Voznitskiy_-_Sudovye_dizeli_i_ikh_expluatatsia

Помимо внешнего воздействия сил инерции и их моментов, по­ следние, действуя внутри остова двигателя, нагружают и деформи­ руют его конструкции. Центробежные силы, действуя в плоскости колена вала, а силы инерции I и II порядков — в плоскости осей ци­ линдров, нагружают коленчатый вал и подшипники и передаются фундаментной раме. Одновременно вал нагружается моментами М ц, М\ и М ц, которые стремятся изогнуть вал в плоскостях их действия; деформация вала воспринимается подшипниками (осо­ бенно центральными, испытывающими наибольшую нагрузку) и фундаментной рамой, в которой они расположены. В итоге в фунда­ ментной раме, как и на валу, под действием моментов сил инерции возникают напряжения изгиба и деформации. Отмеченное действие сил инерции внутри остова двигателя определяет внутреннюю не­ уравновешенность двигателя.

Заметим, что независимо от степени и характера внешней не­ уравновешенности двигателя внутренне он всегда остается неурав­ новешенным.

Из формул (13.18) — (13.20) видно, что чем больше частота вращения вала и больше масса движущихся частей, тем больше силы инерции и больше сказывается их воздействие на остов самого двигателя (внутренняя неуравновешенность) и его фундамент (внеш­ няя неуравновешенность).

Способы уравновешивания. Внешняя неуравновешенность дви* гателя, особенно если неуравновешенные силы и моменты значи­ тельны, может вызывать последствия, связанные с вибрацией как самого двигателя, так и соединенных с ним конструкций корпуса судна. Поэтому в отдельных случаях для уменьшения вибрации прибегают к уравновешиванию возникающих в двигателе сил и мо­ ментов.

Уравновешивание центробежных сил осуществляется путем ус­ тановки на щеках кривошипов противовесов. При вращении в кри­ вошипе одного цилиндра (рис. 13.5) возникает центробежная сила

Р ц, лежащая в плоскости кривошипа,

Р ц — Швр Я СО2 ,

где твр — масса неуравновешенной части кривошипа (кривошипная шей­

ка и часть массы щек) и ориентировочно 0,6 массы шатуна, участвующей во вращательном движении, кг; R — радиус кривошипа, м.

Сила Р ц может быть уравновешена двумя противовесами, укреп­ ленными на щеках кривошипа. Они развивают центробежную си­

где тар — масса одного противовеса, кг; р — радиус инерции противовеса, равный расстоянию от его центра тяжести до оси вращения, м.

270

Оф

пр

пр■

Рис. 13.5. Схема уравнове­

шивания центробежных сил с помощью противовесов

Рис. 13.6. Схема уравнове­ шивания сил инерции I по- . рядка

При наличии в системе неуравновешенного момента имеются две возможности его погасить: первая приводит к уравновешиванию центробежных сил в пределах каждого цилиндра, вторая — к урав­ новешиванию свободного момента системы парой противовесов, раз­ вивающих равный, но противоположный по знаку момент. Расстоя­ ние между этими противовесами желательно выбирать максималь­ но большим, с тем чтобы по возможности уменьшить их массу.

Иногда прибегают к установке противовеса для разгрузки ра­ мовых подшипников. В этом случае противовесы часто навешива­ ют на щеки под углом к их оси.

Уравновешивание сил инерции I и II порядков, возникающих от поступательно движущихся масс цилиндра, невозможно осущест­ вить с помощью противовесов, установленных на щеки вала, так как центробежная сила противовесов, находясь в плоскости колена, при вращении вала непрерывно меняет плоскость своего действия. Необходимо же иметь уравновешивающую силу только в вертикаль­ ной плоскости. Задача может быть решена, если использовать две массы, вращающиеся в разные стороны (рис. 13.6). Эти массы за­ клинены на дополнительных валах таким образом, что создаваемые при их вращении вертикальные составляющие Р цш центробежных сил складываются и дают составляющую 2Р т = Р /ь но противопо­ ложно направленную, которая и уравновешивает силу Pj\ I поряд­ ка. Горизонтальные составляющие Рцг взаимно уничтожают друг друга. Таким образом можно уравновесить и силу инерции II по­ рядка, но для этого необходимо, чтобы противовесы вращались в противоположные стороны с удвоенной угловой скоростью 2ш. Изложенный метод известен под наименованием «Ланчестер Балан­ сир».

