Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

лен к торцу остова дизеля. Полости по обе стороны поршня запол­ нены маслом из системы смазки дизеля. Осевые колебания вала вызывают перемещения поршня. При этом масло вытесняется через зазор между поршнем и цилиндром и необходимая энергия демпфи-- рования создается вследствие гидравлического сопротивления при перетекании масла через зазор. Для отвода теплоты при работе демпфера предусмотрена циркуляция масла через входные 6 и вы­ ходные 1 отверстия, а для слива масла из кожуха демпфера — от­ верстие 7.

Для уменьшения амплитуды крутильных колебаний на свободном конце вала (участке наибольших амплитуд колебаний) в ВОД и СОД иногда устанавливают гасители крутильных колебаний:

Принцип действия антивибратора заключается в том, что к од­ ной колеблющейся системе присоединяют вторую систему, способ­ ную колебаться относительно первой. Если на первую систему воздействуют возмущающая сила или возмущающий момент с ча­ стотой, равной частоте свободных колебаний второй системы, то совершать колебания будет только вторая-система, а первая систе­ ма участвовать в колебаниях не будет, т. е. вторая система является динамическим гасителем колебаний первой системы.

В демпфере жидкостного трения (рис. 3.17, б) энергия крутиль­ ных колебаний поглощается вязкой кремнийорганической жидко­ стью — силиконом. К концу коленчатого вала прикреплен корпус 8 демпфера с крышкой 1L Кольцевой маховик 9 может свободно вращаться на втулке 10, Зазор а между корпусом и маховиком заполнен силиконовой жидкостью. Корпус демпфера совершает колебания вместе с валом, а кольцевой маховик стремится сохра­ нить частоту своего вращения неизменной. На преодоление возни­ кающего вязкостного трения жидкости затрачивается энергия коле­ баний и уменьшается их амплитуда. Такие демпферы обычно раз­ мещают за пределами остова дизеля для лучшего охлаждения ок­ ружающим воздухом.

' На конце вала со стороны отбора мощности обычно имеются фланец для соединения с упорным валом, маховиком, или фланцем генератора и шестерня 12 (см. рис. 3.15, б) привода распределитель­ ного вала.. Такое размещение шестерни обеспечивает правильную, спокойную и надежную работу привода распределения вследствие наименьших амплитуд крутильных колебаний на этом участке вала (вблизи узла колебаний) и постоянных зазоров в приводе при тепловом расширении коленчатого вала. Привод длинного распре­ делительного вала иногда располагают в средней части коленча­ того вала, что уменьшает погрешности распределения от скручивания распределительного вала.

90

4.Каковы конструктивные способы уменьшения тепловой деформации

тронка поршня и ее неравномерность?

5.Каковы конструктивные способы снижения механической и тепло­

11.Какие нагрузки испытывают шатунные болты?

12.Какие факторы определяют условия работы крейцкопфных подшип­

ников?

13.Каковы конструктивные способы повышения надежности работы

Г л а в а 4. МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛ ЕНИЯ

4.1. Газораспределительные клапаны

Механизм газораспределения, служащий для управления про­ цессами впуска воздуха в цилиндр и выпуска отработавших газов, состоит из впускных и выпускных органов газораспределения и их приводов.

В четырехтактных дизелях применяют клапанное газораспреде­ ление (рис. 4.1» а). Для обеспечения плотной посадки клапана на седло в приводе клапана предусматривают зазор 6 (во время работы дизеля вследствие нагревания шток клапана удлиняется), который можно регулировать болтом с контргайкой 1.

При набегании выступа кулачковой шайбы 10 на ролик 9 толка­ теля 8 штанга 7 поднимается и поворачивает клапанный рычаг 4 относительно оси 2 кронштейна 3. При этом правый конец рычага нажимает на шток клапана 6 и открывает его, сжимая пружину 5. При выходе выступа шайбы из-под ролика толкателя силой упруго­ сти пружины клапан закрывается. Необходимые фазы газораспре­ деления (моменты начала открытия и конца закрытия клапанов)

9!

Рис. 4.1. Клапанный механизм газораспределения и клапаны СОД

| 92

и законы движения клапанов определяются профилем кулачковых шайб, углом их заклинивания, кинематической схемой клапанно­ го привода и тепловым зазором.

