Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

Рис. 1.4, Круговые диаграммы газораспределения дизелей

У двухтактного дизеля с выпуском газов из цилиндра через выпускные окна (контурная продувка) фазы газораспределения относительно НМТ симметричны (рис. 1.4, б), а у дизелей с вып ус» ком газов через выпускные клапаны (прямоточно-клапанная про­ дувка) — несимметричны {рис. 1.4, в).

В эксплуатации на диаграмме газораспределения часто ука­ зывают также моменты начала и конца подачи (фазы) в цилиндр топлива и пускового воздуха, В этом случае диаграмму называют

круговой диаграммой распределения,

1.2. Нагрузки на узлы и детали

Механические нагрузки* Во время работы дизеля его узлы и детали испытывают механические нагрузки, вызываемые дейст­ вием главным образом сил расширяющихся газов Рг, сил инерции Pj поступательно движущихся масс и центробежных сил инерции Р ц неуравновешенных .вращающихся масс,

' Дополнительные нагрузки возникают при монтаже деталей, а также при деформации фундаментной рамы дизеля вследствие де­ формации корпуса судна.

Сила газов, действующая на стенки и крышку цилиндра, а

также поршень (рис. 1.5, а), изменяется в зависимости от угла поворота коленчатого вала и для любого положения поршня мо­ жет быть определена по индикаторной диаграмме.

Сила + Р Г9 действующая на поршень, направлена вниз, нагру­ жает детали КШМ и нижние половины рамовых подшипников (на

10

цилиндра к станине и станины к раме, разорвать цилиндр и ста­ нину.

Две равные и противоположно направленные силы + Р Г и —Р т взаимно уравновешиваются (замыкаются внутри остова) и на су­

мости от угла поворота вала (рис. 1.5, б).

Скорость поршня в ВМТ и НМТ равна нулю, а в средней части хода достигает наибольшего значения, поэтому сила инерции в мертвых точках максимальная, а при наибольшей скорости поршня

— равна нулю и изменяет свое направление. При этом на пер­ вой половине хода поршня от ВМТ сила Pj направлена вверх и препятствует движению поршня (работа сил инерции отрицатель­

силы инерции на мощность дизеля непосредственно не влияют, но увеличивают силы трения, на преодоление которых затрачивает­ ся часть мощности, нагружают детали дизеля и вызывают его вибрацию.

Центробежная сила инерции Р ц неуравновешенных вращаю­ щихся масс (нижняя часть шатуна, кривошипная шейка и часть щек кривошипа коленчатого вала) при данной частоте вращения постоянна по значению и направлена от центра вала по радиусу

и

пряжения. При этом рамовые шейки коленчатого вала могут оста­ ваться на нижних половинах подшипников, так как направленные вверх силы инерции на одном кривошипе уравновешиваюся на­ правленной вниз силой, действующей на соседние кривошипы. Однако при некоторых условиях (число цилиндров, порядок вспы­ шек, режим работы дизеля и др.) рамовые шейки вала могут от» рываться от нижних половин подшипников. В этом случае силы: Pj и Р Цв в течение каждого оборота вала попеременно нагружают нижние и верхние половины рамовых подшипников и стремятся то прижать раму дизеля к судовому фундаменту, то оторвать от него, растягивая фундаментные болты, Возникающие при этом ре­

значительно, а в районе НМТ направлены вниз, поэтому пере­ кладки зазоров в подшипниках не происходит, но силы инерции дополнительно нагружают подшипники и стержень шатуна, а также нижние половины рамовых подшипников, прижимая раму дизеля к судовому фундаменту.

В двухтактном дизеле сила инерции P j в районе ВМТ теорети­ чески всегда меньше силы действия газов Р г? а в районе НМТ направлена вниз, поэтому положение зазоров в подшипниках не изменяется. Однако у двухтактных дизелей с большими массами поступательно движущихся частей и повышенной частотой вра­

изогнуть продольные балки рамы в горизонтальной плоскости, срезать фундаментные болты и сместить дизель в горизонтальном направлении то к одному, то к другому борту судна.

