Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов. Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности

• Название: Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности
• Анкор: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 5.99 Mb.
• Имя файла: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Тип: Лекции; #2019
• страница: 12 из 20

Рис. 8.5. Силы в КШМ: а - расчетная схема; б — зависимость сил в КШМ от угла поворота коленчатого вала
Для анализа действия силы Р_Σ на элементы КШМ ее расклады­вают на две составляющие: S и N. Сила S действует вдоль оси шатуна и вызывает повторно-переменное сжатие-растяжение его элементов. Сила N перпендикулярна оси цилиндра и прижимает поршень к его зеркалу. Действие силы S на сопряжение шатун-кривошип можно оценить, перенеся ее вдоль оси шатуна в точку их шарнирного сочленения (S') и разложив на нормальную силу К, направленную по оси кривошипа, и тангенциальную силу Т.
Силы К и Т воздействуют на коренные опоры коленчатого вала. Для анализа их действия силы переносят в центр коренной опоры (силы К', Т' и Т" ). Пара сил Т и Т' на плече r создает крутящий момент М_к, который далее передается на маховик, где совершает полезную работу. Сумма сил К' и T" дает силу S", которая, в свою очередь, раскладывается на две составляющие: N' и .

Очевидно, что N' = - N и = Р_Σ . Силы N и N' на плече h создают опрокиды­вающий момент М_опр = Nh, который далее передается на опоры двигателя и уравновешивается их реакциями. М_опр и вызываемые им реакции опор изменяются по времени и могут быть причиной внешней неуравновешенности двигателя.

Основные соотношения для рассмотренных сил и моментов имеют следующий вид:





На шатунную шейку кривошипа действуют сила S', направлен­ная по оси шатуна, и центробежная сила К_rш, действующая по радиусу кривошипа. Результирующая сила R_ш.ш (рис. 8.5, б), нагру­жающая шатунную шейку, определяется как векторная сумма этих двух сил.

Коренные шейки кривошипа одноцилиндрового двигателя на­гружаются силой и центробежной силой инерции масс кривошипа . Их результирующая сила , дей­ствующая на кривошип, воспринимается двумя коренными опо­рами. Поэтому сила, действующая на каждую коренную шейку, равна половине результирующей силы и направлена в противо­положную сторону.

Использование противовесов приводит к изменению нагруженности коренной шейки.

Суммарный крутящий момент двигателя. В одноцилиндровом двигателе крутящий момент Так как r — величина посто­янная, то характер его изменения по углу поворота кривошипа полностью определяется изменением тангенциальной силы Т.

Представим многоцилиндровый двигатель как совокупность одноцилиндровых, рабочие процессы в которых протекают иден­тично, но сдвинуты друг относительно друга на угловые интерва­лы в соответствии с принятым порядком работы двигателя. Мо­мент, скручивающий коренные шейки, может быть определен как геометрическая сумма моментов, действующих на всех кривоши­пах, предшествующих данной шатунной шейке.

Рассмотрим в качестве примера формирование крутящих мо­ментов в четырехтактном (τ = 4) четырехцилиндровом (і= 4) ли­нейном двигателе с порядком работы цилиндров 1 —3 — 4 — 2 (рис. 8.6).

При равномерном чередовании вспышек угловой сдвиг между последовательными рабочими ходами составит θ = 720°/4 = 180°. тогда с учетом порядка работы угловой сдвиг мо­мента между первым и третьим цилиндрами составит 180°, между первым и четвертым — 360°, а между первым и вторым — 540°.

Как следует из приведенной схемы, момент, скручивающий і-ю коренную шейку определяется суммированием кривых сил Т (рис. 8.6, б), действующих на всех і-1 кривошипах, предшеству­ющих ей.

Момент, скручивающий последнюю коренную шейку, являет­ся суммарным крутящим моментом двигателя М_Σ, который далее передается на трансмиссию. Он изменяется по углу поворота коленчатого вала.

Средний суммарный крутящий момент двигателя па угловом интервале рабочего цикла М_к.ср соответствует индикаторному моменту М_і, развиваемому двигателем. Это обусловлено тем, что положительную работу производят только газовые силы.



