- •Содержание
- •1 Исследование объекта диагностирования
- •1.1 Фундаментная рама
- •1.2 Коленчатый вал
- •1.3 Подшипники коленчатого вала
- •1.3.1 Коренные подшипники
- •1.3.2 Шатунная группа. Кривошипные подшипники
- •1.4 Описание конструкций подшипников коленчатого вала
- •1.4.1 Дизели типа д49
- •1.4.2 Дизели тина ра
- •1.4.3 ДвигателиL20
- •1.4.4 Двигатели типаL/v26,32,38,46
- •1.4.5 Дизель 16lva24
- •1.5 Теоретические основы работы подшипников коленчатого вала
- •1.6 Виды повреждений подшипников коленчатого вала
- •1.6.1 Классификация повреждений вкладышей подшипников
- •1.6.2 Кавитационное изнашивание подшипников
- •2 Основы технического диагностирования
- •2.1 Задачи диагностики в процессе технической эксплуатации
- •2.2 Основные принципы технической диагностики
- •2.3 Анализ объекта диагностирования
- •2.4 Диагностические параметры
- •2.4.1 Выбор диагностических параметров
- •2.4.2 Определение информативной ценности диагностических параметров
- •3 Методы и средства безразборного диагностирования
- •3.1 Диагностика по виброакустическим параметрам
- •3.1.1 Аппаратура для контроля вибрации
- •3.1.2 Датчики вибрации
- •3.2 Диагностика по концентрации продуктов износа в масле
- •3.2.1 Фотоэлектрическая установка мфс-3
- •3.3 Использование теплогидравлических параметров для диагностирования
- •3.3.1 Измерение гидродинамических давлений в смазочном слое
- •3.4 Анализ технического состояния подшипников по толщине масляного слоя и перемещению вала.
- •3.4.1 Измерение траектории движения центра вала и толщины смазочного слоя
- •4 Основы построения систем технического диагностирования
- •4.1 Общие требования к системам технического диагностирования
- •4.2 Принципы структурного построения систем технического диагностирования
- •4.3 Экономическая оценка систем технического диагностирования
- •5 Разработка функциональной схемы системы комплекса
- •10 13 10
- •5.1 Выбор аппаратуры
- •Заключение
- •Список использованных источников
1.2 Коленчатый вал
Коленчатый вал служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное и передачи вращающего момента потребителю мощности.
Это одна из наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей. Стоимость вала может достигать 30 % стоимости дизеля, а масса — до 15 % его массы.
Коленчатый вал (рисунок 1.2) состоит из кривошипов (колен) (2), свободного конца (1), конца (4) отбора мощности и жесткого соединительного фланца (3).
При относительно небольших размерах и массе вал по длине является цельным. Кривошип состоит из двух рамовых шеек (8), размещенных в рамовых подшипниках (10), двух щек (7) и шатунной (кривошипной) шейки (6), соединенной с нижним концом шатуна (9).
На валу размещены шестерня (5) привода вспомогательных механизмов, противовесы (11), шестерня (12) привода распределительного вала, маховик, иногда — демпфер осевых колебаний вала или гаситель крутильных колебаний.
Условия работы. Коленчатый вал воспринимает, нагрузки от действия сил газов и сил инерции поступательно движущихся и вращающихся масс. Эти силы вызывают знакопеременные скручивающие и изгибающие моменты,износ шеек вала и подшипников, а также усталостные явления в местах наибольшей концентрации напряжений (галтелях, сверлениях).
Периодически изменяющийся вращающий момент вызывает крутильные (вал скручивается и раскручивается), поперечные (под действием сил инерции) и осевые (вал сжимается и растягивается вдоль оси) колебания, которые при резонансе могут вызывать значительные дополнительные напряжения и привести к поломке вала. Дополнительные напряжения в валу возникают также при искривлении его оси вследствие неправильной укладки, неравномерного износа рамовых подшипников или деформации фундаментной рамы дизеля.
