Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (1)

йРг

Рис. 2.2. Механические нагрузки на детали двигателя

максимумов в мертвых точках поршня, так как именно в этих точках скорости поршня равны нулю, а ускорения - максимальны.

На первой половине хода поршня от ВМТ к НМТ сила Р направ­ лена вверх и препятствует движению поршня (в этот период работа силы инерции отрицательна), а на второй половине хода поршня сила инерции положительна (направлена вниз) и таким образом способствует движению поршня.

Предварительно условимся, что силы, способствующие движению поршня вниз, принимаем положительными и на диаграмме от оси абс­ цисс они откладываются вверх, силы, препятствующие движению пор­ шня, отрицательны и откладываются вниз (см. рис. 2.1).

При отрицательном направлении сил инерции (вверх) они нагру­ жают шатунные болты, вызывая в них растягивающие напряжения, которые при превышении оборотов сверх номинальных или ослабле­ нии затяга болтов могут привести к их разрыву и аварии с весьма тяже­ лыми последствиями.

Сложение сил, приведенных к площади поршня, дает суммарную

силу Р

р= р г+ р -

ееизменение иллюстрируется на рис. 2.1а.

Суммарная сила P может быть разложена на две составляющие (см. рис. 2.2в) - на силу Рш, направленную вдоль шатуна, и силу нор­ мальную N, направленную перпендикулярно оси цилиндра. Нормаль­ ная сила прижимает поршень к втулке цилиндра, а в 2-тактных крейц-

копфных двигателях - ползун к параллелям. Нормальная сила вызыва­ ет перекладку поршня в цилиндре, и при большом износе ЦПГ появля­ ются глухие стуки.

В свою очередь, сила Ршможет быть перенесена вдоль шатуна в центр кривошипного (мотылевого) подшипника и разложена на две составляющие - перпендикулярную к радиусу кривошипа (мотыля) - тангенциальную силу Т и направленную вдоль щеки вала - силу Z. Тангенциальная сила Т создает крутящий момент

Мк р = Т ■R,7

апара сил N и N', на плече Н, создают равный ему, но противоположно

направленный реактивный момент М , который называется опроки­ дывающим моментом, т. к. он, будучи приложенным к опорам двига­ теля, стремится опрокинуть двигатель в сторону, противоположную направлению вращения вала. Под действием крутящего момента в ко­ ленчатом валу возникают напряжения скручивания.

Центробежная сила инерции вращающихся масс

где Мвр - масса вращающихся частей, в которые входят ориентировоч­ но 0,6 массы шатуна, масса кривошипной шейки коленчатого вала и примерно по половине масс щек вала.

Центробежная сила приложена к центру кривошипного соедине­ ния (см. рис. 2.26) и может быть разложена на вертикальную и гори­ зонтальные составляющие Рцви Р . Центробежная сила направлена по радиусу кривошипа от центра вала и не меняет свою величину, если обороты остаются неизменными. Силы инерции действуют в пределах каждого цилиндра и создают моменты, определяемые как произведе­ ние силы на расстояние от оси цилиндра до центра масс двигателя. Эти моменты, даже если они в пределах двигателя уравновешены, со­ вместно с силой давления газов нагружают элементы остова и вызыва­ ют его деформации.

§ 2.2. Термические нагрузки

Детали цилиндро-поршневой группы, образующие камеру сгора­ ния, помимо механических нагрузок испытывают еще и действие вы­ соких температур газов. Воспринимаемый поршнем, втулкой цилинд­ ра и крышкой поток теплоты отводится через их стенки в охлаждаю­ щую воду или масло. Процессу теплоотвода препятствуют термичес-

и тем неравномернее распределяются температуры по поверхности и объему детали.

На рис. 2.3в представлен участок теплопередающей стенки, здесь: t’cm —температура стенки со стороны газов, t"ст- температура со сторо­ ны охлаждения и tcm - средняя температура стенки по толщине.

Наличие перепадов температур At = t' - t"cmвызывает появление в деталях термических напряжений сг, которые совместно с напря­ жениями от механических нагрузок определяют их общее напряжен­ ное состояние.

