графическим методом
Среднее индикаторное давление графическим методом определяется с использованием формулы Симпсона, для чего построенная теоретическая индикаторная диаграмма разбивается на четное число частей.
Рисунок 2.2 - Схема определения среднего индикаторного давления методом Симпсона
Площадь фигуры асс1zbа определяется по выражению, мм2:
=10/3(60+2304+984)=11160, |
где h – интервал разбиения, мм;
=70+0=60; | |
; S2=4∙(166+118+77+54+43+34+29+25+20+10)=2304; | |
S3=2∙(146+94+66+50+38+32+27+23+16)=984; |
– разность ординат в начальной и конечной точках деления,
мм;
– разность ординат в нечетных точках деления, мм;
– разность ординат в четных точках деления, мм.
Тогда среднее индикаторное давление определится по формуле, МПа:
Pi=S/mp∙Lh=11160/(40∙200)=1.395>Pi=1.368, |
где – масштаб по оси давления, мм/МПа;
– длина отрезка, соответствующего объему , мм.
Расхождение значения Pi, полученного при тепловом расчете, и значения , определенного по индикаторной диаграмме, не должно превышать 0.02 МПа.
2. Динамический расчет двигателя
Значения сил и моментов, действующих в двигателе, определяются силой давления газов в цилиндре , силами инерции поступательно и вращательно движущихся масс, центробежными силами инерции , силами сопротивления, силами трения и весом деталей кривошипно-шатунного механизма .
За полный рабочий цикл сила давления газов , силы инерции , эффективный момент и момент сопротивления изменяются как по значению, так и по направлению.
Центробежная сила инерции изменяется только по направлению. Сила тяжести деталей шатунно-поршневой группы G остается постоянной и по значению, и направлению.
Для расчета деталей двигателя на прочность и износостойкость вычисляются удельные (приходящиеся на 1 м2 площади поршня) максимальные, минимальные и средние значения сил и моменты для ряда последовательных положений кривошипа. Силы и моменты определяются для расчетного (номинального) режима работы двигателя.
Используя индикаторную диаграмму, рассчитывается зависимость избыточного давления газов от угла поворота коленчатого вала . Построение диаграммы производится от ВМТ для четырехтактного двигателя (начало наполнения), для двухтактного двигателя – от НМТ (начало сжатия).
Для двигателя с расходящимися поршнями за ВМТ принимается внутреннее положение поршней.
Удельная сила избыточного давления газов, Н/м2,
РГ = Р – РО, |
где РГ= 0,1033 – удельное давление среды на поршень со стороны картера двигателя, МПа.
Диаграмма избыточного давления газов строится следующим образом. Под индикаторной диаграммой на базе отрезка строится полуокружность (основная) с центром О. От центра О в сторону НМТ откладывается поправка Брикса, получается центр О' полуокружности, из которого произвольным радиусом проводится дополнительная полуокружность. Она разбивается на равные части по 20оп.к.в. для четырехтактных и по 10оп.к.в. для двухтактных двигателей. Из центра О' через точки разбиения проводятся радиусы до пересечения с основной окружностью, где и получаются расчетные точки, соответствующие определенному углу поворота коленчатого вала. Полученные точки проектируются на линии индикаторной диаграммы, где в соответствующем масштабе определяется сила давления газов (P) для определенного угла поворота коленчатого вала. Затем рассчитывается сила избыточного давления газов и строится диаграмма.
Удельная сила инерции поршня, Н/м2:
; PJП=(-39,43/0.0665)∙0.15∙77,452∙(cosj+l1∙cos2j); Fп=pD2/4=3.14∙0.2912/4=0.0665, |
где – масса поршня в сборе, кг;
R – радиус кривошипа, м;
– площадь поршня, м2;
w – угловая скорость вращения вала, с–1.
При вращении коленчатого вала шатун совершает сложное движение, которое можно рассматривать как результат двух перемещений:
поступательного (с поршнем вдоль оси цилиндра);
вращательного (вокруг оси поршневого пальца).
Силу инерции шатуна обычно заменяют двумя: силой инерции части массы шатуна, совершающей поступательное движение вместе с поршнем, и силой инерции остальной части массы шатуна, сосредоточенной на цапфе кривошипа и вращающейся вместе с ней.