В двухтактных дизелях с прямоточно-клапанной продувкой при­ меняют клапанно-щелевое газораспределение. Для впуска воздуха в цилиндр служат продувочные окна во втулке» которые открывают­ ся и закрываются поршнем» а клапанный механизм управляет вы­ пуском газов.

Клапан приводится в действие от кулачковой шайбы через тол­ катель, штангу 6 (рис. 4.2, а) и клапанный рычаг 4. Промежуточ­ ная тарелка 1 клапанных пружин кронштейнами 8 соединена с кла­ панным рычагом, а тягами 2 — со стойкой 5 рычага (такое крепле­ ние тарелки повышает устойчивость пружин).

В двухтактных дизелях с контурной и прямоточн0“Щелевой про­ дувками применяют щелевое (бесклапанное) газораспределение. Ор­ ганами газораспределения являются продувочные .и выпускные окна во втулке и поршень, выполняющий функции, золотника. У не­ которых дизелей ранней постройки продувочные окна перекрыты автоматическими пластинчатыми продувочными клапанами (Фиат), а выпускные окна — вращающимися заслонками (Зульцер типа RD).

клапана (см. рис. 4.1, а), силами инерции движущихся частей Pj, силами упругости клапанных пружин Рш и усилием. со стороны толкателя Р т, являющимся нормальной составляющей от силы действия кулака на толкатель.

В момент начала открытия скорость клапана возрастает от нуля до максимума, силы инерции клапанного механизма, направ­ лены в сторону, противоположную движению толкателя (к распре» делительному валу), и прижимают ролик толкателя к кулачковой шайбе. К моменту полного открытия скорость клапана уменьша­ ется от максимума до нуля, силы инерции имеют противополож­ ное направление (от распределительного вала) и стремятся отор­ вать ролик толкателя от кулачковой шайбы, но этому препятст­ вуют клапанные пружины. При закрытии клапана действия сил инерции и клапанных пружин будут аналогичными. Отрыв ролика толкателя от кулачковой шайбы приводит к повреждению их ра­ бочих поверхностей, ударам в клапанном механизме, разбиванию фасок клапана и седла, нарушению фаз газораспределения, поэто­ му сила упругости пружин должна быть всегда больше сил инер­ ции клапанного механизма.

Клапанные пружины испытывают знакопеременную нагрузку, и их материал работает на усталость. Во время работы температу­ ра пружины возрастает на 40—50 °С, а при совпадении частоты соб­ ственных колебаний с частотой возмущающей силы подвержена резонансу, приводящему к поломке.

93

Высокие термические нагрузки газораспределительных клапа­ нов обусловлены их соприкосновением с горячими газами. Клапан воспринимает теплоту через плоскость тарелки от газов в цилиндре (около 80 %) и через поверхность перехода от тарелки к штоку от выпускных газов (около 15 %). Теплота отводится двумя путями: от тарелки к седлу и далее в охлаждующую воду; через шток к направляющей и далее в массу металла и охлаждающую воду»

Температура тарелки впускного клапана может' быть более низкая (300—400 °С), чем выпускного (450—520 °С), так как он ох­ лаждается воздухом во время процесса наполнения; тарелка же выпускного клапана омывается горячими газами. Высокие темпера­ туры ухудшают механические .свойства материала, вызывают эро­ зию, коррозию, коробление и неплотное прилегание клапана к сед­ лу, увеличивают опасность заедания штока клапана в направляю­ щей, а иногда приводят к прогоранию тарелки.

К конструкции деталей механизма газораспределения предъяв­ ляют следующие о с н о в н ы е т р е б о в а н и я: газораспреде­ лительные клапаны должны иметь возможно большие проходные сечения (для улучшения очистки цилиндра от газов и наполнения его воздухом), меньшие температуру и массу (для уменьшения сил инерции); материал клапанов должен быть жароупорным, износо­ стойким, вязким и не должен закаливаться на воздухе (для пре­ дотвращения образования закалочных трещин); клапанные пружи­ ны должны быть достаточно упругими и иметь высокую усталост­ ную прочность; клапанные рычаги, штанги и толкатели ■— жест­ кими, прочными при возможно меньшей массе (для уменьшения

(хромоникелевая), ЭСХ8М (сильхромовая) или Х14Н14В (хромоникелеванадиевая). В форсированных дизелях для повышения износо- и коррозионно-стойкости фаску тарелки клапана (иногда и седла) покрывают стеллитом или нихромом, а шток клапана азо­

15ХА, 12ХНВА; для повышения поверхностной твердости шайбы цементируют и закаливают.

