Файл: Эксплуатация корабельных двигателей внутреннего сгорания лекции..pdf

щихся деталей;

R - радиус кривошипа;

со - угловая скорость вращения коленчатого

вала; Л - отношение радиуса кривошипа к длине

шатуна;

а. - угол поворота коленчатого вала.

Как видно из формул (3.24), (3.25), величина сил

инерции деталей кривошипно-шатунного механизма конкрет­

ного двигателя определяется только величиной угловой

скорости коленчатого вала.

Силы инерции поступательно движущихся масс двухтакт­

ного двигвтеля уменьшают амплитуду движущей силы, а

четырехтактного - увеличивают ее. Следовательно, при

равных условиях четырехтактный двигатель будет больше

напряжен в механическом отношении.

Механические напряжения от сил инерции поступательно движущихся и вращающихся масс могут превысить максималь­ но допустимые значения и даже привести к поломке или аварии двигателя, если число оборотов превысит максималь­ но допустимые значения, например, при разносе двигателя. В этом случае резко возрастают нагрузки на подшипники коленчатого вала в результате чего происходит подплав­ ление подшипников и заклинивание коленчатого вала.

В коленчатом вале и в некоторых других деталях

могут возникать крутильные колебания, приводящие к

появлению опасных напряжений. Для уменьшения крутильных

колебаний применяется ряд конструктивных мер: выбирается наиболее благоприятная схема заклинки кривошипов, уста­ навливаются демпферы или антивибраторы. Однако крутиль­

ные колебания могут возникнуть и достигнуть опасных

64

может проявиться не сразу, а спустя значительное время. Это обязывает инженера-механика и личный состав, обслужи­

вающий двигатели, понимать физическую сущность явлений

и предвидеть опасность тех или иных механических пере­

грузок. Перегрузка может привести к немедленной полошее

детали и к немедленному выходу двигателя из строя, если механические напряжения в некоторых деталях превысят

предел прочности или удельные давления в подшипниках

станут больше возможной их грузоподъемности.

Перегрузка двигателя в отношении механической

напряженности может произойти в следующих характерных

случаях. .

При значительном изменении угла опережения подачи

топлива в сторону его увеличения резко возрастает мак­

симальное давление сгорания и увеличивается жесткость

работы двигателя. На нагрузках, близких к полным, меха­

нические напряжения могут превысить максимально допу­ стимые.

К таким же последствиям может привести влияние

внешних условий, связанное со значительным снижением

температуры воздуха на входе в двигатель. Увеличение

максимального давления сгорания и жесткости работы должно в этом случае контролироваться.

Нарушение регулировки двигателя по цикловой подаче топлива , применение нестандартного топлива,, имеющего сниженное цетановое число, общая перегрузка дизеля, снижение температурного уровня режима охлаждения также вызывают увеличение максимального давления сгорания, повышение жесткости работы двигателя.

Превышение допустимого числа оборотов вызывает

увеличение сил инерции поступательно движущихся и вра­

щающихся масс, превышение удельных давлений на подшипни­ ки коленчатого вала и,как следствие, их подплэвление.

Правила эксплуатации судовых дизелей обязывают лич­

ный состав периодически контролировать нагрузку двигате-

66

лей по косвенным показателям механической напряженности,

в частности, по величине p z которая может быть

измерена на корабле такими приборами, как максиметр или

механический индикатор. Контроль максимального давления сгорания особенно важен на нагрузках двигателя, близких к полным.

>§ 3. Тепловое состояние деталей двигателя

Тепловое состояние деталей цилиндро-поршневой группы

определяется температурой на поверхности этих деталей и перепадом (градиентом) температур между нагреваемой и охлаждаемой поверхностями. Большое значение для обеспе­ чения надежной работы двигателя имеет сохранение в заданных пределах температуры в отдельных точках ряда деталей.

I. Максимальная температура на поверхности поршня.

Максимальная температура устанавливается, как пра­

вило, на поверхности, не­ посредственно соприкасаю­ щейся с горячими газами,

в центре донышка поршня

или по его краям (см. рис. 3.3). Эта температу­ ра определяет механиче­ скую прочность материа­ ла поршня.

Предельно допустимыми температурами для различ­

ных материалов, исполь­

зуемых при изготовлении

поршней, являются следую­

щие:

Рис. 3.3. Схема распределе­ ния температур по сечению

S7

материала резко понизится, что может привести к появлению трещин, остаточных деформаций, и, в конечном итоге,

квыходу поршня из строя.

2.Максимальная температура порпня в районе распо-

ложения верхнего уплотнительного кольца.

Так как уплотнительные кольца пораня, в том числе

верхнее кольцо, нормально работают только при наличии смазки, то температура поршня в районе верхнего уплот­

нительного кольца характеризует условия смазки кольца и

интенсивность разложения масла в канавках поршня при

данной температуре. Если температура поршня в районе расположения поршневых колец превысит максимально

допустимый предел, то масло начнет интенсивно разлагать­

ся с образованием лака и других продуктов распада,

нарушится смазка кольца. В результате образования плот­

ных лаковых отложений поршневое кольцо теряет подвиж­

ность или, как принято говорить, "пригорает", или "зависает". Данный процесс будет прогрессировать до тех пор, пока не произойдет задир поршня.