Для двигателей средней быстроходности (линейная скорость поршня не превышает 6,5 м/с) можно принять: 30 % массы шатуна двигается поступательно, 70 % массы шатуна совершает вращательное движение.
Тогда удельная сила инерции шатуна, отнесенная к пальцу поршня, Н/м2,
; PJШП=-0.3(88,9/0.0665)∙0.15∙77,452∙(cosj+(1/4.3)∙cos2j); |
Где =88.9 – масса шатуна, кг.
=((0.7∙88,9)/0.0665)∙0.15∙77,452=0,842 МПа |
При равномерном вращении коленчатого вала двигателя (n = const) колено будет давать лишь одну центробежную силу, удельная величина которой определится по формуле, Н/м2:
=(134,05/0.0665)∙77,452∙0.0773=0,935 МПа, |
где – масса колена (двух щек и цапфы), кг;
– расстояние центра тяжести колена от оси вала, м.
При проведении расчетов истинную массу колена заменяют массой, приведенной к радиусу кривошипа, кг:
=(134,05∙0,0773)/0,15=69,08 кг, |
тогда
=69,08∙0.15∙77,452/0.0665=0,935 МПа. |
Для определения расстояния от центра тяжести колена до оси вала eо используется расчетная схема, приведенная на рис.:
Составив уравнение равновесия моментов сил относительно оси О–О, получим:
; ε0=(2∙584,13∙0.075+58,53∙0.1323)/(2∙584,13+58,53)=0.0773 м, |
где – вес щеки и шатунной шейки вала, Н;
– расстояние от оси вращения вала до центра тяжести щеки и ша-тунной шейки соответственно, м.
При выполнении динамического расчета эскизная компоновка колена вала и определение массовых характеристик основных деталей двигателя выполняются с использованием табл. 4.1, и 4.2.
С учетом плотности материала вала (, Н/м3) определяется вес коренной, шатунной шеек и щеки вала соответственно:
; PКШ=3.14∙(0.218-0.120)2∙0.15∙78000/4=88,21 H; dk=0.75∙0.291=0.218 м; dкв=0,55∙dk =0.55∙0.218=0.12 м; lкш=0.65*dk=0.65∙0.218=0.142м; | |
; PШ.Ш.=3.14(0.189-0.104)2∙0.1323∙78000/4=58,53 H; dш=0,65∙D=0,65∙0,291=0,189 м; dшв=0,55∙dш=0.55∙0.189=0.104 м; lшш=0,7∙dш=0,7∙0,189=0,1323 м; | |
; PЩ=0.291∙0.0728(0.15+(0.189/2)+(0.218/2))∙78000=584,13 H; b=1∙D=0,291 м; n=0,25∙D=0.25∙0.291=0.0728 м. |
Истинная масса колена, кг,
MK=2∙PЩ+PШШ+PKШ=(2∙584,13+58,53+88,21)/9.81=134,05 кг. |
Масса поршня в сборе, кг:
=(42∙0,291)/0.31=39,43 кг, |
где , – масса поршня, кг, и диаметр цилиндра, м, двигателя-об-
разца;
D – диаметр цилиндра проектируемого двигателя, м.
Масса шатуна, кг,
=(98∙0,644)/0.71=88,9 кг; Lш=Rпр/l1=0,15/0.233=0,644; Rпр=(D∙l1)/2=(0.291∙1.0313)/2=0.15 м; l1=Sобр/Dобр=0,33/0,32=1,0313, |
где , – масса, кг, и длина, м, шатуна двигателя-образца;
– длина шатуна проектируемого двигателя, м.
Угловая частота вращения вала, мин -1,
=(3.14∙750)/30=77,45, |
где n – частота вращения вала двигателя, мин -1.
Подставив найденное значение и определив , найдем силу инерции колена.
На основании выполненных расчетов определяются:
суммарная сила инерции поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма, Н/м2,
; PJП Σ=((-39.43+0,3∙88.9)/0,0665)∙0,15∙77.452(cosj+l1∙cos2j); |
суммарная сила инерции вращающихся масс, Н/м2:
; PJВΣ=(0.7∙88.9+69.08)∙0.15∙77.452/0.0665=1.777 МПа; |
суммарная сила инерции кривошипно-шатунного механизма, Н/м2:
=Pjпå+1.777. |
Вдоль оси цилиндра действуют: сила инерции поступательно движущихся масс и сила избыточного давления газов . Сила, действующая по оси цилиндра, Н/м2, равна алгебраической сумме этих сил:
. |
Так как ось шатуна в общем случае наклонена к оси цилиндра, то суммарная сила , передаваясь на шатун, раскладывается на силу , действующую нормально к стенке цилиндра, и силу К, действующую по оси шатуна, Н/м2:
; | |||
, | (3.21) | ||
где – угол между осью цилиндра и осью шатуна, град.