Рис. 8.6. Формирование суммарного крутящего момента четырехтактного четырехцилиндрового двигателя: а — расчетная схема; б — образование крутящего момента


3. Влияние конструктивных соотношений

кривошипно-шатунного механизма на параметры двигателя

Конструкция КШМ существенным образом влияет на характе­ристики двигателя, такие как степень его форсированности, габа­риты, масса, долговечность и т.д. рассмотрим влияние на параметры двигателя основных конструктивных соотношений в его КШМ: коэффициента λ = r/l_ш

и отношения К= S/D.

Анализ влияния отношения радиуса кривошипа r к длине шатуна l_ш на параметры двигателя проведем при неизменном рабочем объеме и диаметре цилиндра D. Уменьшение λ («длинный» ша­тун) повлечет рост массы m_ш и ее составляющих m_ш.п и m_ш.к . Это вызовет увеличение центробежной силы К_rш, что можно компенси­ровать противовесами на продолжении щек кривошипа. Влияние снижения λ на Р_j, противоречиво. С одной стороны, растет m_ш.п и связанная с нею масса m_j, что должно привести к увеличению Р_j. С другой стороны, из-за наличия λ в выражении, определяющем амплитуду силы инерции второго порядка Р_jII, возможно умень­шение этой силы. Уменьшение λ вызовет увеличение высоты и мас­сы двигателя, что связано с «удлинением» шатуна. Более длинный шатун приводит также к уменьшению угла β_mах боковой силы N. Меньшие N и λ обеспечивают при прочих равных условиях сниже­ние износа в подвижных сочленениях цилиндра и поршня.

У современных двигателей с искровым зажиганием шатуны, как правило, длиннее, чем у дизелей. Это связано с большей бы­строходностью первых и превалирующим влиянием для них Р_j второго порядка. В дизелях из-за более высоких максимальных га­зовых нагрузок поперечное сечение стержня шатуна больше, по­этому увеличение m_ш.п при удлинении шатуна оказывает на Р_j боль­шее влияние, чем уменьшение амплитуды Р_jII.

Износ цилиндра неравномерен — больше изнашивается та его сторона, к которой прижимается поршень при рабочем ходе, что связано с ростом сил Р_г и N, достигающих максимального значе­ния вблизи ВМТ в начале такта расширения.

При введении дезаксажа максимальный угол отклонения ша­туна β при рабочем ходе по абсолютному значению становится меньше, чем наибольшее отклонение при такте сжатия, что по­зволяет выровнять износ цилиндра по его периметру.

Необходимо отметить, что применение «коротких» шатунов в некоторых случаях может усложнять компоновку двигателя, так как из-за больших значений β_mах шатун может задевать нижнюю часть цилиндра или юбку поршня.

Отношение К хода поршня S к диаметру цилиндра D (К= S/D) при неизменном рабочем объеме двигателя V_h определяет сред­нюю скорость поршня с_п. Увеличить К можно уменьшением D при одновременном увеличении хода поршня S (длинноходные дви­гатели). Уменьшить К можно путем сокращения S (короткоходные двигатели) и увеличения D. Выбор оптимального для данной конструкции двигателя значения K в основном связан с получае­мой при этом средней скоростью поршня с_п = Sn/30. Она характе­ризует конструкцию двигателя с точки зрения ее динамической и тепловой напряженности, а также износа элементов двигателя (особенно его цилиндра и поршня).

Известно, что напряжения от инерционных нагрузок на элементы КШМ пропорциональны , а тепловая напряженность двигателя и линейный износ деталей цилиндровой и поршневой групп пропорциональны с_п.

Формальный анализ выражения, определяющего среднюю ско­рость поршня, показывает, что при неизменной частоте вращения коленчатого вала п можно снизить с_п и, следовательно, улучшить рассмотренные характеристики двигателя за счет уменьшения S.

Однако при этом необходимо считаться с ростом инерционных нагрузок на элементы КШМ, так как масса его деталей пропорцио­нальна D³, а снижение скорости поршня вследствие уменьшения его хода пропорционально D. При увеличении D растет площадь поршня и, следовательно, возрастают газовые нагрузки на КШМ.