Рисунок 1.2 – Коленчатый вал
Составляющие силы Рш, действующей по оси шатуна — тангенциальная Рт и радиальная Рр, — вызывают реакции рамовых подшипников Рт/2 и Рр/2. Вращающие моменты, передаваемые через первую и вторую рамовые шейки, соответственно равны Мв и М'в.
Реакции от сил Рт и Рр изгибают шатунную шейку (опасное сечение I - I), щеки кривошипа (опасное сечение II - II) и рамовые шейки (опасное сечение III - III), а вращающий момент Мв от других цилиндров скручивает шатунную и рамовые шейки. Щека дополнительно сжимается радиальной силой Рр/2 и скручивается моментом от силы Рт/2.
Так как силы инерции Рj в верхней мертвой точке (ВМТ) направлены вверх и разгружают детали движения и коленчатый вал от направленных вниз сил действия газов Рг ,то одним из наиболее тяжелых режимов работы коленчатого вала и других деталей дизеля является режим пуска, когда максимальное давление сгорания в цилиндре может превышать в 1,3—1,5 раза давление на номинальном режиме, а силы инерции незначительны. Вместе с тем во время работы дизеля возникающие от сил Рj моменты Мj стремятся изогнуть коленчатый вал в плоскостях их действия. Деформация вала воспринимается рамовыми подшипниками (наибольшую нагрузку воспринимают центральные подшипники).
К конструкции коленчатого вала предъявляют следующие основные требования: возможно большие жесткость и прочность при наименьшей массе; высокая износостойкость шеек; динамическая уравновешенность (все массы должны быть расположены так, чтобы не было неуравновешенных пар).
Материал для изготовления коленчатых валов: углеродистая сталь 35, 40, 45, 50, 35Г и 45Г (для малооборотных дизелей(МОД) и среднеоборотных дизелей(СОД) средней мощности), легированная сталь 40ХН, 40ХНВА и др. (для ВОД и мощных СОД); легированная сталь не увеличивает жесткости вала, но повышает его усталостную прочность и износостойкость.
Валы дизелей малой и средней мощности иногда изготовляют из высокопрочного модифицированного чугуна с шаровидным графитом ВЧ45-5, ВЧ50-2. Преимущества чугунных валов: меньшая стоимость изготовления; возможность использования более рациональных конструктивных форм (с точки зрения снижения концентрации напряжений); меньшая чувствительность, к концентраторам напряжений (рискам, царапинам и т. п.); повышенная износостойкость шеек (вследствие наличия в чугуне графита и хорошей смачиваемости шеек маслом). Недостатки: пониженные жесткость и прочность, и трудность обнаружения внутренних литейных пороков.
Кривошипы. Кривошип (колено) вала изготовляют цельным (рисунок 1.3 а), полусоставным (рисунок 1.3 б) или составным (рисунок 1.3 в). В полусоставных и составных кривошипах соединение отдельных частей обеспечивается горячей посадкой или холодом (без шпонок или стопоров). Достаточное обжатие достигается натягом 1/800—1/10000 при нагреве до 200—250 °С. Полусоставные и составные кривошипы применяют главным образом для валов с большими диаметрами шеек в МОД.
Угол заклинивания кривошипов и порядок вспышек в цилиндрах выбирают из условий наибольшей равномерности вращающего момента, наиболее полного уравновешивания, равномерной нагрузки на рамовые подшипники, оптимального использования энергии выпускных газов для наддува, наименьших дополнительных напряжений от крутильных колебаний.
Для обеспечения равномерного вращения коленчатого вала вспышки в цилиндрах должны происходить через одинаковые углы поворота коленчатого вала: для четырехтактных дизелей φ= 720/i, для двухтактных φ = 360/i (где i — число цилиндров). У высокооборотных дизелей(ВОД) условие наиболее полного уравновешивания часто является решающим и угол φ может быть другим. Для равномерного нагружения вала и рамовых подшипников последовательные вспышки не должны происходить в соседних цилиндрах, так как рамовый подшипник между этими цилиндрами будет перегружен.
