2.4. Расчёт технологических параметров дизельных молотов

При проектировании дизельных молотов за основу принимаются в первую очередь следующие три параметра:

1 – сила тяжести ударной части; 2 – энергия удара; 3 – скорость ударной части в момент удара.

В практике строительства свайных оснований выработались два условия, связывающие весовую и энергетическую характеристики молотов. Во-первых, для эффективной работы молота по погружению сваи необходимо, чтобы энергия удара Е молота и масса забиваемой сваи находились в отношении = 4,9-6,9, т.е для нормальной работы необходимо, чтобы на 1кг массы сваи приходилось 4,9 – 6,9 Дж энергии молота. Во-вторых, необходимо, чтобы соотношение, связывающее массу ударной части и массу сваи с шаботом и наголовником, находилось в пределах .

Рис. 2.17. Схема работы дизельного молота:

1 – кошка; 2 – поршень; 3 – топливный насос; 4 – выхлопной патрубок;

5 – цилиндр; 6 – шабот; I – подъём поршня (пуск), продувка цилиндра;

II – конец продувки, подача топлива; III – конец сжатия, удар по шаботу, горение топлива; IV – конец горения топлива, выхлоп, начало продувки

Скорость ударной части перед ударом не должна превышать определённой величины, за пределами которой или снижается производительность, или происходит сильное разрушение головы сваи. Величина скорости в основном определяется характеристикой материала сваи, величиной плоскости соударения и др. Для железобетонных и деревянных свай не рекомендуется использовать молоты, у которых скорость в момент удара превышает 6 м/с.

Условия забивки свай и характеристики самих свай настолько многообразны, что проектировать для каждого из многочисленных вариантов особый молот нецелесообразно. Поэтому при проектировании дизельных молотов за исходный параметр принимают энергию удара при работе молота на жёсткой опоре.

Для определения главных размеров цилиндра дизельного молота и его рабочего объёма необходимо проводить тепловой расчёт для определения среднеиндикаторного и среднеэффективного давлений и , удельноиндикаторного и эффективного расхода топлива и .

2.4.1. Тепловой расчёт дизельного молота

Основными данными для теплового расчёта дизельного молота являются топливо и его свойства, степень сжатия , давление окружающего воздуха р₀, температура окружающего воздуха , эффективная энергия Е_е и т.д.

Тепловой расчёт производится в следующей последовательности.

1. Определяется теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1кг топлива по формуле

(кг воздуха/кг топлива) (2.12)

или в молях:

(моль/кг топлива),

где - химический состав топлива по весу углерода, водорода, кислорода;

- молекулярная масса воздуха ( =28,95);

0,23 – массовая доля содержания кислорода в воздухе.

2. Определяется действительное количество воздуха.

Для этого необходимо принять значение коэффициента избытка воздуха , который колеблется в пределах от 1,3 до 1,7. Можно определить действительное количество воздуха по формуле

(кг воздуха/кг топлива); (2.13)

или в молях

(моль/кг топлива). (2.14)

Состав продуктов сгорания на каждый кг топлива:

; ; ; .

Всего продуктов сгорания, кг:

.

Полученное значение проверяется по формуле

. (2.15)

Состав продуктов сгорания в молях:

; ; ; .

Всего продуктов сгорания , моль:

. (2.16)

Проверка полученных значений осуществляется по формуле

. (2.17)

3. Вычисляется коэффициент молекулярного изменения (отношения числа молей продуктов сгорания к числу молей до сгорания) по формуле

. (2.18)

4. Определяется средняя молекулярная теплоёмкость при постоянном давлении для продуктов сгорания по формуле

, (2.19)

где – объёмные доли газов в смеси;

; ; ; , (2.19а)

где - число молей смеси (2.16).

Теплоёмкости составляющих газов принимаются по опытным данным.

Средняя молярная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении:

(2.20)

Средняя молярная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном объёме :

.

5. Определяются значения параметров в начале процесса сжатия и в конце сжатия .

Параметры на впуске при практических расчётах принимают:

и .

Температура в конце впуска (в начале сжатия) с учётом теплообмена со стенками определяется по формулам, К:

для трубчатого молота

; (2.21)

для штангового молота

, (2.22)

где ; ;

– изменение температуры свежего заряда воздуха вследствие теплообмена со стенками ;

– температура окружающего воздуха;

– температура остаточных газов;

– коэффициент остаточных газов (для трубчатых дизельных молотов значения приведены в табл. 2.7);

– степень сжатия;

– давление остаточных газов.