Термические напряжения рассчитываются по формуле: at = А • At = А ■q ■8/Л,

где А - постоянная, характеризующая физические свойства материала. Из уравнения следует, что термические напряжения пропорцио­ нальны перепаду температур в стенке и увеличиваются с ростом удель­ ного теплового потока (увеличением количества сгорающего в цилин­ драх топлива), толщины стенки, и уменьшаются с ростом коэффици­

ента теплопередачи.

150

115

Рис. 2.4. Распределение температур по поверхностям деталей

ЦПГ 4-тактного двигателя Z40

Физическая сущность возникновения термических напряжений состоит в следующем. Если медленно и равномерно по объему нагре­ вать свободно лежащий на опорах брус, то будет происходить его сво­ бодное удлинение, и термические напряжения в нем не возникают. Если же брус закрепить между жесткими опорами, то при его нагревании со стороны нагрева более горячие слои металла будут стремиться расши­ риться относительно более холодных слоев, сопротивляющихся растя­ гивающим усилиям. В результате в горячих слоях возникают напряже­ ния сжатия, а в холодных слоях - напряжения растяжения.

Тепловое состояние деталей ЦПГ определяет их работоспособ­ ность и надежность в эксплуатации и обобщается термином теплонапряженность двигателя. Это понятие может быть отнесено как к отдельной детали, так и к ее части. Показателями теплонапряженности принято считать температуры стенок деталей и температурные пе­ репады в них.

Работоспособность деталей ЦПГ зависит не только от возникаю­ щих в них термических напряжений, но и от максимальных и местных значений температур, так как с увеличением температуры снижаются прочностные свойства металла, создаются условия для интенсивного нагаро- и лакообразования, ухудшаются условия смазки рабочей по­ верхности цилиндров.

В целях обеспечения надежности двигателей максимальные зна­ чения температур теплонапряженных деталей в процессе эксплуата­

ции для применяемых в настоящее время металлов не должны превы­ шать следующих значений:

Г л аваз

ОСТО ВЫ

Остов двигателя включает (рис. 3.1а): ►фундаментную раму с рамовыми подшипниками 2;

►станину 3 с блоком цилиндров 4 (в рассматриваемой конструк­ ции станина и блок изготовлены заодно);

►цилиндры; ►цилиндровые крышки 5.

Анкерные связи 6 (обычно четыре связи на один цилиндр) соеди­ няют все элементы остова (кроме цилиндровых крышек) в единую жесткую конструкцию во избежание их деформации под действием сил расширяющихся газов и сил инерции. В остове безанкерной конст­ рукции его детали соединены болтами или шпильками.

Условия работы остова определяются действием механических нагрузок, общим тепловым состоянием дизеля и способом соединения деталей остова.

Востове безанкерной конструкции под действием давления сил газов, действующих на поршень и крышку цилиндра (см. рис. 2.1а), стенки остова испытывают растягивающие напряжения.

Востове анкерной конструкции (см. рис. 3.1а) каждую связь затя­ гивают с усилием Р, превышающим максимальную силу при сгорании газов Р /4, действующую на одну связь. Поэтому в неработающем ди­ зеле детали остова испытывают напряжения сжатия от силы 4Р, а во время работы - от разности сил (4Р - Р ).

Врезультате деформация остова, не изменяя своего знака, строго следует за деформацией анкерных связей. При этом сила действия га­ зов PJ2 на каждый рамовый подшипник вызывает изгиб только попе­ речных балок фундаментной рамы, так как реакции PJ4 уравновеши­ ваются на связях, причем изгибающий момент в опасном сечении бу­ дет меньше, чем в безанкерной конструкции, из-за того, что Г < I.

К конструкции осто­ ва предъявляю т следую­ щ ие основные требова­ ния: возможно большая ж есткость, достаточная прочность, возможно мень­ шая масса (масса остова до­ стигает 70% общей массы дизеля).

В ы сокая ж есткость остова дает возможность избежать недопустимых деформаций его деталей, нарушающих относитель­ ное расположение осей де­ талей КШМ. Необходимая

жесткость остова при достаточной прочности и наименьшей массе обес­ печивается главным образом выбором его рациональной конструктив­ ной схемы.