Рамовые и шатунные шейки обычно имеют одинаковый диаметр; у СОД и ВОД для демонтажа шатуна через цилиндр иногда диаметр шатунной шейки уменьшают на 10—15 %. Место переходов шеек к щекам для уменьшения концентрации напряжений выполняют плавными с возможно большими радиусами закруглений.
Сверления в шейках могут иметь разное назначение: для уменьшения массы вала (сверления в рамовых и шатунных шейках); для уменьшения центробежных сил инерции неуравновешенных вращающихся масс (сверления в шатунных шейках); для подвода смазки к кривошипным подшипникам и контроля качества поковки вала; для искусственного уравновешивания без применения противовесов (сверления различных диаметров в некоторых шатунных шейках). В современных МОД сверления часто не делают, так как они являются концентраторами напряжений и существенно снижают прочность вала.
Смазывание шеек коленчатого вала — циркуляционное под давлением. Масло обычно подводится по отдельным патрубкам из общей масляной магистрали к рамовым подшипникам, а затем по сверлениям в кривошипах — к шатунным шейкам. Поступлению масла к шатунным подшипникам способствует центробежная сила от веса масла. Если кривошипы сверлений не имеют, в рамовые подшипники масло подводится по отдельным патрубкам, а в шатунный — от крейцкопфных подшипников по сверлению в шатуне.
Для подвода масла от рамового в шатунный подшипник часто используют косое сверление в кривошипе; при этом для непрерывного поступления масла в кривошипный подшипник и далее по сверлению в шатуне в поршневой подшипник в рамовых и кривошипном подшипниках приходится делать нежелательные кольцевые канавки. Для устранения этого в рамовой шейке делают входные сверления a,b (рисунок 1.3 г), а в шатунной шейке — выходные сверления c,d.
Рисунок 1.3 – Кривошипы коленчатого вала ;
При использовании для перемещения масла облегчающих осевых сверлений (большого диаметра) в шейках их торцы уплотняют заглушками 2 (рисунок 1.3 д). Однако заглушки и большое количество масла в облегчающих сверлениях увеличивают вращающиеся массы, а на заполнение больших объемов требуется время. Для устранения этого недостатка в косых сверлениях кривошипа развальцовывают латунные трубки 3 (рисунок 1.3 ё). Для ускорения подачи масла в пусковой период иногда в осевых сверлениях рамовых (или рамовых и шатунных) шеек устанавливают вытеснители 4 (рисунок 1.3 ж). В ВОД в радиальные сверления шатунных шеек часто завальцовывают короткие сепарационные трубки 1.
При вращении вала механические примеси центробежной силой отбрасываются к периферии и откладываются на поверхности осевого сверления шейки, а в трубку поступает чистое масло (иногда для этого радиальное сверление располагают в плоскости, перпендикулярной плоскости колена вала). Радиальные сверления в шейках стремятся расположить в области минимальных давлений на шейку; в реверсивных дизелях предусматривают обычно два сверления в шатунной шейке.
Щеки кривошипа могут иметь различную конструкцию: прямоугольную, овальную, круглую и фигурную. Наиболее рациональными в отношении прочности, массы и равномерного «распределения напряжений являются овальные щеки. Однако их трудно изготавливать, поэтому чаще всего в судовых дизелях "применяют щеки прямоугольные со срезанными углами (рисунок 1.3 а, б, г- ж). Фигурные щеки (рисунок 1.3 в) применяют в полусоставных и составных кривошипах. Их форма обусловлена необходимостью создания «кольца» для надежного обжатия шеек.
Конструктивные способы повышения усталостной прочности коленчатого вала:
галтели сопряжения шеек и щек выполняют возможно больших радиусов;
наиболее напряженные места (особенно галтели и выходы радиальных сверлений в шейках) тщательно обрабатывают и полируют;
радиальные сверления в кривошипной шейке располагают не в плоскости кривошипа, а под углом 90 или 270°;
применяют «перекрытие» рамовых и кривошипной шейки, «поднутрение» галтелей в щеку (рисунок 1.3 б) или в шейку;
осевые сверления в кривошипных шейках растачивают эксцентрично;
внутренние полости шеек чугунных валов выполняют бочкообразными.