271

Уравновешивая силы, можно подобным способом уравновесить и создаваемые ими моменты Mi и Мц. Как видно из табл. 13.1,

к возросли примерно в 1,8 раза, что не могло не отразиться на росте сил инерции и вызываемых ими моментов. Этим объясняется, что если в двигателях более ранних конструкций метод'уравновеши­ вания «Ланчестер Балансир» в основном применялся исключитель­ но в высоко- и среднеоборотных двигателях, для которых характер­ ны большие силы инерции в силу высокой частоты вращения вала, то с появлением длинноходовых конструкций его стали при­ менять и в малооборотных двухтактных двигателях,

13.4. Колебания дизеля и вызываемые ими вибрации

Продольные колебания. Этот вид колебаний возникает под дей~ •ствием тангенциальной Т и радиальной Z составляющих сил дей» ствия газов и сил инерции масс, нагружающих кривошипы колен­ чатого вала и вызывающих деформацию колен в виде поперемен­ ного расхожденияили сближения щек (рис. 13.7). В итоге вал при™ обретает колебания вдоль оси, которые передаются упорному подшиннику, а через него фундаменту и корпусу судна. Продольные колебания стали особенно заметными с ростом форсирования дви­ гателей, так как увеличилось отношение pjpe с 7,5 до 9,0. Про­ дольные колебания возбуждаются также меняющимся упором гре­ бного винта из-за пульсирующего характера действия воды на вра­ щающиеся лопасти и крутильных колебаний валопровода и винта, В целях уменьшения продольных колебаний коленчатого вала и вызываемых ими вибраций судна на носовой фланец вала устанав­ ливают гидравлический демпфер норшневош типа (см, рис. 3.17).

272

Колебания в поперечной плоскости* Малооборотный крейцкопф­ ный двигатель, имеющий большую высоту, раскачивается в попе­ речной плоскости под действием моментов, возникающих в преде­ лах каждого цилиндра от нормальных сил N , передаваемых через крейцкопфный узел параллелям. Частота этих колебаний невелика и равна произведению ni (где i —•число цилиндров). Для самого двигателя эти колебания неопасны, но они могут вызвать нежела­ тельные высокие местные напряжения в наборе второго дна корпу­ са судна под фундаментом двигателя. Чтобы этого избежать, остов двигателя в его верхней части раскрепляется с набором корпуса суд­ на в зоне главной палубы с помощью двух пар поперечных связей 1 (рис. 13.8), снабженных эластичным гидравлическим звеном 2. Наличие этого звена позволяет сохранять постоянной силу натяже­

Крутильные колебания. В дизельной установке крутильные ко­ лебания испытывают коленчатый вал» промежуточные и гребной валы с навешенными на них массами (детали механизма движения отдельных цилиндров, маховик,, соединительные муфты, гребной винт), связанные в единую-упругую систему валопровода.

Крутильные колебания представляют собой периодические ко­ лебания в плоскости вращения навешенных на вал масс» при кото­ рых участки вала между массами скручиваются и раскручиваются

273

При совпадении частот свободных и вынужденных колебаний наступает явление резонанса, при котором амплитуда крутиль­ ных колебаний (угол скручивания вала) и пропорциональные ей дополнительные напряжения кручения увеличиваются и могут ока­ заться опасными для прочности вала и вызвать его поломку (рис. 13.9, а, б). Опасные режимы работы можно определить с по­ мощью графика (см. рис. 13.9, б). На рис. 13.9, а резонансные час­ тоты появляются при пересечении линий собственных колебаний вала двигателя vcl и vc2 с двумя гармоническими составляющими вынужденных колебаний vB и vB2. На этот же график наносится линия допускаемого напряжения от крутильных колебаний тдоп, установленного из соображений усталостной прочности материала вала. Если линия допускаемого напряжения не пересекает резо­ нансных кривых, резонансные напряжения особой опасности не представляют и режимы пкр2 и я крз допустимы для длительной работы. Режим лкр1 опасен для длительной работы, так как прямая допускаемого напряжения отсекает на резонансной кривой участок чрезмерно больших напряжений, Диапазон частот вращения вбли­ зи пщ1 (% -f- л2), называемый критическим, опасен для длитель­ ной работы» Он является запретной зоной. На циферблатах тахо­ метров запретные зоны частот вращения отмечают красными сек­ торами. Длительная работа в пределах этой зоны недопустима, и переходить ее надо быстро.