Распространены следующие к о н с т р у к ц и и клапанов. Клапаны без корпуса устанавливают непосредственно в крыш­

ку цилиндра, что позволяет увеличить проходные сечения для воз­ духа и газов, но при этом необходим демонтаж крышки для осмотра и притирки клапанов. В четырехтактном дизеле выпуск газов всег­ да обеспечивается выталкивающим ходом поршня, поэтому для улучшения наполнения цилиндра воздухом диаметр впускного кла­

95

пана иногда увеличивают (приблизительно на 20 %) за счет умень­

газораспределительных клапана (в форсированных ВОД число клапанов иногда увеличивают до шести), а в двухтактных МОД и СОД ■— один, два, три или четыре выпускных клапана. Увеличе­ ние числа клапанов усложняет конструкцию цилиндровой крышки* но снижает их механическую и тепловую напряженность вследст­ вие уменьшения диаметра и массы. Резкое нарастание сечения четырех клапанов в начале свободного выпуска дает возможность увеличить степень расширения газов в цилиндре при сохранении достаточного импульса давления газов для привода газотурбокомпрессора. Кроме того, применение одной форсунки в четырехкла­ панной крышке (против двух или трех при одном выпускном кла­ пане большого диаметра) улучшает процессы смесеобразования и сгорания топлива.

Клапан без корпуса (рис. 4.1, б) состоит из штока 19 и тарел­ ки 22 с конической рабочей фаской. Чаще всего применяют клапаны с утлом фаски 45°, обеспечивающим большие жесткость клапана и плотность его посадки на седло, лучшую самоцентровку во вре­ мя работы и при притирке, лучший отвод теплоты от тарелки, наи­ более выгодную форму газового потока при полном открытии кла­ пана,

При уменьшении угла фаски до нуля увеличивается проход­ ное сечение клапана и уменьшается давление на его фаску, но рез­ кое изменение направления газового потока увеличивает гидравли­ ческие потери, а более острая кромка тарелки клапана быстрее об­ горает.

Фаска тарелки прижимается к седлу, протачиваемому в крыш­

чеканкой). Фаску и седло тщательно притирают. Шток 19 клапана перемещается в направляющей втулке 18. Клапан прижимается к седлу пружинами 15, упирающимися в нижнюю 16 и верхнюю 11 тарелки. Верхняя тарелка удерживается коническими полуколь­ цами (сухарями) 13 на конической шейке 14 штока клапана (приме­ няют и другие способы крепления). Для предотвращения разбива­ ния торца штока в него вставляют закаленный сухарь 12 или уста­ навливают колпачок.

Клапан с корпусом (рис. 4.1, в; 4.2, б#в) конструктивно слож­ нее, имеет меньшее проходное сечение, но удобнее в эксплуатации* так как возможны осмотр, притирка и замена без демонтажа ци­ линдровой крышки.

Для снижения тепловой напряженности клапанов применяют следующие способы: тарелку клапана для уменьшения тепловоепринимающей поверхности выполняют по возможности плоской

96

(см. рис. 4.2, б, в) или направляющую, шток и тарелку клапана во­ дой» подводимой по гибким патрубкам 28 (рис. 4.1, в), сверлениям

итрубке 24 в штоке.

Всовременных дизелях часто предусматривают автоматиче­ ский поворот клапанов относительно оси во время работы дизеля,

и седла и их некоторую самопритирку. Наиболее просто это дости­ гается установкой специальных лопаток 18 (рис. 4.2, б) на нижней

.части штока, которые под действием газового потока поворачивают­ ся вместе с клапаном. Иногда для принудительного поворота кла­ панов применяют специальные устройства (ротокап — вращаю­ щая головка, ротокойл — вращающая пружина и др.).

