3. Определение основных размеров шатуна и шатунных болтов

Расстояние между осями шатуна [3, стр. 416]:

где R – радиус кривошипа (половина хода поршня);

λ_R=1/4...1/5, в нашем случае 1/4.

Для І и II ступеней:

Диаметр наружный головки шатуна [3, стр. 425]:

d_г =(1,5...1,7)·d_п;

Для І ступени: d_г = 1,7 36 = 58 мм;

Для II ступени: d_г = 1,7 26 = 44 мм.

Длина поршневой головки для закреплённого пальца:

L_м=(0,28...0,32)·D_п;

Для І ступени: L_м= 0,31 145 = 45 мм;

Для II ступени: L_м= 0,31 85 = 26 мм.

Закреплённый палец устанавливается в головку шатуна при помощи стяжного болта.

Минимальная толщина стенки головки:

h_г > 0,3·d_п;

Для І ступени: h_г > 0,3 36 = 10,8 мм;

Для II ступени: h_г > 0,3 26 = 7,8 мм.

Толщина запрессованной втулки:

S_п > 0,09·d_п;

Для І ступени: S_п > 0,09 36 = 3,2 мм;

Для II ступени: S_п > 0,09 26 = 2,3 мм.

Ширина минимальная стержня шатуна [3, стр. 427]:

h_{ш min}= (0,5...0,6)·d_г;

Для І ступени: h_{ш min}= 0,6 58 = 35 мм;

Для II ступени: h_{ш min}= 0,6 44 = 26 мм.

Ширина максимальная стержня шатуна:

h_{ш max}=(1,2...1,4)·h_{ш min};

Для І ступени: h_{ш max}= 1,4 35 = 49 мм;

Для II ступени: h_{ш max}= 1,4 26 = 36 мм.

Размер полок двутавровых сечений:

b_ш=(0,55…0,8) L_м;

Для І ступени: b_ш= 0,6 45 = 27 мм;

Для ІI ступени: b_ш= 0,7 26 = 18 мм.

Диаметр шатунной шейки:

d_ш.ш 0,68·D_п;

Для I ступени: d_ш.ш 0,68 145=98,6 мм;

Для II ступени: d_ш.ш 0,68 85=57,8 мм.

Примем усредненное значение d_ш.ш=80 мм.

Диаметр коренной шейки принимаем исходя из рекомендаций [2, с.398].

Длина кривошипной головки:

L_к.г.=(0,45...0,95)·d_ш.ш.;

Для І и II ступеней: L_к.г = 0,62 80 = 50 мм.

Высота стягиваемой шатунными болтами части обоймы:

Для обоймы шатуна [3, стр. 430]:

h₁= (0,55...0,65)·d_ш.ш= 0,65 80 = 50 мм.

Для крышки головки шатуна:

h₂= (0,5...0,65)·d_ш.ш= 0,54 80 = 43 мм.

Диаметр шатунного болта:

d_ш.б=(0,18...0,25)·d_ш.ш= 0,2 80 = 16 мм.

Расстояние между шатунными болтами:

С_б=(1,2...1,3)·d_ш.ш= 1,3∙80 = 104 мм.

Рисунок 2.3 ‒ Шатун

4. Выбор клапанов по пропускной способности. Подбор пружин клапанов

Задаемся допустимыми относительными потерями мощности в клапанах ∆N_кл /N_ном, где ∆N_кл – суммарные потери мощности в нагнетательном и всасывающем клапанах; N_ном – номинальная индикаторная мощность ступени [2, стр. 173].

Рассчитываем всасывающие клапана

∆N_кл /N_ном выбираем в зависимости от значения давления всасывания:

∆N_кл /N_ном = 11,2 – для I и II ступени.

По выбранному допустимому значению находим соответствующие значения критерия скорости F из рисунка 2.4.1.

Рисунок 2.4.1 – Суммарная потеря мощности во всасывающих

и нагнетательных клапанах ступеней в зависимости от F

Из графика: F = 0,22 - для I и II ступени.

Скорость звука при условиях в клапане:

а_зв = , (2.4.1)

где R – газовая постоянная воздуха, равная R = 287,2 Дж/(кг*К):

а_зв = = 349 м/с – для I ступени;

а_зв = = 354,8 м/с – для II ступени.

Рассчитываем допустимую угловую скорость газа в клапане по формуле:

w_ф = F·а_зв, (2.4.2)

w_ф = 0,22·349 = 76,78 м/с – для I ступени;

w_ф = 0,22·354,8 = 78,06 м/с– для II ступени.

Определяем необходимое значение площади клапанов:

Ф = , (2.4.3)

где – площадь поршня; – средняя скорость поршня; число клапанов; = 1 выбираем для I ступени, = 1 выбираем для II ступени:

Ф = = 8,6 см² – для I ступени;

Ф = = 2,9 см² – для II ступени.

Аналогично рассчитываем нагнетательные клапана для I и II ступени. Все расчеты сводим в таблицу 2.4.1.

Таблица 2.4.1 – Расчет эквивалентной площади клапана

Параметр	I ступень		II ступень
	всасывание	нагнетание		всасывание	нагнетание
F	0,22	0,22		0,22	0,22
азв , м/с	349	407		354,8	410,7
wф, м/с	76,78	89,5		78,06	90,4
Ф, см2	8,6	7,4		2,9	2,5

По необходимым значениям эквивалентной площади клапанов подбираем стандартные дисковые клапаны по ОСТ 26-12-2030–81:

- всасывающий клапан I ступени ВКТ 100–2,0–1,0 с мёртвым объёмом клапана V_м при всасывании 84 см³, при нагнетании 73 см³; b = 6 мм; h= 2 мм; d₁=100 мм; d₂=112 мм; h_вс=h_н=10 мм; h₁=25,5 мм; H=75 мм.