Востове на рис. 3.1а станина 3 выполнена заодно с блоком ци­ линдров 4 (блок-станина) и установлена на фундаментной раме 1; в другой схеме (рис. 3.1 в) станина сделана заодно с фундаментной ра­ мой при отдельном блоке цилиндров. В данных схемах обеспечивается высокая продольная жесткость остова при относительно небольшой массе, уменьшается площадь обрабатываемых поверхностей, однако изготавливать такие остовы технологически сложно.

Рассмотренные конструкции широко используются в среднеобо­ ротных двигателях (СОД) средней мощности.

Всовременных мощных СОД широко применяют остовы, в кото­ рых станина (рис. 3.1 г) выполнена заодно с блоком цилиндров или раздельно (рис. 2Ад). Фундаментная рама отсутствует, но имеется лег­ кий съемный поддон-маслосборник 8.

Рамовые подшипники 7 прикреплены к станине снизу (подвесные подшипники). Такие конструкции позволяют значительно снизить массу остова и упростить центровку подшипников относительно оси колен­ чатого вала.

Вмалооборотных двигателях МОД (п < 200 об/мин) применяют остовы с раздельно изготовленными фундаментной рамой (рис. 3.1е), станиной и цилиндрами или блоком цилиндров. Необходимая жест­ кость остова обеспечивается благодаря большому сечению высоких

поперечных и продольных балок фундаментной рамы, а также приме­ нению блока цилиндров и станины коробчатой конструкции (рис. 3.\ж). Схема позволяет упростить изготовление деталей остова и применить различные материалы для изготовления: для блока цилиндров - чугун, для станины и рамы - сталь.

§ 3*1» Фундаментная рама

Основанием остова дизеля и опорой рамовых подшипников ко­ ленчатого вала является фундаментная рама. Она состоит из двух жес­ тких продольных балок 1 (рис. 3.3а, 3.36), связанных поперечными балками 2 двутаврового, коробчатого или иного сечения, в которых расточены постели (гнезда) 3 для установки рамовых подшипников 4. Поперечные балки разделяют раму на отсеки (по числу цилиндров), в которых вращаются кривошипы коленчатого вала. Опорными полками 5 раму устанавливают на судовой фундамент.

Условия работы рамы определяются действием сил газов и инер­ ции движущихся частей двигателя, а также дополнительных нагрузок, возникающих при деформации корпуса судна и тепловой деформации самого остова.

Материалом для изготовления литых фундаментных рам служит чугун, а сварных и сварнолитых рам - сталь. Применение сварных и сварнолитых конструкций позволяет снизить массу рамы и стоимость ее изготовления.

По конструкции различают цельные и составные рамы. Состав­ ные рамы (см. рис. 3.3) обычно выполняют из двух частей, жестко со­ единенных призонными болтами, что упрощает их изготовление, транс­ портировку и монтаж. Однако жесткость составных рам меньше, и за счет стыков увеличивается площадь обрабатываемых поверхностей.

В опорных полках рамы имеются отверстия 7 для фундаментных болтов (обычных или длинных с дистанционными трубками для уве­ личения их податливости), с помощью которых раму крепят к судово­ му фундаменту. Для предотвращения утечки масла верхнюю опорную поверхность рамы пришабривают к нижней плоскости станины. В ниж­ ней части рамы поддон-маслосборник 6 (см. рис. 3.3а, 3.36) может быть изготовлен заодно с рамой (закрытая рама) или выполнен съемным (открытая рама). Для предотвращения вспенивания масла, ускоряюще­ го его окисление, и попадания в маслосборник посторонних предме­ тов над ним обычно устанавливают сетку или решетку 8 (рис. З.Зг).

Рис. 3.3. Фундаментные рамы

Часть болтов в кормовом конце рамы устанавливают в отверстия, обработанные под развертку (призонные болты), что обеспечивает воз­ можность ее расширения при нагреве в сторону носовой части и со­ хранение центровки. Иногда с этой же целью вместо призонных бол­ тов устанавливают центрирующие штифты. У отдельных отверстий в полках рамы имеется резьба для ввертывания отжимных болтов, ис­ пользуемых для подъема рамы при ее центровке по оси валопровода или вала приводного механизма. Необходимая жесткость фундамент­ ной рамы обеспечивается большой высотой (до 2 м) сварных продоль­ ных балок коробчатого сечения и сварнолитых поперечных балок с