные
контрольные штифты.
Втулки большинства двигателей смазываются частицами масла, содержащимися в картерном пространстве и оседающими на их поверхностях. Смазывание втулок тихоходных двигателей капельками масла, особенно при малой
частоте вращения коленчатого вала, недостаточно. У таких двигателей смазоч-
ный материал поступает к втулкам от специального насоса-лубрикатора.
В расточку нижнего опорного пояса блок-картера втулку вставляют с за-
зором, так как при работе двигателя она расширяется от нагревания больше,
чем блок-картер. Чтобы через этот зазор из пространства, а в картер не проникала вода, на втулке в нижнем поясе предусматривают уплотнение в виде двух
или трех резиновых закладных колец. Уплотнение такого типа распространено в
современных двигателях. У некоторых двигателей закладное резиновое кольцо
ставят и в верхнем поясе цилиндровой втулки, ниже опорного бурта.
27
Прочность втулки цилиндра. Втулка нагружена изнутри давлением газа,
р
сж
1
r
2
1
2
2
2
1
2
2
rr
rr
р
zр
2
r
2
1
2
2
2
1
2
rr
r
р
zр
z
р
zсж
р
21
ttt
2
t
1
2
tE
t
25,0,785,10
5
кПаE
28,0,2060,1015,1
5
кПаE
t
fQ
достигающим максимума в момент сгорания топлива. Если мысленно выделить
элемент стенки втулки (рис. 9), то он будет испытывать тангенциальное напря-
жение растяжения
. Кроме того, под давлением газа в волокнах внутренней
поверхности втулки действует напряжение сжатия
.
Напряжения растяжения могут быть определены по формуле Ляме. Согласно ей напряжения втулки на внутренней поверхности с радиусом
.
(33)
и на наружной поверхности с радиусом
(34)
где
– давление сгорания.
Напряжение сжатия на внутренней поверхности втулки равно давлению
сгорания, т. е.
(35)
Поскольку на внутренней поверхности втулки более высокая температу-
ра, чем на внешней, механические напряжения сложатся с тепловыми. Если
обозначить температуру внутренней поверхности стенки втулки t1 и внешней t2
(рис. 10), то разность их составит
(36)
В процессе теплового расширения волокна менее нагретой внешней поверхности втулки должны были бы удлиниться в меньшей степени, а более
нагретой внутренней — в большей, чем волокна середины толщины стенки.
Поскольку такой разницы удлинений не будет, то волокна внешней поверхно-
сти окажутся растянутыми, а внутренней — сжатыми на разность их удлинений
относительно средних волокон, т. е. на значение величины
(α — коэф-
фициент линейного расширения). Эта величина является относительной де-
формацией, следовательно, по закону Гука тепловые напряжения
(37)
где: Е - модуль упругости при растяжении.
Двойной знак перед правой частью в формуле (37) показывает, что
внешние волокна растянуты (+), а внутренние сжаты (-). Коэффициент Пуассо-
на
введен потому, что деформации не одномерны: стенка деформируется как
вдоль, так и поперек волокон.
В зависимости от материала втулки можно принимать:
для чугуна
для стали
Разность температур
определяют по формуле Фурье:
;
.
(38)
28
где:
Км
кВт
Км
кВт
sD
D
NbQQ
пeН
2
100
Н
Q
e
b
п
N
D
s
sD
D
NbQQ
пeН
50
сжtр
tр
— количество теплоты, кДж;
— теплопроводность материала втулки,
;
— разность температур внутренней и наружной стенок, К;
f — площадь стенки втулки, м2;
t — время прохождения теплоты, ч;
— толщина стенки втулки, м.
46
Для чугуна и стали теплопроводность
. Количество теплоты, проходящей через площадь поверхности втулки
примерно одинакова и равна
без охлаждения поршня, может быть найдена по формуле
(39)
где а — коэффициент, показывающий, какая часть выделенной в цилиндре
теплоты передается охлаждающей жидкости. У двигателей без наддува с не-
охлаждаемыми поршнями а=0,15-0,2; у двигателей с наддувом с неохлаждаемыми поршнями а=0,124-0,17. В случае жидкостного охлаждения поршня значение
а увеличивают на 0,03-0,07;
— низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;
— удельный расход топлива, кг/ (кВт*ч):
— относительная (поршневая) мощность, кВт/м2;
— диаметр цилиндра, м;
— ход поршня, м.