В механизме «Ротокап» (см. рис. 4.1, г) в обойме 25 имеется шесть гнезд по направлению вращения, в которых шарики 26 вин­ товыми пружинами прижимаются к верхнему концу наклонной дорожки качения. ' Встречной дорожкой качения служит коль­ цо 27. На внутренний край обоймы опирается тарельчатая пружина 28, через которую действует крышка 29 для передачи сил клапан­ ной пружины. Устройство для вращения клапана удерживается стопорным кольцом 30. При открытии клапана тарельчатая пружи­ на сжимается и заставляет шарики скатываться по наклонным до­ рожкам качения и кольцу качения. Под действием скатывающегося шарика обойма с клапаном поворачивается относительно крышки клапанной пружины. При закрытии клапана тарельчатая пружи­ на, а затем и шарики разгружаются и возвращаются в исходное положение.

Клапанные пружины выполняют с разными направлениями вит­ ков для предотвращения попадания витков одной пружины между витками другой в случае поломки одной из них. Установка несколь­ ких пружин на один клапан (две, три, четыре) позволяет устра­ нить их резонанс: каждая пружина имеет свой период колебаний и при попадании в резонанс одной из них другие являются гасите­ лями колебаний. При установке нескольких пружин одновремен­ но уменьшаются их размеры, снижаются напряжения в витках, повышается частота собственных колебаний и устойчивость пружин во время работы, повышается надежность работы клапана.

Для уменьшения амплитуды собственных колебаний пружин

применяют неравномерный шаг навивки, демпферы колебаний в виде пластинчатых пружин, конические пружины.

Концевые (опорные) витки пружины для образования кольце­ вой опорной поверхности сближают до соприкосновения и сошлифовывают по плоскости, перпендикулярной к оси пружины.

4.2, Приводы клапанов

Клапанные рычаги для обеспечения необходимой жесткости и прочности при возможно меньшей массе изготавливают ковкой или штамповкой и придают им тавровую или двутавровую форму, а штанги выполняют в виде стальных труб с наконечниками раз­ личных конструкций (см. рис. 4.1, а).

Толкатели для уменьшения массы обычно изготавливают в ви­ де пустотелых стаканов. В СОД и МОД применяют роликовые тол­ катели (см. рис. 4.1, а). Для уменьшения износа ролик устанавли­ вают на игольчатый подшипник (см. рис. 4.2, а), а для разгрузки клапанных пружин от сил инерции и уменьшения их размеров в толкателе часто устанавливают дополнительную пружину.

Из-за наличия теплового зазора в приводе клапана его дви­ жение начинается к заканчивается ударом, вызывающим дополни­ тельные напряжения в седле и тарелке, пружине и на поверхностях контакта клапанного механизма.

■Для обеспечения безударной работы и снижения шума в МОД с прямоточно-клапанной продувкой применяют толкатели с гидрав­ лическим амортизатором — демпфером, автоматически выбираю­ щим тепловой зазор (см. рис. 4.2, а). Штанга 14 опирается на пор­ шень 13 гидравлического демпфера 8. Корпус толкателя 7 в ниж­ ней части постоянно заполнен маслом, поступающим из циркуля­ ционной системы по отверстиям а. Поршень 13 демпфера плотно притерт к цилиндру 12, пружина 9 постоянно отжимает штангу вверх. Под поршень масло поступает через невозвратный клапан (см. узел /), который открывается вследствие давления масла, когда ролик 11 толкателя 10 находится на цилиндрической части кулачной шайбы. При движении толкателя вверх давлением мас­ ла на тарелку клапана он закрывается, и усилие от толкателя пере­ дается через масляную «подушку» между поршнем 13 и цилиндром 12 демпфера. При открытом клапане часть масла вследствие большо­ го давления выжимается через зазор. При изменении режима рабо­ ты дизеля,,изменяются температура штока клапана, его длина и ко­ личество масла под поршнем демпфера, обеспечивая безударную эластичную связь между цилиндром и поршнем. Выжатое из ци­ линдра масло компенсируется его поступлением через . клапан.

Для уменьшения массы движущихся частей и сил инерции клапанного привода, снижения шумности и повышения надежно­ сти работы (благодаря устранению боковых сил, действующих на шток клапана) в современных МОД механический клапанный при- , вод заменен гидравлическим.

Гидравлический привод состоит из масляного гидротолкателя, приводимого кулачной шайбой, и поршневого серводвигателя, воз­ действующего на шток клапана в момент его открытия. Закрывается клапан пружинами. В дизелях последних моделей клапан открыва­

98