- нагнетательный клапан I ступени НКТ 100–1,5–1,0 с мёртвым объёмом клапана V_м при всасывании 81 см³, при нагнетании 73 см³; b = 6 мм; h= 1,5 мм; d₁=100 мм; d₂=112 мм; h_вс=h_н=10 мм; h₁=25 мм; H=75 мм.

- всасывающий клапан II ступени ВКТ 60–2,0–1,6 с мёртвым объёмом клапана V_м при всасывании 24 см³, при нагнетании 14 см³; b = 6 мм; h= 2 мм; d₁=60 мм; d₂=68 мм; h_вс=h_н=8 мм; h₁=20 мм; H=55 мм.

- нагнетательный клапан II ступени НКТ 60–1,5–1,6 с мёртвым объёмом клапана V_м при всасывании 23 см³, при нагнетании 14 см³; b = 6 мм; h= 1,6 мм; d₁=60 мм; d₂=68 мм; h_вс=h_н=8 мм; h₁=19,5 мм; H=55 мм.

После выбора клапанов необходимо найти скорректированные значения эквивалентной скорости газа в клапане по формуле:

w_ф = (2.4.4)

Для I ступени значения эквивалентной скорости газа во всасывающем и нагнетательном клапанах соответственно равны:

w_{ф вс} = = 74,2 м/с;

w_{ф наг} = = 88 м/с.

Аналогично значения эквивалентной скорости газа рассчитываются для II ступени и заносятся в табл.2.4.2.

Скорректированные значения критерия скорости газа в клапане определяется по формуле [2, стр. 174]:

F = (2.4.5)

Для I ступени:

F_вс = = 0,21;

F_наг = = 0,22.

Для II ступени скорректированные значения критерия скорости рассчитываются аналогично и записываются в табл.2.4.2.

Из рисунка 2.4.3 по скорректированному значению критерия скорости находим максимальное значение относительной потери давления в клапане.

1 - нагнетательные клапана; 2 - всасывающие клапана

Рисунок 2.4.2 – Зависимость х_max от F

Для I ступени: х _max.т = 0,07 – всасывание, х _max.т = 0,095 – нагнетание.

Далее проведем расчет для I ступени, для II ступени – он проводится по аналогии.

Задаемся соотношением θ = х_п.о. / х _max.т в диапазоне:

θ = х _п.о. / х _max.т =(0,1…0,3), (2.4.6)

где х _п.о – минимальное значение относительного перепада в клапане, требуемое для преодоления силы упругости пружины при полном открытии клапана; х _max.т – наибольшее теоретическое значение относительной потери давления в полностью открытом клапане.

Принимаем θ = х_п.о. / х _max.т = 0,2.

Находим минимальное значение относительного перепада давления в клапане, необходимого для преодоления силы упругости пружины при полном открытии клапана:

Х _п.о = θ · х _max.т , (2.4.7)

Х _п.о = 0,2 · 0,07 = 0,014 – для всасывания;

Х _п.о = 0,2 · 0,095 = 0,019 – для нагнетания.

Минимальный перепад давления, необходимый для полного открытия клапана:

∆p_п.о. = х _п.о · p, (2.4.8)

p – номинальное давление газа, протекающего в клапане:

∆p_п.о. = 0,014·0,1·10⁶ = 1400 Н/м² – для всасывания;

∆p_п.о. = 0,019·0,29·10⁶ = 5510 Н/м² – для нагнетания.

Находим отношение полной высоты подъема пластины к ширине прохода в щели h/b. На основании полученного значения отношения из рисунка 2.4.2 находим коэффициент давления потока _p.

Значение h/b = 0,33 – для всасывания, h/b = 0,25 – для нагнетания.

Коэффициент давления потока:

_p = 1,25 – для всасывания;

_p = 1,2 – для нагнетания.

Рисунок 2.4.3 – Коэффициент давления потока

Рассчитываем приведенную силу упругости пружины:

В_пр = ∆p_п.о.· _p , (2.4.9)

В_пр = 1400·1,25 = 1750 Н/м² – для всасывания;

В_пр = 5510·1,2= 6612 Н/м² – для нагнетания.

Округляем значение приведенной силы упругости пружин до ближайшего номинального значения В_{пр ном}:

В_{пр ном} = 2750 Н/м² – для всасывания

В_{пр ном} = 8000 Н/м² – для нагнетания

Определяем силу давления пружины на пластину клапана по формуле:

p_пр.ном = В_{пр ном} · f_c (2.4.10)

где ʄ_c – площадь проходного сечения в седле:

p_пр.ном = 2750·0,00178 = 4,9 – для всасывания;

p_пр.ном = 8000·0,00178 = 14,24 – для нагнетания.

Расчет сводим для первой и второй ступеней сводим в таблицу 2.4.2.

Таблица 2.4.2 Расчет пружины клапана

Параметр	I ступень		II ступень
	всасывание	нагнетание	всасывание	нагнетание
, м/с	74,2	88	73,5	87,7
aзв, м/с	349	407	354,8	410,7
F	0,21	0,22	0,21	0,21
χmax.т	0,07	0,095	0,07	0,09
	0,2	0,2	0,2	0,2
χп.о	0,014	0,019	0,014	0,018
Pп.о, Н/м2	1400	5500	4060	15300
h/b	0,33	0,25	0,33	0,27
ρp	1,25	1,2	1,25	1,21
Впр, Н/м2	1750	6612	5075	18513
Впр.ном, Н/м2	2750	8000	5075	20000
Рпр.ном, Н	4,9	14,24	2,64	9,6