Опыт доводки и эксплуатации отечественных и зарубеж­ ных дизелей показывает, что предельно допустимой темпе­ ратурой в районе уплотнительных поршневых колец при использовании стандартных масел с присадками следует

считать температуру 200°С. Для быстроходных форсирован­

ных дизелей этот предел может быть повышен до 220-240°С. Для колец трапецеидального сечения - до 245°С. Увеличе­

ние верхнего предела температуры в районе уплотнитель­

ных поршневых колец во многом определяется стойкостью

масла против разложения его в условиях высоких температур

68

и давлений. Эффективным средством, повышающим стойкость

масел, является применение специальных присадок.

3.Максимальная температура на поверхности днища

поршня со стороны, охлаждающейся маслом.

Данная температура характеризует интенсивность разложения масла на охлаждаемой поверхности и интенсив­

ность отложения слоя лака. Образование слоя лаковых

отложений приводит к ухудшению теплоотвода от поршня и

кзначительному росту температурного уровня поршня во

всех его точках; превышение максимального предела темпе­

ратур нарушает надежность и долговечность работы двигате­

ля. Предельной температурой поверхности поршня, охлаждае­

мой маслом, при которой скорость лаковых отложений нахо­ дится в допустимых пределах, следует считать температуру около 200°С (если для двигателя используются стандартные масла).

4.Температура рабочей поверхности втулки в верхней

части, в районе верхнего положения поршневых колец. Данная температура характеризует: во-первых, условия

работы масла, смазывающего втулку в этом районе; во-вто­

рых, условия конденсации паров воды, содержащихся в

заряде воздуха и образующихся при сгорании топлива. Интенсивность конденсации капельной влаги на рабочей

поверхности втулки зависит от парциального давления паров воды в заряде воздуха, поступающего в цилиндр двигателя,

паров воды, образующихся при сгорании топлива (на каж­

дый килограмм сгоревшего топлива в среднем образуется

около 1,17 кг водяного пара), и от парциального давления насыщения пара, соответствующего температуре

на поверхности втулки. Во время процессов сжатия воздуш­

ного заряда, горения и расширения продуктов сгорания

парциальное давление водяного пара возрастает пропорцио­ нально увеличению давления в цилиндре и становится больше

69

давления насыщения. На поверхности втулки конденсируется влага. Количество выпадающей влаги тем больше, чем боль­

ше разность парциального давления пара з газовой среде

и давления насыщения на поверхности втулки.

Капельная влага, оседающая на поверхности втулки,

обводняет масло, вносит но поверхность втулки кислоты и другие химические реагенты, способствующие старению

масла и ускоряющие коррозионный износ.

Для уменьшения конденсации влаги температура

поверхности втулки должна быть повышена, а для сохране­

ния устойчивой масляной пленки в районе верхнего положе­

ния поршневых колец она должна быть снижена. Исследова­

ния показывают, что минимальный износ в районе верхней

части втулки наблюдается при температуре на ее поверх­

ности, равной 160-170°С.

5. Максимальная температура клапана.

Максимальная температура клапана характеризует механическую прочность его материала, условия смазки што­

ка клапана в направляющей втулке, а также коррозионный износ рабочей поверхности тарелки и уплотняющего . посадочного пояска.

Работоспособность двигателя определяется не какимлибо одним из вышеперечисленных показателей, а их

комплексом. Если одна из температур превысит максималь­

но допустимое значение, то работоспособность двигателя

нарушится, несмотря на благоприятные уровни температур в других зонах.

Современные быстроходные корабельные турбопоршневые

дизели спроектированы таким образом, что при работе

двигателя на режимах, близких к полным, показатели,

характеризующие тепловое состояние деталей, близки к

предельным значениям. Общий запас прочности по тепловой напряженности невелик, и всякое отклонение режима работы

70

от нормального, например;перегрузка двигателя, неизбежно приведет к возрастанию температуры деталей, к снижению

или полному израсходованию запаса прочности по тепловой

напряженности и, в конечном счете, - к преждевременному

выходу двигателя их строя.

Задача инженера-механика состоит в том, чтобы не до­

пустить превышения предельно допустимых температур дета­

лей цилиндро-поршневой группы. Она осложняется тем, что

в условиях эксплуатации нет приборов, позволяющих контро­ лировать температуру деталей, и инженер-механик вынужден

пользоваться косвенными показателями теплового состояния

двигателя.

§ 4. Теплопередача в цилиндре дизеля. Приближенная оценка осредненнего удельного теплового потока и

температуры деталей

Тепловое состояние деталей оценивается температурой поверхностей и перепадом температур между стенками. При существующих методах контроля за работой двигателя не­ посредственного измерения температур не производится и тепловое состояние двигателя оценивается по косвенным показателям.

Для выявления косвенных показателей теплового состоя­ ния деталей, доказательства их достоверности и объектив­ ности необходимо рассмотреть процесс теплопередачи в цилиндре дизеля. Конечной целью этого исследования яв­ ляется нахождение математической зависимости для опреде­ ления температуры на поверхности детали и перепада тем­

ператур между стенками, а также определение тех факторов,

от которых эти температуры зависят.

Процесс теплопередачи в цилиндре дизеля имеет свои особенности, которые заключаются в следующем.

Периодический характер рабочего процесса предопреде­

71