книги из ГПНТБ / Ливенцев, Ф. Л. Двигатели со сложными кинематическими схемами. Кинематика, динамика и уравновешивание
.pdfФ.Л.Ливенцев
\
Дв и г а т е л и
со с л о ж н ы м и
ки н ем ати ч еск и м и сх ем ам и
Ф.Л. Ливенцев
Двигатели
со сложными
КИНЕМАТИЧЕСКИМИ
СХЕМАМИ
КИНЕМАТИКА, ДИНАМИКА
И УРАВНОВЕШИВАНИЕ
ЛЕНИНГРАД
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Л 55 УДК 621:43 : 531.1
--------------------------- —
Гос. п»0л:;ч::ая научно-тохш:- оская й'лб.'НЮТѲ'іа ОС GP
ЭКЗЕМПЛЯР
ЧИТАЛ6! ОГО З А Л ^ J
W-/S7
Л к в е н ц е в Ф. Л. Двигатели со сложными кинематическими схе мами. Л ., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1973. 176 с.
В книге рассмотрены методы анализа кинематики и динамики ряда двигателей со сложными кинематическими схемами криво шипно-шатунных механизмов, а также различные приемы анализа неуравновешенных сил инерции, их моментов и уравновешивания. Для ДВС со сложными кинематическими схемами разработаны ме тоды: определения обобщенных коэффициентов тактности и на их основе формулы расчета мощности и размеров рабочих цилиндров; графоаналитического расчета мощностей, передаваемых опережаю щими и отстающими поршнями ДВС с противоположно движущи мися поршнями, и ординат индикаторных диаграмм для них; таблич ных расчетов динамики и ординат векторных диаграмм подшипников, результирующих неуравновешенных сил инерции и их моментов; определения неуравновешенных моментов сил инерции и их уравно вешивания различными способами и др.
В разделах, где это необходимо, книга имеет примеры, помо гающие читателям понять и использовать рекомендуемые автором методы анализа и расчетов кинематики, динамики и уравновешива ния для ДВС с кинематическими схемами кривошипно-шатунных механизмов любой сложности.
Книга предназначена для инженерно-технических работников конструкторских бюро и заводов, связанных с конструированием и расчетом ДВС, а также может быть полезна студентам соответ ствующих специальностей.
Табл. 31. Ил. 63. Список лит. 14 назв.
Рецензенты: инж. М. А. Миселев, канд. техн. наук М. П. Ширяев Редактор д-р техн. наук проф. Р. ІИ. Петриченко
334— 164
лQ38 (Q1)—73 164—73
©Издательство «Машиностроение», 1973 г.
Г л а в а I
О с о бен н о сти н е к о т о р ы х с л о ж н ы х
КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМ КРИВОШИПНО-ШАТУННЫХ МЕХАНИЗМОВ ДВС
1.Кривошипно-шатунный механизм двухтактного двигателя
спротивоположно движущимися рабочими поршнями
Двигатели с двумя, тремя и более противоположно движущи мися рабочими поршнями в одном, двух и более рабочих цилин драх были предложены Виттигом, Лука и Костовичем в период 1878—1881 гг., использованы Юнкерсом в начале текущего сто летия и нашли широкое применение в большом числе различных модификаций двухтактных ДВС, использующих один (нижний) коленчатый вал с тремя кривошипами для каждого рабочего ци линдра («Юнкере», «Доксфорд», «Бурмейстер и Вайн» и др.), Или два (верхний и нижний) коленчатых вала («Юнкере», Д-100, «Фебрекс-Морзе», «Нэпир-Дэлтик» и др.).
Рассмотрение этой схемы представляет интерес потому, что она используется у двигателей «Нэпир-Дэлтик» со сложным криво шипно-шатунным механизмом, который рассматривается как один из примеров расчетов кинематики, динамики и уравновешивания ДВС со сложными кинематическими схемами.
У двухвальных ДВС с противоположно движущимися порш нями, кроме двигателей «Нэпир-Дэлтик», направление вращения валов — произвольное; оно зависит от системы синхронизирую щего механизма между верхним и нижним валами. На рис. 1 представлены кривошипно-шатунные механизмы тронковых дви гателей этого типа при одном 1 и при двух 2 коленчатых валах. В обоих случаях верхние рабочие поршни управляют открытием и закрытием выпускных окон 4, а нижние — продувочных окон 3. Верхние и нижние поршни могут иметь синхронное движение, т. е. одновременно проходить через их мертвые точки, но могут работать и со сдвигом одноименных фаз на угол А. Синхронное движение поршней при. одном коленчатом вале использовалось у большого числа мощных малооборотных крейцкопфных ревер сивных судовых дизелей.