Таким образом, уменьшение K неоднозначно влияет на долго­вечность двигателя. С одной стороны она увеличивается благодаря уменьшению с_п, а с другой — уменьшается из-за возрастания инерционных и газовых нагрузок на детали КШМ. Какой из при­веденных факторов окажет большее влияние, решают отдельно для каждого конкретного случая.

Уменьшение K приводит к увеличению габаритной длины дви­гателя и длины коленчатого вала. При этом также уменьшается высота камеры сгорания, что усложняет получение требуемой ее формы. Это может приводить к ухудшению условий протекания процессов смесеобразования и сгорания. У двигателей с искровым зажиганием возрастает также вероятность возникновения детона­ции. К положительным качествам короткоходных конструкций сле­дует отнести снижение теплоотдачи в стенки цилиндра, появление возможности увеличения проходных сечений горловин клапанов, обеспечение большего перекрытия шеек коленчатого вала, умень­шение поперечного сечения картера и массы двигателя.

В современных быстроходных двигателях с искровым зажига­нием наблюдается тенденция к использованию короткоходных конструкций с К = 0,9... 1,0, что позволяет получить дополни­тельный резерв увеличения K при неизменной с_п. В дизелях, обла­дающих меньшей быстроходностью, используют более длинно­ходные КШМ с К= 1,0... 1,2.
Контрольные вопросы.

1. Какие кинематические схемы КШМ применяют для автомобильных двигателей?

2. Опишите схему приведения КШМ к двухмассовой модели.

3. Какие силы действуют в КШМ во время работы двигателя?

4. Что такое приведения масс деталей КШМ и в чем оно заключается?

5. Как подразделяется силы инерции, действующие в КШМ?

6. Чем определяется силы инерции от возвратно-поступательно движущихся масс? Напишите формулу.

7. От чего зависит центробежная сила инерции вращающихся масс? Напишите формулу.

8. Нарисуйте схему сил, действующих в КШМ одноцилиндрового двигателя?

Лекция 9: ИСПЫТАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.
1. Цели и виды испытаний.

2. Методы и приборы для проведения испытаний энергоустановок.

3. Техника безопасности при испытаниях.
1. Цели и виды испытаний.

Испытания двигателей можно разделить на опытно-конструктор­ские и серийные.

Опытно-конструкторские испытания делятся на исследовательские и контрольные.

Исследовательские испытания проводятся для изучения опреде­ленных свойств конкретного двигателя и, в зависимости от целей, могут быть доводочными, испытаниями на надежность и гранич­ными.

Доводочные испытания служат для оценки конструктивных ре­шений, принятых для достижения необходимых значений мощностных и экономических показателей, установленных техническим за­данием.

Испытания на надежность проводятся для оценки соответствия ресурса двигателя и показателей его безотказности, установленных техническим заданием.

Граничные испытания проводятся для оценки зависимости мощностных и экономических показателей, работоспособности двигате­ля от граничных условий, установленных техническим заданием, а также повышенных и пониженных температур окружающей среды, кренов и дифферентов, высоты над уровнем моря, переменных на­грузок и изменяющихся скоростных режимов, вибраций, одиноч­ных ударов.

Контрольные испытания предназначены для оценки соответст­вия всех показателей опытного двигателя требованиям технического задания. Они делятся на предварительные и межведомственные.

Предварительные контрольные испытания проводятся комиссией предприятия-разработчика с участием представителя заказчика для определения возможности предъявления двигателя на приемочные испытания.

Межведомственные испытания являются приемочными испыта­ниями продукции опытных образцов, проводимыми комиссией, со­стоящей из представителей нескольких заинтересованных мини­стерств или ведомств. По результатам межведомственных испытаний решается вопрос о возможности и целесообразности проведения ис­пытаний двигателя в условиях эксплуатации.

Серийные испытания являются завершающим этапом технологи­ческого процесса производства двигателей и предназначены для контроля качества производства и соответствия их характеристик техническим условиям на поставку. Эти испытания делятся на при­емосдаточные, периодические и типовые.