Критическую частоту вращения можно установить не только рас­ четным путем, но и при помощи специального прибора —■торсио- графа, позволяющего снимать с работающего двигателя графики крутильных колебаний (торсиограммы).

В н е ш н и е п р и з н а к и работы двигателя в зоне крити­ ческих частот вращения: сильная вибрация и резкие стуки в двига­ теле вследствие периодического изменения'угловой скорости отдель­ ных кривошипов, нарушающего уравновешенность сил инерции дви~ жущихся масс; нагрев отдельных участков валопровода (иногда до появления цветов побежалости) вследствие внутреннего трения частиц металла при упругих деформациях кручения.

Если запретная зона частот вращения оказывается в области ра» бочих режимов двигателя, принимают меры для смещения п кр за пределы этой области. Для этого еще в процессе проектирования установки изменяют частоту свободных колебаний системы

(13.24)

путем изменения момента инерции G/p сечения коленчатого вала или валопровода (изменением диаметра вала) либо моментов инерции 01 маховых масс (изменением массы маховика, гребного вала или установкой динамических гасителей колебаний — антивибраторов), здесь I — расстояние между массами, м,

274

рация как его самого, так и корпуса судна, особенно его кормовой оконечности, трубопроводов, механизмов и пр. Вибрация усилива­ ется при достижении определенной частоты вращения вала двигате­ ля, когда наступает явление резонанса. Резонансные зоны меняются при изменении загрузки судна, мест и способов крепления трубопро­ водов, механизмов, так как это сказывается на частоте их свобод­ ных колебаний. Иногда под действием вибрации в конструкциях об­ разуются трещины.

И с т о ч н и к о м возмущающих сил являются:

внешне неуравновешенные силы инерции вращающихся и по­ ступательно движущихся масс I и II порядков, под действием кото­ рых возникают колебания в горизонтальной и вертикальной плоско­ стях;

моменты сил инерции центробежных, I и II порядков* стремя­ щиеся опрокинуть двигатель в вертикальной продольной и попереч­ ной и горизонтальной плоскостях, проходящих через его центр тя­ жести, и вызывающие изгибающие колебания корпуса судна в этих плоскостях;

опрокидывающий момент двигателя Мопр, действующий в по­ перечной плоскости и вызывающий колебания в этой плоскости; силы, вызывающие продольные колебания вала двигателя и соз­

дающие в корпусе судна колебания в диаметральной плоскости; крутильные колебания •вследствие неравномерности создавае­

мого двигателем крутящего момента (благодаря совершенствованию методов расчета крутильные колебания не представляют серьезной проблемы в вопросах вибрации корпуса судна, но их нужно при­ нимать во внимание при обеспечении прочности коленчатого вала и валопровода).

Ослабить вибрацию корпуса судна можно путем локализации ко­ лебаний двигателя введением упругой связи между ним и фундамен­ том.

В качестве упругой связи используют резинометаллические или пружинные амортизаторы, устанавливаемые между двигателем и его фундаментом (рис. 13.10» а).

275

Ч А С Т Ь Т Р Е Т Ь Я

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ Д И ЗЕ Л Е !

Г л а в а 14. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ

14.1. Показатели и характеристики дизеля"

Общие сведения. Одна из задач технической эксплуатации со­ стоит в умении технически обоснованно выбрать режим работы дви­ гателя применительно к конкретным условиям плавания и техниче­ ского состояния судна и двигателя. Решение этой задачи требует знания как характеристик двигателя, так и показателей, на основе которых оценивается его работа на том или ином режиме. Показате­ ли работы двигателей условно могут быть подразделены на показа­ тели энергетические, экономические и эксплуатационные.

К энергетическим и экономическим показателям относят эф­

К эксплуатационным показателям относят давление и темпера­ туру, фиксируемые штатными приборами и характеризующие работу двигателя и обслужи вающих его систем, а также дополнительные параметры, дающие возможность судить о тепловой и механической напряженности двигателя, о том, как обеспечиваются на данном ре­ жиме его надежность и экономичность. Напряжения в элементах конструкции двигателя возникают под воздействием тепловых пото­ ков со стороны газов и механических нагрузок, вызываемых сила­ ми действия газов и инерции движущихся масс. Непосредственное определение тепловых и механических напряжений затруднено, поэтому в эксплуатации прибегают к методам их косвенной оценки.