Противовесы. На коленчатом валу противовесы устанавливают для уравновешивания свободных сил инерции (не уравновешенных заклиниванием кривошипов) и их моментов для деталей движения, разгрузки рамовых подшипников (из-из уравновешивания центробежных сил инерции неуравновешенных вращающихся масс) и уравновешивания внутренних моментов центробежных сил, возникающих вследствие упругости коленчатого вала и передающихся через рамовые подшипники на остов дизеля (в ВОД противовесы крайнего кривошипа иногда выполняют функции гасителя крутильных колебаний).
К щекам кривошипа противовесы чаще всего крепят болтами, для разгрузки которых от срезающей силы применяют различные замки или шпонки. Для МОД противовесы часто отковывают или отливают заодно со щеками. Для уменьшения массы противовеса его центр тяжести должен быть расположен возможно дальше от оси вала.
Концы коленчатого вала. При выходе из картера во избежание утечки масла концы вала уплотняют специальными маслоотбойными гребнями в комбинации с лабиринтным или сальниковым уплотнением (войлочным, фетровым), либо предусматривают маслосгонную резьбу (при малых диаметрах вала у нереверсивного дизеля).
Свободный конец вала используют обычно для монтажа шестерни привода навешанных на дизель насосов (масляного, водяного, топливоподкачивающего) и других вспомогательных механизмов. Для снижения амплитуды осевых колебаний коленчатого вала иногда на его свободном конце устанавливают демпфер осевых колебаний (рисунок 1.4 а).
К торцу вала жестко прикреплен валик (3) с поршнем (2), размещенным с зазором в цилиндре (5) с крышкой (4). Цилиндр прикреплен к торцу остова дизеля. Полости по обе стороны поршня заполнены маслом из системы смазки дизеля. Осевые колебания вала вызывают перемещения поршня. При этом масло вытесняется через зазор между поршнем и цилиндром и необходимая энергия демпфирования создается вследствие гидравлического сопротивления при перетекании масла через зазор. Для отвода теплоты при работе демпфера предусмотрена циркуляция масла через входные (6) и выходные (1) отверстия, а для слива масла из кожуха демпфера — отверстие (7).
Для уменьшения амплитуды крутильных колебаний на свободном конце вала (участке наибольших амплитуд колебаний) в ВОД и СОД иногда устанавливают гасители крутильных колебаний: антивибраторы и демпферы.
Антивибратор (динамический гаситель колебаний) работает без поглощения энергии, а демпфер поглощает часть энергии, подводимой возмущающим моментом.
Принцип действия антивибратора заключается в том, что к одной колеблющейся системе присоединяют вторую систему, способную колебаться относительно первой. Если на первую систему воздействуют, возмущающая сила или возмущающий момент с частотой, равной частоте свободных колебаний второй системы, то совершать колебания будет только вторая система, а первая система участвовать в колебаниях не будет, т. е. вторая система является динамическим гасителем колебаний первой системы.
Рисунок 1.4 – Гасители осевых и крутильных колебаний
В демпфере жидкостного трения (рисунок 1.4 б) энергия крутильных колебаний поглощается вязкой кремнийорганической жидкостью — силиконом. К концу коленчатого вала прикреплен корпус (8) демпфера с крышкой (11). Кольцевой маховик (9) может свободно вращаться на втулке (10). Зазор между корпусом и маховиком заполнен силиконовой жидкостью. Корпус демпфера совершает колебания вместе с валом, а кольцевой маховик стремится сохранить частоту своего вращения неизменной. На преодоление возникающего вязкостного трения жидкости затрачивается энергия колебаний и уменьшается их амплитуда. Такие демпферы обычно размещают за пределами остова дизеля для лучшего охлаждения окружающим воздухом.
На конце вала со стороны отбора мощности обычно имеются фланец для соединения с упорным валом, маховиком или фланцем генератора и шестерня (12) (рисунок 1.3 б) привода распределительного 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 распределительного вала, иногда располагают в средней части коленчатого вала, что уменьшает погрешности распределения от скручивания распределительного вала.