1* |
3 |
Движение верхних и нижних поршней со сдвигом одноименных фаз используется в настоящее время у всех ДВС с противоположно движущимися поршнями; при этом поршни, управляющие ок нами выпуска, опережают поршни, управляющие окнами про дувки на угол А, который принимается обычно в пределах 9— 12° и только у двигателей «Нэпир-Дэлтик» А = 20°.
Рис. 1. Кинематические схемы тронковых ДВС с про тивоположно движущимися поршнями
Ход верхних и нижних поршней может быть одинаковым или различным, причем верхние поршни в таких случаях имеют обычно меньший ход, чем нижние.
Некоторые модификации ДВС этого типа имеют диаметр верх них поршней меньше, чем нижних. Верхние поршни с уменьшен ным ходом и диаметром превращаются в поршневые золотники, которые все же оказывают значительное вл-ияние на изменение объемов рабочего цилиндра, и поэтому оно должно учитываться при расчетах. Сдвиг фаз рабочих поршней оказывает влияние на метод расчета рабочего объема цилиндров, однако у одновальных
4
ДҢС этого типа даже при отсутствии сдвига фаз различные длины шатунов у "нижнего и верхнего поршней вносят ощутимые по правки в их перемещения в зависимости от угла а поворота криво шипов.
Обладая некоторыми положительными качествами схемы криво шипно-шатунного механизма двухтактных ДВС с противоположно движущимися поршнями, имеющих сдвиг фаз у поршней выпуска и продувки, будут использоваться и впредь.
Во многих литературных источниках методы анализа кине матики кривошипно-шатунных механизмов ДВС базируются на рассмотрении обычного элементарного механизма. Эти методы анализа можно распространять и на двигатели со сложными кине матическими схемами, однако их громоздкость не позволяет в этих случаях охватить закономерности, присущие той или иной кине матической схеме. Необходимость анализа кинематики криво шипно-шатунных механизмов ДВС с противоположно движущи мися поршнями, имеющих сдвиг фаз поршней выпуска и продувки, привела к разработке таких методов расчетов [7, 9], однако и в этом случае в основу метода положен анализ элементарного механизма.
Совершенно по иному и с исчерпывающей полнотой метод анализа кинематики и динамики кривошипно-шатунных механиз мов любой сложности изложен П. А. Истоминым [4]. В основу этого обобщенного метода для гармоник первого и второго поряд ков положены безразмерные параметры кривошипно-шатунного механизма, с помощью которых решаются практически все вопросы, связанные с расчетами кинематики и динамики
д в е .
При разработке проектов двигателей часто возникает необхо димость контроля полученных результатов расчетов с визуальной оценкой их правильности, для чего прибегают к графическому представлению протекающих процессов.
Так как более углубленному анализу (наравне с некоторыми другими типами двигателей) нами подвергается один из ДВС со сложными кинематическими схемами кривошипно-шатунных механизмов, а именно двигатель «Нэпир-Дэлтик», скомпоно ванный из трех Ѵ-образных двигателей, образующих три цилиндра с противоположно движущимися рабочими поршнями, то внима нию читателей предлагается графоаналитический метод анализа кинематики двигателей с противоположно движущимися поршнями, имеющих сдвиг фаз поршней выпуска и продувки.-
Метод разработан на основе графического представления движе ния поршней [7] с добавлением связи между углами поворота кривошипов и перемещениями рабочих поршней, что достигается введением в графики диаграмм Брикса. Предлагаемый метод ана лиза допускает его применение к двигателям с противоположно движущимися поршнями, имеющими любую форму камеры
горения, вплоть до выносных камер факельного зажигания, и любые формы днищ рабочих поршней.
Точность результатов, достигаемых этим методом, зависит от масштаба диаграмм, т. е. с увеличением масштаба точность воз растает.