Приемо-сдаточные испытания проводятся с целью проверки ка­чества сборки двигателя и отдельных его узлов на приработку тру­щихся поверхностей, определения соответствия показателей двига­теля техническим условиям на поставку.
Периодические испытания предназначены для контроля стабиль­ности технологического процесса изготовления двигателей в период между испытаниями, подтверждения возможности продолжения их изготовления по действующей нормативно-технической и техноло­гической документации.

Типовые испытания проводятся по программе периодических испытании с целью оценки эффективности и целесообразности из­менений, вносимых в конструкцию пли технологию изготовления двигателей.

Испытания автомобильных двигателей регламентирует ГОСТ 14846-81, который определяет условия испытания, требования к испытательным стендам и аппаратуре, методы и правила проведе­ния испытаний, порядок обработки результатов испытаний, объем контрольных и приемочных испытаний.

Перед испытаниями двигатели должны быть обкатаны в соот­ветствии с техническими условиями. Испытания проводят с испо­льзованием горюче-смазочных материалов, указанных в техниче­ской документации на двигатель, имеющий паспорт и протоколы испытаний, удостоверяющие соответствие их физико-химических параметров заданным. При проведении испытаний температуру ох­лаждающей жидкости и масла в двигателе поддерживают в преде­лах, указанных в технических условиях на двигатель. При отсутст­вии таких указаний температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя должна быть 348-358 К, а температура масла - 353 - 373 К.

При испытании число точек измерений должно быть достаточ­ным для того, чтобы при построении характеристик выявить форму и характер кривой во всем диапазоне обследуемых режимов. Пока­затели двигателя определяют на установившемся режиме работы, при котором крутящий момент, частота вращения коленчатого вала, температуры охлаждения жидкости и масла изменяются во время измерения не более чем на 2 %.При ручном управлении стендом продолжительность измерения расхода топлива должна составлять не менее 30 с.

В соответствии с ГОСТом при испытаниях двигателей необхо­димо измерять следующие параметры: крутящий момент, частоту вращения коленчатого вала, расход топлива, температуру всасывае­мого воздуха, температуру охлаждающей жидкости, температуру масла, температуру топлива, температуру отработавших газов, ба­рометрическое давление, давление масла, давление отработавших газов, значение угла опережения зажигания или начала подачи топлива.
2. Методы и приборы для проведения испытаний энергоустановок.

Испытания двигателей в лабораторных (стационарных) условиях проводятся на специальных стендах испытательной станции. Каж­дый стенд оснащается тормозным механизмом, топливной, воздухопитающей, газовыводящей системами, смазочной системой, систе­мами охлаждения и пуска, противопожарным оборудованием и т. п. Двигатель и тормозной механизм устанавливают на опорах, которые крепятся к плите, связанной с фундаментом посредством анкерных болтов.

Фундамент, поглощающий вибрации двигателя, выполняется из бетона, армированного металлом. Для исключения передачи вибра­ций такой фундамент изолируют от окружающих строительных кон­струкций здания.

Стенд оснащается специальным пультом с органами пуска дви­гателя и управления, а также контрольно-измерительными прибора­ми для определения температур воды и масла, давления масла, час­тоты вращения коленчатого вала и другими приборами, предназна­ченными для контроля работы двигателя и ею систем.

В зависимости от программы испытания стенд оборудуется спе­циальными устройствами и приборами, позволяющими имитиро­вать различные условия работы. Кроме того, стенд оснащают при­борами для измерения параметров рабочего тела и показателей дви­гателя. Имеются специальные устройства для регулирования угла опережения зажигания и состава смеси в карбюраторных двигателях или угла опережения начала впрыска топлива в дизеле. Для опреде­ления надежности работы двигателя измеряют вибрацию, тепловую и динамическую напряженность, износ деталей и т. п. Также опре­деляют параметры, влияющие на окружающую среду (дымность или токсичность отработавших газов, уровень шума и т. п.).

Воздухопитающая система может быть оборудована устройства­ми и приборами для определения расхода воздуха, подогрева или охлаждения поступающего в двигатель воздуха, его влажности и за­пыленности.

В топливной системе предусмотрены устройства для определе­ния расхода топлива, а в системе охлаждения и смазочной систе­ме - устройства для определения теплоотвода в охлаждающую жид­кость и масло. На стенде может быть установлен индикатор.