tmmivan

154

характеру нагружения на пусковой, связанный со значительным тепловыделением.

Следовательно, если не ограничить (например, с помощью маховика) колебания угловой скорости электродвигателя, может произойти его перегрев и выход из строя.

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) неравномерность хода обусловлена непостоянством движущих сил (сил от сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах) и соответственно крутящего момента в течении цикла.

При этом неравномерность определяется не только длительностью цикла (у двухтактного она составляет 1 оборот вала (360°), а у четырехтактного 2 оборота вала (720°)) но и конструктивным решением, то есть количеством цилиндров и их взаимным расположением (рядным, V-образным, или звездообразным).

На рис. 8.3 для сравнения представлены графики изменения крутящего момента четырехтактных ДВС с различным количеством цилиндров.

156

Таблица 1.1.

Пульсации крутящего момента и чередование рабочих ходов вызывают знакопеременную закрутку коленчатого вала. Следовательно коленчатый вал двигателя помимо того, что он нагружен крутящим моментом – Мср , дополнительно нагружается знакопеременным циклическим моментом от пульсации движущих сил. Это, в свою очередь, снижает долговечность вала по усталостной прочности. А поскольку, особенно длинные (в многоцилиндровых ДВС), валы являются упругими на кручение, то возникающие при работе двигателя крутильные колебания коленчатого вала на резонансных режимах могут приводить к его разрушению.

Крутильные колебания опасны не только для кривошипноползунного механизма, но так же и для всей механической трансмиссии машины.

157

2. Устройства в которых необходимо совершение вспомогательных (холостых) ходов.

В одноцилиндровых или рядных многоцилиндровых, с кривошипным валом, шатунные шейки которого лежат в одной плоскости, двигателей внутреннего сгорания ( ДВС), паровых машинах, пневмо и гидромоторах рабочий ход совершается при перемещении поршня от верхней ( по отношении к оси кривошипного вала) мёртвой точки (ВМТ) до нижней мёртвой точки (НМТ).

Рис. 8.4. Конструктивная схема кривошипно-ползунного механизма четырехтактного ДВС и его индикаторная диаграмма.

При этом энергия рабочего тела (сгоревшая бензо-воздушная смесь в ДВС, пар в паровых машинах или газ, жидкость в пневмо и гидромоторах) сообщается через поршень, шатун и кривошип главному валу двигателя, приводя его во вращение (рис. 8.4.). Но переместившийся в НМТ поршень, под действием сжатого рабочего тела не может самостоятельно вернуться в исходную позицию – ВМТ. Но

158

если на главном валу двигателя установить маховик, то часть кинетической энергии рабочего тела при движении поршня от ВМТ к НМТ накопится в маховике и, по завершении рабочего хода, позволит преодолевая силы трения и силы инерции поршня и шатуна переместить подвижные звенья двигателя в ВМТ, где начнётся совершение следующего рабочего цикла.

Если совмещённую с кинематической схемой индикаторную диаграмму ДВС (график зависимости давления рабочего тела в цилиндре от перемещения поршня) развернуть по времени процесса (рис. 8.5. и рис. 8.6.), то становится наглядным соотношение времени действия движущих сил к времени цикла-Т.

Для двухтактного двигателя работа движущих сил совершается за время примерно равное половине времени цикла, а для четырёхтактного за время равное четверти времени цикла. И поскольку у четырёхтактного ДВС длительность вспомогательных ходов (выпуск, всасывание свежей смеси, и её сжатие) больше, чем у двухтактного, то следовательно и неравномерность его хода (при прочих равных условиях) выше.

159

Рис. 8.5. График зависимости давления газов в цилиндре четырехтактного ДВС от угла поворота коленчатого вала за один цикл.

Рис. 8.6. График зависимости давления газов в цилиндре двухтактного ДВС от угла поворота коленчатого вала за время цикла четырехтактного ДВС.

160

Следует отметить, что при иных схемах механизмов двигателей потребность в маховике для совершения холостых ходов может быть исключена.

Например в звездообразных, V-образных ДВС с плоским кривошипом или в рядных ДВС но с кривошипом , шатунные шейки которого смещены друг относительно друга.

Рис. 8.7. Кинематическая схема ДВС с звездообразнымрасположением цилиндров в одном ряду.

В ДВС со звездообразным расположением цилиндров и кривошипом с одной шатунной шейкой при попадании одного из поршней в НМТ как минимум один из соседних оказывается в состоянии рабочего хода и своим движением выводит указанный из НМТ (рис. 8.7.).

161

Рис. 8.8. Кинематическая схема рядового трехцилндрового ДВС со смещенными на 120° шатунными шейками.

В схеме рядного (как минимум трёхцилиндрового) но со смещёнными, по углу поворота коленчатого вала, шатунными шейками двигателя, расположение одного из поршней в НМТ определяет нахождение другого на рабочем ходе, что предопределяет непрерывность работы двигателя (рис. 8.8.).

3. Преодоление импульсных (пиковых) нагрузок

Во многих технологических и транспортных машинах на установившемся режиме значение нагрузки на исполнительном органе относительно постоянно. Так обстоит дело в процессе работы токарных, шлифовальных, сверлильных станков, электропоездах, трамваях, грузоподъёмных машинах: кранах, лифтах.

162

А вот в таких машинах как строгальные , долбёжные станки, гильотинные ножницы, щёковые камнедробилки, механические молоты, швейные машины на протяжении большей части рабочего цикла, когда не совершается полезная работа, нагрузка на двигатель также относительно постоянна и незначительна по величине и лишь на той части цикла, когда совершается полезная работа, значение этой нагрузки резко возрастает и достигает своего предельного значения.

При этом соотношение значений движущих сил на подготовительных и холостых ходах, когда исполнительные органы (резец, пуансон молота, игла швейной машины) не контактирует с обрабатываемым материалом, а лишь сближается ним при включенной машине и движущих сил в момент контакта достигает нескольких крат и при этом зависит от свойств обрабатываемого материала.

Близким по характеру хотя и не являющимся циклическим в чистом виде, представляется режим нагружения двигателя пахотного трактора. В момент трогания с места с заглубленным в почву плугом или наезде плугом на значительно уплотнённый участок почвы, нагрузка на двигатель также многократно возрастает.

Простейшим и наименее эффективным решением явилось бы оснащение машины двигателем, момент на валу которого соответствовал бы максимально возможному моменту сил полезного сопротивления на исполнительном органе. Но тогда, с одной стороны, пришлось бы использовать более мощный и следовательно дорогой, тяжёлый двигатель, - с другой стороны работа, затрачиваемая этим двигателем использовалась бы крайне неэффективно и не экономично.

163

Поскольку длительность действия максимальных нагрузок, обусловленных действием сил полезного сопротивления, ко времени длительности цикла невелика, то здесь представляется возможным при установке маховика на главном валу рабочей машины за время холостого хода машины аккумулировать в нём энергию, сообщаемую электродвигателем, а на рабочем ходе передать запасённую маховиком энергию вместе с энергей работающего двигателя исполнительному органу (рис. 8.9.).

Маховик

Шкив ременной передачи

игла

ткань

Рис 8.9. Кинематическая схема привода иглы электрической швейной машины и график изменения силы на исполнительном органе-игле.

Маховик при этом рассчитывается из условия равенства работ, совершаемых двигателем совместно с маховиком на главном валу машины, работе сил полезного сопротивления на исполнительном органе за цикл работы машины.

Рекуперация кинетической энергии позволяет при этом обеспечивать совершение рабочих ходов машины, используя двигатель меньшей мощности при более высоком КПД всей машины.