СДВС_курсовой / МКП5а

2. Определяют и строят (рис. 7) на листе 1 силу инерции возвратно-поступательно движущихся масс, отнесенную к единице площади поршня:

МПа, где: - угловая частота вращения коленчатого вала, рад/сек, F_n – площадь днища поршня, м².

3.Вычисляют и строят в зависимости от  (рис5) суммарную силу, действующую на поршень / обычно графически /, получив развернутую диаграмму: , МПа

4.Рассчитывают и строят на листе 1 силу Р_N , действующую на стенку цилиндра, силу Р_ш, направленную вдоль оси шатуна, а также радиальную Z и тангенциальную Т силы в зависимости от , действующие на шатунную шейку коленчатого вала:

N= , кН; , кН; Z = , кН,

Т=, где: tg= , , cos@1 – 0.25(1 - cos), .

Обычно значения тригонометрических функций в этих формулах для различных значений и даны в справочной литературе по дизельным двигателям.

6. Подсчитывают значения крутящего момента в функции угла поворота коленчатого вала для одного цилиндра:

Результаты проведенных расчетов сводят в табл.5

Таблица 5

	Рг, МПа	Рj,, МПа	, МПа	РN, кН	Рш, кН	Т, кН	Z, кН	T×r кНм
0 15 30 . . . 720

7. Определяют суммарный крутящий момент двигателя. Так как рабочий цикл одноцилиндрового отсека четырехтактного двигателя протекает за два оборота коленчатого вала, то у двигателей с равными угловыми интервалами между вспышками суммарный индикаторный крутящий момент имеет периодичность изменения град, а для двухтактных – 360/Z, град, где Z – число цилиндров. Расчет индикаторного суммарного крутящего момента сводится к графическому или алгебраическому суммированию крутящих моментов со сдвигом фаз, равным углу между вспышками в цилиндрах. Обычно суммирование производят табличным способом, данные для которого заимствуют из табл.5. По результатам расчета на листе строят кривую суммарного индикаторного крутящего момента двигателя .

8. Подсчитывают среднее значение крутящего момента кНм.

9. Определяют действительный средний крутящий момент: , кНм,

где: кВт; n, мин^-1. Относительная погрешность не более 5%.

10. На листе строят полярную диаграмму нагрузок на шатунную шейку. Удобнее всего диаграмму строить методом координат Т, Z .Ось Т направлена перпендикулярно кривошипу, ось Z–вдоль кривошипа. Положительными принимаются направления осей вправо (Т) и вниз (Z). Для каждого положения шатунной шейки через 15^о угла поворота колена вала на осях откладывают значения сил Т и Z , подсчитанные выше или построенные на диаграмме листа 1. Затем их векторно складывают, получив семейство точек, которые последовательно соединяют плавной кривой. Для учета влияния центробежной силы от неуравновешенных вращающихся масс, приведенных к оси шатунной шейки, начало координат переносят вниз по оси Z на величину R =m_rr² .

По полученной диаграмме строят диаграмму износа шатунной шейки, а также диаграмму сил, действующих на коренную шейку. Для V – образных двигателей при построении полярной диаграммы нагрузок на шатунную шейку от двух цилиндров одного отсека учитывают порядок их работы и угол развала между ними. При одинаковом порядке работы цилиндров в обоих блоках цилиндров полярные диаграммы нагрузок на шатунные шейки одинаковы для всех V – образных отсеков двигателя. Методика построения диаграммы износа шатунной шейки излагается в лекционном курсе.

5. Научно-исследовательский раздел

Научно-исследовательский раздел выполняется по индивидуальным заданиям, выдаваемым кафедрой СЭУ и А студентам, проявившим склонность и способности к научно-исследовательской работе, к научному анализу проблем развития современных судовых дизелей.

Темами для научно-исследовательского раздела могут быть:

• вариантные расчеты по двигателю в целом или по его отдельным деталям с целью определения оптимальных решений при проектировании;

• экспериментальные исследования, их результаты, выполненные студентом в лаборатории;

• исследование влияния различных факторов на экономические показатели работы двигателя;

• анализ различных мероприятий, направленных на снижение расходов топлива и масла, повышение надежности двигателя и его узлов и др.;

• расчет деталей и систем двигателя по новым методам, выходящим за рамки учебной программы;

• проведение анализа состояния одного из актуальных вопросов по двигателестроению с составлением достаточно полного обзора литературных источников по этому вопросу;

• разработка современных конструкций деталей К.Ш.М. и других на основе современных методик расчета, применения соответствующих материалов и использования достижений отечественных и зарубежных фирм;

• разработка оригинальных устройств, обеспечивающих, например, образование водо-топливных эмульсий в системе топливоподачи;

• обзор литературных источников по снижению токсичности отработавших газов и другие задания. При большом объеме научно-исследовательского раздела, другие части курсового проекта по согласованию с руководителем соответственно сокращаются.