Во время работы дизеля силы действия газов и инерции дей­ ствуют одновременно» Алгебраическая сумма (с учетом знака)

12

сил, действующих по оси цилиндра и воспринимаемых деталями КШМ, называется движущей силой, т. е. Р = Р г ± Pj. Направ­ ление силы Р определяется направлением силы Pj. Если Pj > Р т.

инаправлена вверх, то сила Р также направлена вверх. Движущая сила Р приложена к центру С головного соединения,

действует по оси цилиндра и может быть разложена на две со­ ставляющие (рис. 1.5, в): силу Р ш, направленную по шатуну, и боковую (нормальную) силу F, перпендикулярную оси цилин­ дра. Силу Р т перенесем по линии ее действия на ось кривошипной шейки вала (точка А) и разложим на две составляющие: тангенци­ альную силу Т, касательную к окружности, описываемой радиу­ сом кривошипа, и радиальную силу Z, направленную по этомурадиусу. Силу Z перенесем по линии ее действия в центр О колен­

направлению. У тронковот дизеля (поршень соединен с шатуном при помощи поршневого пальца) сила. F прижимает направляю» щую часть поршня к стенке цилиндра, а у крейцкопфного дизеля (поршень соединен с шатуном при помощи поршневого штока и крейцкопфа) •— ползун крейцкопфа к его направляющей.

опрокинуть его то в одну, то в другую сторону. В результате сов­ местного действия силы F и момента М опр происходит перекладка поршня в цилиндре (или ползуна крейцкопфа) с борта на борт, рабочая поверхность цилиндра подвергается изнашиванию, остов дизеля — изгибу, а фундаментные болты правой и левой сторон рамы дизеля попеременно испытывают растягивающие напряже­

ния.

приводит во вращение коленчатый вал, вызывая в нем скручиваю­

Под действием рассмотренных механических нагрузок элемен­ ты дизеля деформируются, и в них возникают механические напря- жения. Значения этих напряжений и деформаций, их изменение

13

и крышки, неодинаковых условий охлаждения и различных тер­ мических сопротивлений температуры по поверхностям и тол­ щинам стенок этих деталей распределяются неравномерно. При этом чем больше тепловой поток qy проходящий через стенку дета» ли, больше толщины стенки б и меньше коэффициент теплопровод­

вает появление в деталях термических напряжений, которые сов­ местно с напряжениями от механических нагрузок определяют их

ний состоит в следующем. Если медленно и равномерно по объему нагревать свободно лежащий на опорах брус, то будет происхо­ дить его свободное тепловое удлинение, и термические напряжения в нем не возникают. Если же брус установить между жесткими опорами, то при нагревании в нем возникнут напряжения сжатия.

14

Г л а в а 2. ОСТОВ

2.1. Конструктивные схемы

Остов анкерной конструкции (рис, 2.1, а) состоит из фунда­ ментной рамы I с рамовьми подшипниками 2, станины 3 с блоком! цилиндров 4J& данной конструкции станина и блок изготовлены

.заодно) и цилиндровых крышек 5. Анкерные связи 6 (обычно че­ тыре связи на один цилиндр) соединяют все элементы остова (кро­ ме цилиндровых крышек) в единую жесткую конструкцию во из­ бежание их деформации под действием сил расширяющихся газов и сил инерции, В остове безанкерной конструкции его детали со­ единены болтами или шпилькамиЛ

У с л о в и я р а б о т ы остова определяются действием ме­ ханических нагрузок, общим тепловым состоянием дизеля и спо­

В остове анкерной конструкции (см. рис. 2.1, а) каждую связь •затягивают с усилием Р, превышающим максимальную силу при сгорании газов P J 4, действующую на одну связь. Поэтому в не­ работающем дизеле детали остова испытывают напряжения сжа­ тия от силы 4Р,- а во время работы — от разности' сил 4Р — Pz. В результате деформация остова, не изменяя своего знака, строго следует за деформацией анкерных связей. При этом сила дейст­

в опасном сечении будет меньше, чем в безанкерной конструкции из-за того, что Г <С L

Остов можно представить как балку (рис. 2.1, б), верхней полкой которой является блок цилиндров, а нижней — фундамент­ ная рама. Верхняя полка такой балки-остова во время работы ди­ зеля имеет среднюю температуру 60—75 °С, а нижняя 10—25 °С. Разница температур вызывает неодинаковые тепловое расшире­ ние и изгиб остова.

