Файл: Болотин Ф.Ф. Динамика корабельных ДВС учеб. пособие.pdf

Лениградское высшее военно-морское инженерное училище имени В.И.Ленина

Ф.Ф.БОЛОТИН, Г.Д.КОРТЫН

ДИНАМИКА КОРАБЕЛЬНЫХ ДВС

(Учебное пособие)

Ленинград

1974

Вв е д е я и

ШУ съезд КПСС поставил перед машиностроением задачу повысить эффективность оборудования путем увеличения еди­ ничных мощностей агрегатов, уделить особое внимание раз­ витию дизелестроения, улучшить качество и надежность дви­ гателей, увеличить моторесурс этих машин в 1,5-2 раза.

Решение этих задач полностью совпадает с потребностями Военно-Морского Флота. Стремление получить двигатели боль­ шой агрегатной мощности и малых габаритов неизбежно при­ водит к повышению их форсировки, тепловой и динамической нагруженности, к использованию сложных компоновочных схем. Эти задачи не могут быть выполнены без решения сложных

динамических проблем.

Внастоящем учебном пособии излагаются основные вопро­ сы динамики корабельного двигателя. В частности, рассыатоиваются сит, возникающие во время работы двигателя, их действие на двигатель и фундамент, вопросы уравновешива­ ния сил инерции. Этим вопросам предпослан краткий кинема­ тический анализ кривошипно-шатунных механизмов корабель­ ных две.

Вкниге не рассмотрены крутильные колебания валопрово-

дов в установках с ЛВС. Этим важным вопросам, изучаемым в разделе "Динамика", посвящено специальное учебное посо­ бие Ф.Ф.Болотина, Б.А.Пискунова "Крутильные колебания валопроводов установок с ДВС" (ЛВВМЙУ,1972).

Знание динамики двигателя необходимо не только инжене- ру-конструктору, но и корабельному инженеру-механику,

3

эксплуатирующему ДВС. Известны случаи, когда недостаточ­ ный учет динамических вопросов при проектировании энерге­ тической установки приводил к неправильным конструктор­ ским решениям, в результате чего не обеспечивалась надеж­ ность работы установки и возникала необходимость в пере­ делках. Так, например, неудачная установка неуравновешен­ ного двигателя типа 44 10,5/13 на топливных цистернах на кораблях некоторых проектов приводила к повышенным вибра­ циям конструкции и трещинам в топливных цистернах. Усиле­ нием корпусных конструкций не удалось ликвидировать появ­ ление трещин. В конечном итоге, пришлось отказаться от неуравновешенного 4- цилиндрового двигателя и установить уравновешенный 6-цилиндровый двигатель 64 10,5/13.

Не менее важны знания динамики двигателя и инженеруэксплуатационнику. Нередки случаи, когда приходится эксплуатировать двигатель при наличии отказов отдельных элементов, при выходе из строя топливного насоса высокого давления или форсунки, при демонтированных деталях движе­ ния одного из цилиндров, при отключении приводного турбо­ компрессора, части валопровода иди его ответвлений и т.д. Инженеру-механику приходится участвовать в модернизации установки, ремонте двигателя и линия вала, замене соеди­ нительных муфт й гребных винтов и т.д.

Во всех этих и многих другах случаях неучет динамиче­ ских явлений может привести к сильным вибрациям двигателя, корпуса корабля, сопряженных с двигателем систем, в повы­ шенным напряжениям в валопроводе и поломкам. Нужно пони­ мать динамические явления, происходящие при атом, чтобы разобраться в причинах ненормальной работы двигателя, и назначить правильные режимы его использования. Можно найти немало примеров, когда непонимание причин поломок, проис­ ходящих вследствие незнания вопросов динамики, приводило личный состав электромеханической службы к неправильным решениям и действиям, усугубляющим положение.

4

В разработке основных вопросов динамики ДВС принимали участие отечественные инженеры и ученые многих заводов, институтов, вузов и других учреждений. Необходимо отметить заслуги выдающегося русскогЬ ученого Н.Е.Жуковского, ра­ бота которого "О давлении поршней в моторе “Гнои*' на стен­ ки цилиндров" непосредственно посвящена допросам динами­ ки авиационного дизеля.