Тепловая напряженность находится в прямой зависимости от на­ грузки цилиндра, характеризуемой средним индикаторным давле­ нием, положением указателя нагрузки (УН) или топливной рей­ ки (ТР).

Косвенными критериями тепловой нагрузки цилиндра служат температура выпускных газов и охлаждающих сред (воды и масла). Ценную информацию дает непосредственное измерение температуры втудки цилиндра в верхнем поясе в зоне нахождения первого-вто­ рого поршневых колец при положении поршня в ВМТ, в поясе выпускных и продувочных окон и перепада температур в огневом днище крышки, являющегося прямой функцией воспринимаемого ею теплового потока. Такие измерения в судовых двигателях явля-

277

В свою очередь относительные потери теплоты через стенки ци­ линдра в охлаждающую среду

(14.3)

ТА Y PS

После подстановок получим

Из этого выражения следует, что термические напряжения в ЦПГ двигателя увеличиваются с ростом величин р и п и Tst а так­ же при ухудшении сгорания топлива — снижении r\t и ps.

Механическая напряженность двигателя характеризуется не­ сколькими параметрами. При анализе напряженного состояния элементов остова наиболее существенной хар актеристикой является максимальное давление сгорания в цилиндрах рг. Состояние дета­ лей КШМ определяется совместным влиянием силы Рг и силы инер­ ции движущихся масс Pj, определяемым суммарной силой Р, мак­ симальное значение которой

Значения Рг устанавливают на основе данных индицирования двигателя, а Р тах и P j подсчитывают по приведенным формулам.

Характеристики. Рабочие режимы, характеризуемые определен­ ными условиями работы двигателя, объединяются в общее понятие характеристики двигателя. Характеристику принято представлять

ввиде графической зависимости энергетических, экономических и эксплуатационных показателей от одного из параметров двигателя, принимаемого в качестве независимого переменного. При этом если

вкачестве назависимого переменного принимают нагрузку, то ха­ рактеристика называется нагрузочной, а если частоту вращения, то

скоростной. ■'.

Из скоростных характеристик практический интерес представ­ ляют внешняя, частичные и винтовые характеристики.

Нагрузочная характеристика. Характеристика представляет со­

и принимают в качестве независимого переменного. При построении нагрузочной характеристики значения ре откладывают по оси абс­

и главные двигатели, нагружаемые изменением шагового отноше­ ния HID гребного винта.

■При уменьшении нагрузки цикловая подача топлива g 4 уменьша­ ется, что в свою очередь сопровождается сокращением продолжи­ тельности подачи, снижением давления впрыска и качества рас­ пыливания топлива, особенно ощутимым в области малых нагрузок. Заряд воздуха GBсокращается в связи с падением подачи турбоком­ прессора либо остается почти без изменений (в двигателе без над­ дува). Отмеченные изменения и GBприводят к тому, что коэффициент избытка воздуха а = G J ( g nG0) при уменьшении нагрузки уве­ личивается (см. рис. 14.1). Это обусловливает улучшение сгорания топлива и увеличение индикаторного КПД т|г„ Однако при переходе в область малых нагрузок рост коэффициента rj| замедляется и в от­ дельных случаях возможно даже некоторое его снижение, что объяс­ няется ухудшением распыливания топлива и увеличением относи­

в то время как индикаторная мощность N г*убывает. В итоге меха­ нический КПД г)мех уменьшается, что отрицательно сказывается на удельном эффективном расходе топлива и экономичности работы двигателя: несмотря на снижение g i$ кривая ge (см. рис. 14.1) при уменьшении нагрузки круто поднимается и лишь на небольшом участке [от решом до (0,75 0,8) реном1 удельный расход топ­ лива несколько понижается, и наиболее экономичный режим ра­ боты двигателя, как правило, обеспечивается при нагрузке, соот­ ветствующей ре = (0,7 0,8)реяом.

О тепловой и механической напряженности косвенно можно су­ дить по температуре выпускных газов /г и максимальному давлению цикла рх. Последние с увеличением нагрузки растут и наибольших

279