2.Диаграмма Брикса и ее использование
врасчетах кинематики и динамики поршневых ДВС
Конечная длина шатуна L искажает перемещение поршня s при повороте кривошипа на угол а.
Для аксиального кривошипно-шатунного механизма (рис. 2) с конечной длиной шатуна перемещение s поршня при повороте
|
кривошипа на угол а выражается |
||||||||||
|
равенством |
|
|
|
|
t |
|
|
|
||
|
s = R |
4- L — R cos'а — L cos ß. |
|||||||||
|
Перемещение |
|
поршня для |
беско |
|||||||
|
нечной |
длины шатуна при повороте |
|||||||||
|
кривошипа |
на тот же угол |
|
||||||||
|
|
|
s6 = R — R cos а. |
|
|||||||
|
Поправка, |
вносимая |
конечной |
||||||||
|
длиной |
шатуна при повороте криво |
|||||||||
|
шипа на угол а |
|
|
|
|
|
|
||||
|
cp = s — s6 = R |
|
|
L — R cos а — |
|||||||
|
|
— L cos ß — R -f- R cos а |
= |
||||||||
|
|
|
= |
L — L cos ß. |
|
|
|||||
|
Используя |
известное приближен |
|||||||||
|
ное |
выражение |
|
угла |
ß через угол |
||||||
|
а, а |
именно: |
|
J_ |
|
|
|
|
|||
|
|
cos ß*=» |
1 — |
|
|
|
|
||||
|
|
|
2"Ä,2sin2а, |
|
( 1 ) |
||||||
|
|
|
D |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
где |
X = |
R_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
’ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
получим значение поправки ср для |
||||||||||
|
любого угла а поворота кривошипа |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
L |
R2 |
. |
а |
|
Рис. 2. |
Схема кривошипно-ша |
cp = L — L -f- 2 |
La |
sin2 a = |
|||||||
тунного |
механизма к определе |
|
|
|
R2 |
. |
2 |
|
|
( 2) |
|
нию поправки Брикса |
|
|
|
. ... _ |
cm * |
|
|
||||
|
|
|
2L |
sin2 a |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Нетрудно видеть, что максимальное значение поправки |
ф1ШХ= |
||||||||||
= RC“!2L будет при a = 90 и 270°. Величина фтах представляет собой эксцентриситет диаграммы Брикса. Она возрастает от О до R2/2L при изменении а от 0 до 90° и убывает от RZ/2L до 0 при из менении а от 90 до 180°. Диаграмма Брикса позволяет с достаточ-
6
ной для практических целей точностью графически определять положение поршня при любом значении а. Для этого необходимо от центра О отложить на оси кривошипно-шатунного механизма в сторону, противоположную рабочему цилиндру, значение экс центриситета R2/2L. Если из нового центра О' провести вектор О'А' параллельно радиусу R, то, спроектировав точку А' на ось уу механизма, получим точку В', которая будет соответствовать положению центра пальца рабочего поршня пли центра подшип ника поперечины крейцкопфа на ходе 5. Используя поправку
Брикса,_ формулу для |
перемещения |
поршня |
в |
зависимости |
от |
|
угла а поворота кривошипа можно |
написать |
в |
виде s = |
s6 -{- |
||
+ cp = R — R cos а -|— |
П2 |
так как |
sin2 а — |
1 |
|
|
s^n 2аг и |
---- |
|||||
---- У cos 2а, то |
|
|
|
|
|
|
s = R (1 — cos а) 4 -- J - |
(1—cos 2а) |
|
|
3 |
||
|
( |
) |
||||
Второй член в квадратных скобках представляетсобой поправку или искажение, вносимое конечной длиной шатуна, с учетом гар моники второго порядка. Диаграмма Брикса является удобным средством при анализе кинематики и динамики поршневых ДВС.
3.Причины и следствия сдвига фаз поршней у ДВС
спротивоположно движущимися поршнями
Необходимость сдвига фаз или введение углового опереже ния для поршней, управляющих окнами выпуска, диктуется тем,
.что открытие этих окон должно быть значительно раньше откры тия окон продувки с тем, чтобы давление рабочих газов в рабочем цилиндре упало до давления продувочного воздуха или близкого к нему.