Большой вклад в решение проблем теории колебаний внес академик А.Н.Крылов, воспитанник Морского инженерного учи­ лища, вся жизнь которого тесно связана с Военно-Морским Флотом. Мировое признание подучил графический метод иссле­ дования кинематики и динамики кривошипно-шатунного меха­ низма другого воспитанника Морского инженерного училища профессора Ф.А.Брикса. Большой вклад в развитие динамики авиационных поршневых двигателей внесли врофессора И.Ш.Нейман и В.К.Житомирский. Конструктивные схемы авиа­ ционных двигателей получили распространение и в ВМФ, поэтому работы этих ученых в немалой степени предопреде­ лили развитие не только авиационного, но и военно-морско­ го и судового двигателестроения.

Следует отметить работы Г.Г.Баранова, Е.Д.Львова, Л.К.Мартенса, М.В.Семенова, А.М.Каца, В.П.Терских, И.А.Лурье, М.Я.Кушудя, О.К.Найденко, П.А.Истомина и мно­ гих других, внесших вклад в развитие тех или иных вопро­ сов динамики.

Вопросами динамики занимались большие коллективы уче­ ных, инженеров, конструкторов, исследователей ДИАМ, ЦНИИ им. А.Н.Крылова, Щ Щ И , К Б заводов "Звезда", Коломенского тепловозостроительного, "Русский дизель", кафедр ДВС МВТУ им. Баумана, Харьковского политехнического институ­ та, Военно-морской орденов Ленина и Ушакова академии и других учреждений.

Можно с уверенностью сказать, что без достижений совет­ ских ученых и инженеров в области динамики было бы невоз­ можно создание лучших современных образцов судовых дизелей,

5

таких, как двигатель типа М-503, 61, 2Д-42 и др., находя­ щихся на уровне мировых двигателей.

В предлагаемом учебном пособии изложены лишь основные вопросы лекций по динамике ДВС, читаемых в курсе "Кора­ бельные ДВС" ЛВВМИУ. Небольшой объем времени, отводимый на изучение раздела динамики ДВС в этом курсе, не дает

возможности рассмотреть достаточно подробно многие актуаль­ ные вопросы и проблемы динамики, возникающие в современ­ ном дизелестроении и кораблестроении. Однако изучение материала книги позволяет курсантам и слушателям понимать

аусваивать последующие разделы курса "Проектирование ДВС"

и"Эксплуатация ДВС", а также выполнять необходимые рас­ четы при курсовом и дипломном проектировании.

Часть I книги написана кандидатом технических наук, доцентом Ф.Ф.Болотиным, а часть П - кандидатом техниче­ ских наук, доцентом Г.Д.Корткном.

6

Так как ось шатуна ЛВ в нормальном ЯШМ соединяет цент­ ра тяжести шатунной шейки вала и поршневого пальца, рас­

в.м.т., я.м.т. - верхняя и нижняя мертвые точки поршня; S n- путь, пройденный поршнем от его в.м.т.;

S=2Rход поршня, равный расстоянию между в.м.т. и н.м.т., т.е. удвоенному радиусу кривошипа;

a>=dtda угловая скорость вала (кривошипа), при­ нимаемая для упрощения постоянной (т.е. <л)=const).

Характер движения деталей КШМ неодинаков. Коленчатый вал и кривошип ОА совершают вращательное

движение вокруг оси 0 , которое условно, дня упрощения выводов, считается равномерным (в главе 2 будет показано, что в реальных двигателях скорость вращения вала всегда переменная, даже при установившихся режимах работы и при самой совершенной регулировке двигателя).

Шатун AS совершает сложное плоское движение (в плоско­ сти чертежа рис. I.I), при этом, одна его точка А » ле­ жащая на оси шатунной шейки вала, совершает вращательное

8

движение вместе с кривошипом ОД и валом, а вторая точка В , лежащая на оси поршневого пальца, движется вместе с

ной, а касательная составляющая ускорения равняется нулю.

как оно направлено по радиусу кривошипа к оси вращения вала 0 . Точка 8 движется по оси цилиндра вместе с поршнем и кинематические закономерности ее движения опре­ деляют перемещение, скорость и ускорение поршня. При изу­ чении теории механизмов и машин рассматриваются подробно выводы этих закономерностей. Напомним здесь лишь вывод приближенного выражения для ускорения поршня, необходимо­ го в последующем при определении сил инерция поступательно движущихся масс деталей КИШ.

Путь, пройденный поршнем от верхнего крайнего положе­

9