Значение коэффициента у молотов штангового типа во многом зависит от рабочего хода цилиндра и диаметра цилиндра . Если отношение довести до 1,0-1,1, то величина составляет 3,5-4,5%. У серийных же молотов =1,6-1,9 и соответственно =8-9%.

Коэффициент наполнения рабочего объёма цилиндра для трубчатых дизельных молотов рассчитывается по формуле

, (2.23)

а для штанговых дизельных молотов по формуле

. (2.24)

Величина коэффициента остаточных газов для трубчатых молотов может быть принята в пределах 0,2-0,25 (см. табл. 2.7), а для штанговых – в пределах значений, приведённых выше, или рассчитана по формуле

. (2.25)

Температура в конце сжатия, , как для трубчатых, так и для штанговых молотов находится по формуле

, (2.26)

где -показатель политропы сжатия (значения для трубчатых молотов представлены в табл. 2.7, а для штанговых молотов =1,36-1,39).

.

Значение температуры конца сжатия должно находиться в пределах не менее 760-800 .

Давление в конце сжатия определяется по формуле, Н/м²

.

6. Вычисляются параметры в конце процесса сгорания. Степень повышения давления

; (2.27)

где -максимальное давление сгорания, Н/м².

Для дизельных молотов значения приведены в табл.2.7, а для штанговых =1,5-1,6.

Коэффициент выделения тепла для дизельных двигателей колеблется в пределах от 0,75 до 0,90.

При этих условиях максимальное давление в цилиндре, Н/м² :

. (2.28)

Температура газа, :

. (2.29)

Температура конца сгорания определяется из уравнения сгорания для смешанного цикла:

(2.30)

где -температуры газов в точках С и Z (конца сжатия и конца видимого горения топлива) индикаторной диаграммы, ;

-средняя молярная теплоёмкость воздуха, ( ), значения которой принимается для температуры (см. табл. 2.7);

-низшая теплотворная способность топлива, ккал/кг.

Таблица 2.7

Средняя молярная теплоёмкость воздуха

	500	600	700	800	900	1000	1100
	5,202	5,276	5,352	5,425	5,425	5,561	5,624

Значение рассчитывается по формуле Д.И.Менделеева

,

где С,Н,O,S и W – содержание в топливе по весу в процентах углерода, водорода, кислорода, серы и влаги ( =10180 для дизельного автотракторного масла, =10110 для солярового масла, =9880 для моторного топлива -смесь солярового масла и мазута для дизелей).

7. Находится степень предварительного расширения:

, (2.31)

где -действительный коэффициент молекулярного изменения;

.

Согласно экспериментальным данным для трубчатых дизельных молотов =1,25-1,36 (см. табл. 2.8).

Степень последующего расширения определяется из отношения

. (2.32)

Для трубчатых дизельных молотов =10-12 (см. табл.2.8).

8. Рассчитываются параметры (давление и температура ) в конце расширения по следующим формулам:

; (2.33)

, (2.34)

где -средний показатель политропы расширения (для трубчатых дизельных молотов значения см. в табл. 2.7, а для штанговых молотов в среднем =1,28).

9. Определяются индикаторные и эффективные показатели работы двигателя.

Среднее индикаторное давление нескруглённой диаграммы определяется из уравнения, Н/м²:

. (2.35)

При переходе от к среднему индикаторному давлению действительной диаграммы используется формула, Н/м²:

, (2.36)

где - так называемый коэффициент полноты диаграммы, или коэффициент скругления диаграммы, численно изменяющийся от 0,92 до 0,97.

Ввиду того, что в трубчатых дизельных молотах впуск и выпуск (продувка) осуществляются через одни и те же окна, цикл этих молотов следует рассчитывать в пределах полезного хода поршня, поэтому коэффициент полноты индикаторной диаграммы для трубчатых дизельных молотов при практических расчетах можно принимать равным 1,0.

Среднее эффективное давление, Н/м²:

, (2.37)

где -механический к.п.д. (для дизельных молотов принимается в пределах 0,70-0,80).

Удельный индикаторный расход топлива, г/Дж:

(2.38)

или

, г/Вт.

Эффективный расход топлива, г/Дж:

. (2.39)

Тепловой расчет может быть закончен нахождением значений и , так как наличие таких данных уже позволяет определить главные размеры цилиндра дизельного молота и его рабочий объём.