В научно-исследовательский раздел могут быть включены результаты расчета на ПЭВМ характеристик проектируемого дизеля или газодизеля. Целесообразно также сравнить полученные результаты расчета с данными дизеля-прототипа. Описать преимущества и недостатки проектируемого дизеля и дать рекомендации по оптимизации его параметров при эксплуатации. Целесообразно также отразить значимость регулировочных характеристик, представляющих собой зависимости отдельных показателей дизеля от угла опережения подачи топлива, фаз газораспределения, давления распыливания топлива, давления наддува, расположения форсунки по высоте камеры сгорания, если их снимать в стендовых условиях.

6. УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ

6.1 Условия уравновешенности двигателя

В одноцилиндровом отсеке многоцилиндрового дизеля действуют центробежные силы: Р_r = m_rw²r,

Силы инерции первого порядка: Р₁ = m_srw² cos j = C₁ cos j,

Силы инерции второго порядка: Р_II=

При полной динамической уравновешенности двигателя должны выполняться условия:

; ; ;

; ;

т.е. сумма всех сил и моментов от этих сил, действующих при работе двигателя, должна быть равна нулю. Приведенные условия выполняются, если у многоцилиндрового двигателя коленчатый вал зеркально симметричен относительно центра тяжести и динамически сбалансирован, поршневые комплекты и шатуны подогнаны по массе.

При проведении аналитических исследований уравновешенности сложную конструктивную схему дизеля расчленяют на простые элементы, рассматривают их по отдельности и в целом. Аналитические выражения затрудняют исследования динамической уравновешенности, т.к. для разработки единого алгоритма, пригодного для анализа на ЭВМ уравновешенности дизеля сложной конструктивной схемы, необходимо составить и описать алгоритм решения задачи. Решение задачи сводится к нахождению главных векторов всех сил инерции, главных векторов моментов от этих сил и расположения их относительно плоскости первого кривошипа коленчатого вала. Это необходимо для расположения уравновешивающих противовесов.

С увеличением количества цилиндров улучшаются уравновешенность и равномерность хода двигателя, облегчается его ход, уменьшается масса маховика. Однако увеличение количества цилиндров приводит к усложнению конструкции двигателя, к росту затрат на его обслуживание в эксплуатации и к возникновению в рабочем диапазоне сильных резонансов крутильных колебаний коленчатого вала.

При выборе схемы расположения цилиндров: рядных – до девяти, V-образных от четырех и до девяти в ряду, особое внимание уделяют выбору угла развала цилиндров . От значения зависит уравновешенность двигателя, равномерность его хода и габаритные размеры. Наибольшее распространение получили углы развала = 60, 90^о.

Достоинством V-образных двигателей по сравнению с однорядными той же мощности является меньшая удельная масса дизеля, меньшие габаритные размеры, повышенные жесткости блока и коленчатого вала.

При проектировании дизеля в его конструкции предусматривают, если необходимо, привод уравновешивающего механизма, полость для установки гасителя крутильных колебаний коленчатого вала.

Уравновешивание двигателей проводят в следующем порядке.

1. Выбирают схему заклинки кривошипов коленчатого вала, зависящую от тактности работы двигателя, количества цилиндров и их расположения. Если дизель многорядный, например, V- образный, то чередование вспышек в одном ряду должно быть равномерным. При этом угол заклинки кривошипов коленчатого вала для четырехтактных двигателей и - для двухтактных. Здесь Z – количество цилиндров в одном ряду. Схема коленчатого вала должна быть симметричной (рис.9.) относительно его центра тяжести. При симметричной и несимметричной схемах вала (рис.10.) исследуют уравновешенность двигателя.

Симметричная схема коленчатого вала.

Рис9.

Несимметричная схема коленчатого вала.

Рис10.

2. Определяют результирующие силы инерции, центробежные силы и моменты от этих сил.

3. По критериальным зависимостям оценивают уравновешенность дизеля.

При недостаточной уравновешенности двигатель уравновешивают с помощью противовесов.

При оценке уравновешенности графическим способом пользуются радиус-векторами, С_I и С_II , направленными вдоль радиуса кривошипа и вращающимися вместе с ним. При этом радиус-векторы С_I и С_II – фиктивные, радиус-вектор С_I вращается с угловой скоростью , а ридиус-вектор С_II вращается с угловой скоростью 2. Радиус-векторы С_I и С_II фиктивные потому, что силы инерции поступательно движущихся масс действуют вдоль оси цилиндра, а действительными являются только проекции этих радиус – векторов на ось цилиндра.