прочность, возможно меньшая масса (масса остова достигает 70 % ■общей массы, дизеля).

Высокая жесткость остова дает возможность избежать недо­ пустимых деформаций его деталей, нарушающих относительное расположение осей деталей КШМ. Необходимая жесткость осто­ ва при достаточной прочности и наименьшей массе обеспечивается

16

главным образом выбором его рациональной к о н с т р у к т и в ­

но й с х е м ы .

Востове на рис, 2.1, а станина 8 выполнена заодно с блоком цилиндров 4 (блок-станина) и установлена на фундаментной раме 1; в другой схеме (рис. 2Л , в) станина сделана заодно с фундамент» ной рамой при отдельном блоке цилиндров. В данных схемах обеспечивается высокая продольная жесткость остова при отно­

сительно небольшой массе, уменьшается площадь обрабатывае­ мых поверхностей, однако изготавливать такие остовы технологи­ чески сложно. Рассмотренные конструкции широко используются в среднеоборотных двигателях (СОД) средней мощности (частота

ко применяют остовы, в которых станина (рис. 2Л, г) выполнена заодно с блоком цилиндров или раздельно (рис. 2.1, д). Фундаментная рама отсутствует, но имеется легкий съемный поддон-масло­ сборник 8. Рамовые подшипники 7 прикреплены к станине снизу (подвесные подшипники). Конструкции позволяют значительно снизить массу остова и упростить центровку подшипников относи­ тельно оси коленчатого вала.

В малооборотных двигателях — МОД (п < 2 0 0 об/мин) ■— применяют остовы с раздельно изготовленными фундаментной рамой (рис. 2.1, е), станиной и цилиндрами или блоком цилиндров. Не­ обходимая жесткость остова обеспечивается благодаря большому сечению высоких поперечных и продольных балок фундаментной рамы, а также применению блока цилиндров и станины короб» чатой конструкции (рис. 2,1, ж). Схема позволяет упростить изготовление деталей остова и применить различные материалы для изготовления: блока цилиндров —■чугун, станины и рамы — сталь. Однако наличие трех плоскостей разъема вызывает необ-

димость обработки и подгонки сопрягаемых поверхностей. Анкерные связи предназначены для разгрузки деталей остова разрывающих усилий, вызываемых давлением газов на поршень

и крышку цилиндра, и связывания их в единую жесткую си» ему.

В анкерной конструкции детали остова постоянно испытывают

.^пряжения сжатия, Замена напряжений разрыва напряжениями сжатия особенно выгодна в чугунных деталях, так как чугун значительно лучше работает на сжатие (предел прочности на сжатие составляет 8—9 МПа, на разрыв 1,8—2,6 МПа), Это дает возмож» ность выполнить детали остова относительно тонкостенными и снизить массу дизеля. Если детали остова изготавливают сталь­ ными сварными, то связи устанавливают для разгрузки сварных швов.

Благодаря упругой деформации связей динамические нагруз­ ки, возникающие во время работы дизеля, поглощаются, и остов испытывает только статические нагрузки.

18

Основной недостаток применения анкерных связей — постоян­

20ХНЗА, 18ХНМА и др. Для устранения концентрации напряже­ ний и контроля качества материала связи шлифуют по всей поверх­ ности.

П о к о н с т р у к ц и и различают связи длинные и корот­ кие, цельные и составные. Длинные связи 3 (см. рис. 2.2, а) стя­

19