ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ
Основные кинематические соотношения (рис. 7.1). Основными
конструктивными параметрами КШМ (кривошипно-шатунного механизма) являются:
радиус кривошипа R и постоянная механизма λ = R\L (где L - длина шатуна).
У судовых двигателей
величина λ лежит в довольно узких пределах - от 0,2
(1/5) до 0,28 (1/3.5), меньшие значения λ (от 1/5 до 1/4) относятся к мало- и среднеоборотным двигателям, а
большие (от 1/4 до 1/3,5) - к высокооборотным. В малооборотных длинноходовых
двигателях в связи с увеличением хода поршня резко увеличился радиус кривошипа R, что привело к существенному
увеличению λ - 0,45 (1/2,2) -
двигатель S-MC.
Перемещение поршня происходит от ВМТ до НМТ и обратно. Если принять за
начало отсчета положение поршня в ВМТ (α = 0°), то проходимый им путь (S) в функции угла поворота
кривошипа α:
S = R(1- cosα + λ/2·sin2α) (7.1), где R - радиус кривошипа.
α=0° S=R·(1-1+λ/2·0)=0
α=45° S=R·(1-0.707+0.45/2·0.7072)=0.405
α=90° S=R·(1-0+0.45/2·1)=0.775
α=135° S=R·(1-(-0.707)+0.45/2·0.7072)=1.82
α=180° S=R·(1-(-1)+λ/2·0)=2
Скорость поршня C (м/с) пропорциональна угловой скорости вала (ω=πn/30) и является функцией угла α:
С = Rω ( sin α + λ/2 sin 2α) (7.2)
Из формулы (7.2)
видно, что изменение скорости поршня подчиняется синусоидальному закону. Так,
при а = 0° скорость равна
нулю, а при α, близком к 90°, она
достигает максимума.
Ее среднее значение
за один оборот
Cm = 2Sn / 60 = Sn / 30 м/с (7.3),
где S - ход поршня, м.
Ускорение поршня, м/с2 а = Rω2(cosα +λcos2α), (7.4)
где ω - угловая скорость (также переменна).
Максимальные
значения ускорение приобретает в мертвых точках поршня, когда скорость его
равна нулю; если же скорость достигает максимума, ускорение становится равным
нулю.
Силы, действующие в КШМ. Разложение сил N, Z,
Т
Введение. Кривошипно-шатунный
механизм во время работы двигателя подвергается действию сил давления газов в цилиндре Рг, сил инерции поступательно движущихся масс механизма движения Рj, массы шатунно-поршневой группы (Pм), атмосферного
давления на поршень со стороны картера (Ратм) и давления
наддувочного воздуха в подпоршневой полости цилиндра (Рпп), трения в звеньях механизма (Ртр). Последние три
силы относительно невелики, и их влиянием можно пренебречь. При рассмотрении
оставшихся сил (Рг и Pj)
условимся
считать их положительными, если они способствуют движению поршня вниз, и
отрицательными, если они препятствуют этому движению. На диаграмме сил
положительные силы будем откладывать вверх от оси абсцисс, а отрицательные -
вниз.
Сила
давления газов (рис. 7.2) приложена
к поршню и действует вдоль оси цилиндра. Давление газов рг = Рг/Fп переменно по значению, закон его изменения
определяется из индикаторной диаграммы, перестроенной с применением метода
А.Ф. Брикса (учитывающего влияние на ход поршня конечной длины шатуна) из
координат давление-ход поршня в координаты давление - угол поворота кривошипа
(см. рис. 7.3). Для этого проведем полуокружность радиусом R=S/2. От точки О в сторону расположения коленчатого вала (к
НМТ), отложим в масштабе чертежа поправку Брикса, см.: OO1 = R2 /2L , где L - длина шатуна. Теперь из точки О1 проведем полуокружность произвольного радиуса.