Сила К, передающаяся на шатунную шейку вала, в свою очередь раскладывается на две составляющие, одна из которых направлена касательно к окружности, описываемой радиусом кривошипа (касательная сила T), а другая,
(радиальная сила Z) – по направлению радиуса колена
Сила Т является единственной, обусловливающей крутящий момент на валу дизеля, так как направление действия радиальной силы Z всегда проходит через ось вращения вала.
Силы Т и Z определяются по формулам, Н/м2:
Зависимость угла b от угла поворота радиуса кривошипа j оценивается выражением:
Эффективный крутящий момент на валу, Н×м,
Помимо радиальных сил вдоль радиуса кривошипа действует растягивающая центробежная сила , которая всегда постоянна и направлена по радиусу кривошипа, поэтому суммарная радиальная сила, Н/м2,
По результатам динамического расчета необходимо построить диаграммы:
Перспективные тепловозные дизели имеют V-образное расположение цилиндров, при котором на одну шатунную шейку действуют силы от левого и правого цилиндров.
Построение удельных суммарных диаграмм касательных и радиальных сил, приложенных к одной шатунной шейке V-образного двигателя, производится по результатам алгебраического или геометрического сложения одноименных диаграмм, сдвинутых относительно друг друга на угол, равный интервалу между вспышками в правом и левом цилиндре в соответствии с порядком их работы.
Для многоцилиндрового дизеля интервал между соседними вспышками определится по выражению, оп.к.в.:
.=(180∙4)/6=120 оп.к.в. |
Построение удельной диаграммы суммарных касательных сил для двигателя, имеющего Z цилиндров, осуществляется путем суммирования диаграммы касательных сил, построенной для одного цилиндра Z раз со сдвигом относительно друг друга на угол . Удельная средняя тангенциальная сила представляет собой отношение площади фигуры, заключенной между осью абсцисс и диаграммой суммарных касательных сил для всего двигателя, к ее длине.
Степень неравномерности крутящего момента характеризует не только неравномерность работы двигателя, но также и максимальный крутящий момент для заданной мощности. Значение силы определяется по формуле Симпсона.
Конечным результатом при выполнении динамического расчета двигателя является проверка расчетной индикаторной мощности, кВт, по формуле:
TСР=1.334 МПа;
Niдин=82,163∙Тср∙D2∙R∙n; Ni дин=82.163∙1.334∙0.2912∙0.15∙740=1030,25 Вт; Ni тепл=Nе/ηмех; Ni тепл= 880/0,8=1000 Вт; ((Ni дин-Ni тепл)/Ni дин) ∙100% = =((1030,25-1000)/1030,25)∙100%= 2,9 %. |
При сравнении значения Ni, полученного в результате теплового расчета, и значения, полученного в результате динамического расчета, отклонение не должно превышать
5– 7 %. ВЕРНО!
Список использованной литературы
1. Т и щ е н к о А. И. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам. М., 1976. 432 с.
2. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов /
А. Э. С и м п с о н, А. З. Х о м и ч, А. А. К у р и ц и др. М., 1987. 536 с.
3. Тепловозные дизели и их мощностные ряды. / А. Э. С и м п с о н,
ский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1993. 8 с.
4. СТП ОмИИТ-11-91. Курсовой и дипломный проекты. Правила
оформления пояснительной записки/ Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1993. 20 с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате расчёта были определены параметры рабочего процесса. Построена индикаторная диаграмма и определено индикаторное давление эмпирическим и графическим методом, а так же проведено их совпадение. Сделан динамический расчет двигателя, в котором определены основные силы и моменты, действующие в кривошипно-шатунном механизме двигателя. По результатам динамического расчёта построены диаграммы Pr=f(j); På=f(j); Z=f(j); Zå=f(j); Nст=f(j); K=f(j); T=f(j).Так же сделана проверка индикаторной мощности теплового и динамического расчёта их расхождение составило 5,6%.