Прежде, чем приступить к расчету и конструированию противовесов, дополнительных валов и их приводов, производят приблизительную оценку допустимой неуравновешенности двигателя по критериальным зависимостям. Наибольшее распространение получили критерии Климова - Стечкина – Каца 6 . По этим критериям двигатель- прототип с известными габаритами и массой представляется подвешенным на упругой нити, закрепленной в его центре тяжести. Под воздействием вычисленных выше сил и моментов он совершает линейные вертикальные колебания:

и линейные горизонтальные колебания: ,

где: L, H, B – длина, высота ширина двигателя по основному массиву металла остова , м;

d – диаметр цилиндра, м; Р_r, P_I , P_II в H; m_дв. – масса двигателя, кг; М_r, М_I , М_II в Н×м;

- угловая частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме работы двигателя.

Дизель считается хорошо уравновешенным при ; , и плохо уравновешенным, если ; .

На примере четырехтактного рядного трехцилиндрового двигателя ниже представлена методика его уравновешивания. Используя ее, студент сможет оценить уравновешенность выбранного дизеля с несимметричной схемой коленчатого вала.

В данном примере плоскости кривошипов коленчатого вала расположены в пространстве под углом 240^о , а это угол , на который отстает второй кривошип вала от первого. Схема вала приведена на рис.8.

Векторы центробежных сил P_ri, фиктивные векторы С_Ii сил инерции

первого порядка и их векторные суммы в трехцилиндровом рядном двигателе.

Рис. 11.

При анализе уравновешенности многоцилиндровых двигателей, можно рассматривать схемы коленчатых валов не в пространственном изображении (рис. 11.), а на виде спереди (рис.11). Это удобно при векторном сложении центробежных сил и фиктивных векторов сил инерции первого порядка (рис.11), а так же сил инерции второго порядка .

Из рис.11 следует, что и , если .

Учитывая, что, векторы и лежат в плоскости кривошипа коленчатого вала, вращаются с частотой  и их векторное сложение дает качественно подобные результаты, оценим уравновешенность трехцилиндрового двигателя только от действия моментов центробежных сил. Для этого рассмотрим рис 12.

Действие моментов центробежных сил в трехцилиндровом

рядном двигателе.

Рис12.

На рис.12.а) показано направление вектора момента , на рис.9 б) направление вектора момента на виде спереди. На рис. 12 в) и г) изображено направление вектора . От центробежной силы, действующей на второй кривошип коленчатого вала, вектор =0, так как вектор этой силы проходит через ц.т. Геометрическое сложение векторов и дает результат, показанный на рис 13.

Уравновешивание суммарного момента центробежных сил в трехцилиндровом рядном двигателе.

Рис. 13.

Как следует из векторной диаграммы рис. 13 б), плоскость I-I действия суммарного моментаотклонена от плоскости первого кривошипа на угол 30 ^о. В этой плоскости и располагают противовесы, как показано на рис. 13а). Таким образом, момент от пары сил уравновешивает суммарный момент от центробежных сил масс , приведенных к осям шатунных шеек. Масса противовеса может быть вычислена по формуле: =.

Эта зависимость получена из равенства , что следует из рис. 13б), поэтому: =2M_rcos 30^o = _.

По аналогии, масса противовеса , необходимая для уравновешивания суммарного момента от сил инерции первого порядка, определится по формуле: =,

где: С- расстояние между центрами масс уравновешивающих противовесов, м.

Рассмотрим действие сил инерции второго порядка на трехцилиндровый рядный двигатель (рис.13). Фиктивные векторы С_II вращаются с удвоенной частотой 2. Их векторная сумма .

Действие сил C_II и их векторная сумма в трехцилиндровом двигателе.

Рис. 14.

На рис 14 показано, что вектор С_II, действующий на второй кривошип (действие силы инерции Р_II во втором отсеке двигателя), повернут в сторону вращения коленчатого вала относительно вектора С_II, действующего на первый кривошип, на угол, равный 240^о. В данном случае схема коленчатого вала видоизменилась, т.е. стала фиктивной. При этом действие сил инерции Р_II по отсекам двигателя остается прежним, откуда следует, что и векторная сумма .

На рис. 15 представлены действие моментов М_II, возникающих от фиктивных сил С_II, и их векторная сумма. Направление векторов моментов выбрано в соответствии с рис 12. Плоскость действия суммарного момента повернута относительно плоскости первого кривошипа коленчатого вала. Таким образом, графическим способом найдены все неуравновешенные суммарные силы и моменты, действующие в трехцилиндровом однорядном двигателе. Из рис 15 следует, что неуравновешенный суммарный момент , возникающий от сил инерции Р_II, может быть определен по зависимости

=2М_IIcos 30^о= = P_II×а, а масса одного противовеса, расположенного в плоскости II – II, вычислена по формуле: .

Действие моментов М и их векторная сумма в трехцилиндровом двигателе.

Рис. 15.

В результате анализа уравновешенности и определения масс уравновешивающих противовесов, принимают решение по их применению. На рис. 13., например, дана схема полного уравновешивания трехцилиндрового рядного двигателя. Здесь моменты от сил инерции Р_I и Р_II уравновешиваются методом Ланчестера.

29