Разделим ее на любое число равных частей (обычно одно деление принимается
равным 10 или 15°). Из точки О1 через точки деления проведем лучи до
пересечения с полуокружностью радиуса R. Проекции точек
пересечения на ось абсцисс определяют пути поршня, соответствующие углам
поворота кривошипа. Проведя через эти точки вертикали до пересечения с
контурами индикаторной диаграммы, найдем значения сил давления газов (рх) соответствующие углам поворота коленчатого вала.
Полученные данные
используются для построения развернутой индикаторной диаграммы в функции угла
п.к.в. Длина диаграммы должна соответствовать 720° для 4-х тактных двигателей
и 360° для 2-х тактных.
Сила инерция поступательно движущихся масс
Эта сила
определяется как произведение поступательно движущейся массы Мп на
ускорение поршня а, взятое с обратным
знаком (так как направление сил обратно направлению ускорений):
Рj = -Мпa (7.5),
где Мп = Gп /g масса поступательно
движущихся частей, кг; Gп - суммарный вес поступательно движущихся
частей, g = 9,81 - ускорение свободного падения м/с2.
Суммарный вес
поступательно-движущихся частей Gп складывается из веса
комплекта поршня Gпор и веса части шатуна Gшп. В крейцкопфных двигателях к Gп относят также вес штока и крейцкопфа Gкр.
Таким образом: Gп = Gпор + Gшп + Gкр, где - часть веса шатуна,
участвующая в поступательном движении. Остальная часть участвует во вращательном движении.
Для удобства
дальнейших расчетов в уравнения сил инерции вводим массу, отнесенную к площади
поршня тп = Мп/ Fп. Это дает возможность силы инерции привести к
одной размерности с давлением газов.
После замены
ускорения a в формуле (7.5) на его выражение из (7.4)
а = Rω2(cosα +λcos2α) получим:
Pj = - тп Rω2 (cos α + λcos2α) (7.6)
Как видно из полученного выражения, сила инерции Pj, как и Рг, переменна и зависит от угла поворота кривошипа. Она приложена к центру
головного соединения и направлена по оси цилиндра.
Задаваясь рядом
значений α, можно определить мгновенные значения силы инерции и по ним
построить кривую сил инерции (рис. 7.4). Более удобным является графический способ,
описание которого можно найти в методических руководствах по расчету
двигателей.
Рис.
7.4. Развернутая диаграмма сил Рг, Pj
и P
Суммарная
сила
Р представляет собой
алгебраическую сумму сил действия газов Рг и инерции поступательно движущихся масс Pj. Кривая этой силы, характеризующая ее
изменение в течение цикла, может быть получена путем суммирования ординат
кривых Рг и Pj с учетом их знака,
построенных для двухтактного двигателя на базе 360° п. к. в. (см. рис. 7.4) и
для четырехтактного на базе 720° п. к.в.1
1 Здесь и далее силы Рг, Pj, N, Т, Z приняты условно, так как фактически они приведены
к единице площади поршня и имеют размерность Н/м2.
Суммарная сила Р,
как и ее составляющие, приложена к центру головного соединения и действует
вдоль оси цилиндра. Она может быть разложена на две составляющие (рис. 7.2)
силу, действующую по оси шатуна, Рш=P/cosβ, и силу,
перпендикулярную оси цилиндра, N=Р/tgβ.
Если принять tgβ=sinβ ввиду малости угла и, поскольку sinβ=λsinα (из рассмотрения треугольников CAB и ОБА), то
N = Р λ sinα. (7.7)
Сила N (нормальная сила) прижимает тронковую
часть поршня к стенке цилиндра (в тронковом двигателе) или ползун крейцкопфа к
его направляющей (в крейцкопфном двигателе). Сила переменна по направлению,
этим объясняется происходящая при работе двигателя перекладка поршня и ползуна
крейцкопфа с борта на борт.