φ | р | Рг | Рjп | Рjшп | РjпΣ | РjΣ | РΣ | N ст | K | T | Z | ZΣ | БЕТТА | М п |
0,158 | 0,0547 | -0,658 | -0,445 | -1,103 | 0,674 | -1,048 | 0,000 | -1,048 | 0,000 | -1,048 | 0,729 | 0,000 | ||
0,158 | 0,0547 | -0,597 | -0,404 | -1,000 | 0,777 | -0,945 | -0,075 | -0,948 | -0,394 | -0,863 | 0,914 | 4,562 | -3932 | |
0,158 | 0,0547 | -0,430 | -0,291 | -0,721 | 1,056 | -0,667 | -0,101 | -0,674 | -0,506 | -0,446 | 1,331 | 8,597 | -5044 | |
0,158 | 0,0547 | -0,205 | -0,138 | -0,343 | 1,434 | -0,288 | -0,059 | -0,294 | -0,279 | -0,093 | 1,684 | 11,619 | -2786 | |
0,158 | 0,0547 | 0,024 | 0,016 | 0,041 | 1,818 | 0,095 | 0,022 | 0,098 | 0,098 | -0,006 | 1,771 | 13,240 | ||
0,158 | 0,0547 | 0,209 | 0,142 | 0,351 | 2,128 | 0,406 | 0,095 | 0,417 | 0,383 | -0,164 | 1,613 | 13,240 | ||
0,158 | 0,0547 | 0,329 | 0,222 | 0,551 | 2,328 | 0,606 | 0,125 | 0,619 | 0,463 | -0,411 | 1,366 | 11,619 | ||
0,158 | 0,0547 | 0,387 | 0,262 | 0,649 | 2,426 | 0,704 | 0,106 | 0,712 | 0,371 | -0,607 | 1,170 | 8,597 | ||
0,158 | 0,0547 | 0,406 | 0,275 | 0,681 | 2,458 | 0,735 | 0,059 | 0,738 | 0,196 | -0,711 | 1,066 | 4,562 | ||
0,158 | 0,0547 | 0,409 | 0,277 | 0,686 | 2,463 | 0,741 | 0,000 | 0,741 | 0,000 | -0,741 | 1,036 | 0,000 | ||
0,1625 | 0,0592 | 0,406 | 0,275 | 0,681 | 2,458 | 0,740 | -0,059 | 0,742 | -0,198 | -0,716 | 1,061 | -4,562 | -1971 | |
0,175 | 0,0717 | 0,387 | 0,262 | 0,649 | 2,426 | 0,721 | -0,109 | 0,729 | -0,380 | -0,622 | 1,155 | -8,597 | -3788 | |
0,1875 | 0,0842 | 0,329 | 0,222 | 0,551 | 2,328 | 0,636 | -0,131 | 0,649 | -0,485 | -0,431 | 1,346 | -11,619 | -4839 | |
0,25 | 0,1467 | 0,209 | 0,142 | 0,351 | 2,128 | 0,498 | -0,117 | 0,511 | -0,470 | -0,202 | 1,575 | -13,240 | -4687 | |
0,3875 | 0,2842 | 0,024 | 0,016 | 0,041 | 1,818 | 0,325 | -0,076 | 0,334 | -0,333 | -0,019 | 1,758 | -13,240 | -3322 | |
0,65 | 0,5467 | -0,205 | -0,138 | -0,343 | 1,434 | 0,204 | -0,042 | 0,208 | -0,197 | 0,066 | 1,843 | -11,619 | -1969 | |
1,225 | 1,1217 | -0,430 | -0,291 | -0,721 | 1,056 | 0,400 | -0,061 | 0,405 | -0,304 | 0,268 | 2,045 | -8,597 | -3030 | |
2,85 | 2,7467 | -0,597 | -0,404 | -1,000 | 0,777 | 1,747 | -0,139 | 1,752 | -0,728 | 1,594 | 3,371 | -4,562 | -7265 | |
5,625 | 5,5217 | -0,658 | -0,445 | -1,103 | 0,674 | 4,419 | 0,000 | 4,419 | 0,000 | 4,419 | 6,196 | 0,000 | ||