По этой причине, как известно, у двухтактных ДВС с попереч нощелевой продувкой окна выпуска делаются большей высоты (до 27%), чем окна продувки (до 18% от хода поршня), однако достигаемое этим путем опережение открытия выпускных окон приводит к тому, что эти окна закрываются с углом запаздывания (после закрытия окон продувки), равным углу опережения их открытия (симметричная диаграмма газораспределения), так что значительна^ доля продувочного воздуха уходит в -выпускной трубопровод без пользы. Это становится особенно нежелательным у двигателей с наддувом, когда на сжатие бесполезно теряемого продувочного воздуха затрачивается относительно большое коли чество работы. Чтобы избежать потерь воздуха через окна вы пуска, когда продувочные окна уже закрыты, у некоторых мощ ных малооборотных ДВС (МАН, «Зульцер» и др.) непосредственно за окнами выпуска устанавливаются управляемые золотники, которые закрывают окна выпуска одновременно или даже не-
сколько раньше закрытия окон продувки, благодаря чему коэф фициент наполнения рабочих цилиндров зарядом свежего воз духа увеличивается, а расход продувочного воздуха уменьшается.
Введение угла сдвига фаз пли угла опережения для поршня выпуска у ДВС с противоположно движущимися поршнями и
Рис. 3. Использование диаграммы Брикса при исследовании газо распределения двухтактных ДВС
призвано выполнять роль золотника на тракте выпуска без ка кого-либо усложнения конструкции собственно двигателя. Одно временно с этим сдвиг фаз рабочих поршней позволяет уменьшать относительные высоты окон выпуска и продувки, что дает уве личение полезных ^ходов рабочих поршней. Сдвиг фаз дает 'воз можность широкого варьирования высотами окон. Чтобы обеспе чить опережение открытия окон выпуска при синхронном движе
8
нии поршней, управляемых кривошипами а и b (рис. 3, диа грамма 1), они должны иметь высоту /гв > /гп. Введя угол опере жения А для верхнего поршня, можно уменьшить высоту окон выпуска до /гв = /гп. При этой (/гв = /гп) высоте окон продувки они будут открываться нижним поршнем на угол А позже окон выпуска. Когда верхний поршень закроет окна выпуска, окна продувки будут еще оставаться открытыми на некотором угле поворота кривошипа Ь. При этом потери продувочного воздуха практически сводятся к нулю, а часть сечения окон продувки, остающихся еще открытыми (заштрихована на диаграмме 1), после закрытия окон выпуска используется для подачи в рабо чий цилиндр продувочного воздуха, что способствует увеличению коэффициента наполнения рабочего цилиндра свежим зарядом и мощности рабочего цилиндра.
Обладая такой благоприятной особенностью, кривошипно шатунные механизмы ДВС с противоположно движущимися порш нями, имеющие сдвиг фаз рабочих поршней, вносят и значитель ные усложнения в расчет кинематики и параметров рабочего про цесса. Так, сдвиг фаз влияет на элементы газораспределения, на коэффициент б последующего расширения рабочих газов, на давление конца расширения рь и приводит к перераспределению работы, передаваемой поршнями выпуска и продувки их колен чатым валам.
4. Графическое представление сдвига фаз рабочих поршней у ДВС с противоположно движущимися поршнями и определение элементов газораспределения
Предварительный расчет рабочего процесса ДВС с противо положно движущимися поршнями, имеющих сдвиг фаз рабочих поршней, может быть произведен для цилиндра с одним поршнем, ход которого в любой момент равен сумме ходов обоих поршней. При этом могут быть определены значения всех параметров ра бочего процесса, включая среднее индикаторное давление p t и расчет продувки с определением необходимых высот и времясечений окон. Полученные параметры можно условно относить или к суммарному полезному ходу обоих поршней или к среднему полезному ходу каждого рабочего поршня. Расчет продувки дает необходимые время-сечения свободного выпуска и продувки, выраженные площадями F ± и Р2 диаграммы 2 (рис. 3) газораспре деления при различной высоте окон. Площадь F3 представляет собой время-сечение выпускных окон в период продувки рабочего цилиндра. Для симметричной диаграммы газораспределения пло щадь F,1 = Fx представляет собой время-сечение открытия выпуск ных окон после закрытия окон продувки и является вредной для' работы двигателя.
Чтобы избавиться от площади Ft при сохранении высоты про дувочных окон и площадей Fx и Fit необходимо ввести угол
9