Сила Рш, действующая по оси шатуна, сжимает его стержень. Перенесем силу Рш по линии ее действия в центр кривошипной шейки (точка А) и разложим ее
на две составляющие:
тангенциальную силу, касательную к
окружности, описанной радиусом R,
(7.8)
и радиальную силу, направленную по радиусу кривошипа,
(7.9)
На основании
выражений (7.7)-(7.9) можно построить кривые N, Z и Т в функции угла поворота кривошипа (рис. 13.3). Нормальная, радиальная и
тангенциальная силы непостоянны и в пределах каждого рабочего цикла принимают
как положительные, так и отрицательные значения. Отсюда переменны и вызываемые
ими нагрузки в элементах конструкции двигателей.
Крутящий и опрокидывающий моменты
Перенесем радиальную
силу Z (см. рис. 7.2) по направлению ее действия в центр
коленчатого вала О и приложим одновременно
к центру вала две взаимно противоположные и равные силы Т' и T" параллельные и
равные в свою очередь тангенциальной силе Т. Силы Т и Т' образуют пару сил (с
плечом R), момент которой, называемый крутящим моментом, приводит во вращение
коленчатый вал:
(7.10)
где Fп - площадь поршня (в
формулу включена в связи с тем, что сила Р относится к 1 см2 площади поршня).
Поскольку
тангенциальная сила непостоянна, то изменяется и вызываемый ею крутящий момент.
Кривую Т (см. рис.7.5) на
основании выражения (7.10) можно рассматривать и как кривую Мц одного цилиндра,
только масштаб оси ординат будет иным. Сложение сил Z" и Т" (см. рис. 7.2) дает равнодействующую силу Р"ш, нагружающую рамовые подшипники
коленчатого вала.
Рш"=Рш'=Рш=Р/cosβ
Разложим силу Р"ш на две составляющие
- горизонтальную N" и вертикальную Р":
Р"=P"ш cosβ=(Р/cosβ)cosβ = Р
N" =Р"ш sinβ=(Р/cosβ)sinβ=Ptgβ=N, напомним, что sinβ ≈ tgβ
Равные по значению
силы N и N" передаются остову двигателя и образуют пару сил с плечом Н. Эта пара сил стремится повернуть двигатель
вокруг продольной оси в сторону, противоположную вращению коленчатого вала.
Создаваемый ими момент называется опрокидывающим моментом, (Нм)
Monp=-NFпH (7.11)
который численно
равен крутящему моменту Мц,
но
направлен в противоположную сторону: Мопр=- Мц, (см. рис.7.2).
Опрокидывающий
момент, будучи приложенным к остову двигателя, передается опорам фундамента,
вызывая в них реакции R1 и R2, которые могут быть определены из равенства
внешнего реактивного момента:
MR=R1,2lФ =Мопр откуда
R1,2=Мопр/lф, (7.12)
где lф - расстояние между
опорами, м.
Таким образом, фундамент двигателя испытывает действие периодически меняющейся силы
инерции поступательно движущихся масс, воспринимает переменный опрокидывающий
момент и нагружается весом двигателя.
До сих пор
рассматривались силы и моменты, возникающие в пределах одного цилиндра. В
многоцилиндровом двигателе коленчатый вал воспринимает и передает суммарный крутящий момент всех цилиндров, мгновенные
значения которого
M=TΣFпR, (7.13)
где TΣ
-
мгновенное суммарное касательное усилие (см. рис.7.5), условно приложенное к
фланцу коленчатого вала на радиусе R
Для нахождения
усилия TΣ необходимо
суммировать через 10-15° значения сил Т всех цилиндров. На основе полученных
данных строят кривую TΣ =f(α).
Для
многоцилиндрового двигателя эта кривая представляет собой периодическую функцию
с периодом, равным углу заклинивания кривошипов вала. Планиметрирование
площади под ней на протяжении одного периода позволяет установить среднюю тангенциальную силу,
равную отношению площади к длине одного периода и определяющую средний
крутящий момент двигателя, Нм,
Mcp =
TcpFПR (7.14)
или
(7.15)
где Ni
-
мощность двигателя, кВт; п - частота его
вращения, 1/мин.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.