Если поршень охлаждается маслом, формула (39) принимает вид
. (40)
Напряжения, вычисленные по формулам (34), (36), (37) для внутренней поверхности и по формулам (35), (37) для внешней:
где
ала стенки при растяжении. Для чугуна
— коэффициент, характеризующий неодинаковую прочность матери-
= 0,25-0,30, для стали
Допустимые напряжения: для чугунных втулок [] = 90 МПа; для
стальных [
] =180 МПа.
= 1.
29
Приложение 4
4
f
P
4
f
P
2
f
P
R
2
f
P
2
L
L
R
f
D
f
D
a
Ra
L
P
M
f
u
22
Рис. 11. Расчетная схема сил, действующих на
крышку цилиндра при неработающем двигателе (а)
и работающем двигателе (б)
z
р
f
D
Расчет на прочность крышки цилиндра
Например, если квадратная крышка закреплена четырьмя шпильками,
каждая из которых затягивается с силой
на половину крышки действуют две силы
, то справа от опасного сечения
и реакция
. Как уже бы-
ло отмечено, эту реакцию можно считать распределенной по средней окружно-
сти, а у половины крышки — по полуокружности уплотнительного бурта. Со-
гласно правилам механики распределенную нагрузку можно заменить сосредоточенной равнодействующей силой, приложенной в центре тяжести той фигуры,
по которой распределена нагрузка. В данном случае точкой приложения рав-
нодействующей реакции будет центр тяжести полуокружности. С учетом сказан-
ного можно составить расчетную схему сил, действующих на крышку (рис. 11,
а). На половину крышки действует сила затяжки двух шпилек, т. е. сила
приложенная на плече
шпилек). Сила реакции
ра
, т. е. на плече а от опасного сечения. Из геометрии известно, что
от опасного сечения (
— расстояние между осями
приложена в центре тяжести полуокружности диамет-
(41)
Изгибающий момент для рассматриваемого сечения крышки
,
При работающем двигателе на крышку, кроме силы затяжки шпилек,
действует направленное вверх давление газа, достигающее максимального значения
лукруга (для половины крышки) диаметра
, в момент сгорания. Это давление или распределяется по площади по-
(42)
(рис. 11,б). Распределенная
30
нагрузка от действия
z
р
2
f
P
4
2
D
pP
zz
2
f
P
a
D
b
f
3
2
3
2
22
z
f
P
P
R
b
P
aR
L
P
M
z
f
u
222
a
P
aR
L
P
M
z
f
u
23
2
22
a
P
R
L
P
M
z
f
u
23
2
22
a
P
Ra
f
2
a
P
P
a
PP
P
a
P
R
z
f
zz
f
z
23
1
223
2
2223
2
223
1
2
f
z
f
P
P
P
uu
MM
W
M
u
u
может быть заменена сосредоточенной равнодействую-
щей силой
, причем
(43)
Точкой приложения силы
является центр тяжести площади полукру-
га, отстоящий от центра полукруга на расстоянии:
(44)
Сила реакции R' при работающем двигателе
(45)
и будет приложена на том же расстоянии а от опасного сечения, как и
в предыдущей схеме.
Следовательно, изгибающий мент при работающем двигателе
Если учесть, что b = (2/3) а, получим
(46)
(47)
(48)
Сравнивая выражения (42) и (48), можно видеть, что первые члены их
правых частей одинаковы. Второй член выражения (42)
(49)
тогда как второй член выражения (73)
(50)
Поскольку
(51)
очевидно, что
(52)
При работающем двигателе давление газа увеличивает изгибающий мо-
мент, действующий в опасном сечении, которым обычно бывает сечение по
клапанам. Кроме того, при работающем двигателе напряжения изгиба в нижних волокнах днища крышки суммируются с тепловыми, зависящими от тех же
факторов, что и у втулки цилиндра.
Напряжение изгиба для нижних волокон днища крышки может быть определено по формуле
(53)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]