6,78 | 6,6767 | -0,597 | -0,404 | -1,000 | 0,777 | 5,677 | 0,453 | 5,695 | 2,367 | 5,179 | 6,956 | 4,562 | ||
4,175 | 4,0717 | -0,430 | -0,291 | -0,721 | 1,056 | 3,350 | 0,507 | 3,388 | 2,542 | 2,241 | 4,018 | 8,597 | ||
2,325 | 2,2217 | -0,205 | -0,138 | -0,343 | 1,434 | 1,879 | 0,386 | 1,918 | 1,820 | 0,605 | 2,382 | 11,619 | ||
1,4 | 1,2967 | 0,024 | 0,016 | 0,041 | 1,818 | 1,337 | 0,315 | 1,374 | 1,371 | -0,078 | 1,699 | 13,240 | ||
1,0125 | 0,9092 | 0,209 | 0,142 | 0,351 | 2,128 | 1,260 | 0,297 | 1,295 | 1,190 | -0,511 | 1,266 | 13,240 | ||
0,8 | 0,6967 | 0,329 | 0,222 | 0,551 | 2,328 | 1,248 | 0,257 | 1,274 | 0,953 | -0,846 | 0,931 | 11,619 | ||
0,6 | 0,4967 | 0,387 | 0,262 | 0,649 | 2,426 | 1,146 | 0,173 | 1,159 | 0,604 | -0,989 | 0,788 | 8,597 | ||
0,3 | 0,1967 | 0,406 | 0,275 | 0,681 | 2,458 | 0,877 | 0,070 | 0,880 | 0,234 | -0,849 | 0,928 | 4,562 | ||
0,155 | 0,0517 | 0,409 | 0,277 | 0,686 | 2,463 | 0,738 | 0,000 | 0,738 | 0,000 | -0,738 | 1,039 | 0,000 | ||
0,155 | 0,0517 | 0,406 | 0,275 | 0,681 | 2,458 | 0,732 | -0,058 | 0,735 | -0,196 | -0,708 | 1,069 | -4,562 | -1951 | |
0,155 | 0,0517 | 0,387 | 0,262 | 0,649 | 2,426 | 0,701 | -0,106 | 0,709 | -0,369 | -0,605 | 1,172 | -8,597 | -3683 | |
0,155 | 0,0517 | 0,329 | 0,222 | 0,551 | 2,328 | 0,603 | -0,124 | 0,616 | -0,460 | -0,409 | 1,368 | -11,619 | -4591 | |
0,155 | 0,0517 | 0,209 | 0,142 | 0,351 | 2,128 | 0,403 | -0,095 | 0,414 | -0,380 | -0,163 | 1,614 | -13,240 | -3793 | |
0,155 | 0,0517 | 0,024 | 0,016 | 0,041 | 1,818 | 0,092 | -0,022 | 0,095 | -0,095 | -0,005 | 1,772 | -13,240 | -943 | |
0,155 | 0,0517 | -0,205 | -0,138 | -0,343 | 1,434 | -0,291 | 0,060 | -0,297 | 0,282 | -0,094 | 1,683 | -11,619 | ||
0,155 | 0,0517 | -0,430 | -0,291 | -0,721 | 1,056 | -0,670 | 0,101 | -0,677 | 0,508 | -0,448 | 1,329 | -8,597 | ||
0,155 | 0,0517 | -0,597 | -0,404 | -1,000 | 0,777 | -0,948 | 0,076 | -0,951 | 0,395 | -0,865 | 0,912 | -4,562 | ||
0,158 | 0,0547 | -0,658 | -0,445 | -1,103 | 0,674 | -1,048 | 0,000 | -1,048 | 0,000 | -1,048 | 0,729 | 0,000 |
φ | т1 | т2 | т3 | т4 | т5 | т6 | т cумм |
0,000 | 0,463 | -0,485 | 0,000 | 0,953 | -0,460 | 0,471 | |
-0,394 | 0,371 | -0,470 | 2,367 | 0,604 | -0,380 | 2,098 | |
-0,506 | 0,196 | -0,333 | 2,542 | 0,234 | -0,095 | 2,038 | |
-0,279 | 0,000 | -0,197 | 1,820 | 0,000 | 0,282 | 1,626 | |
0,098 | -0,198 | -0,304 | 1,371 | -0,196 | 0,508 | 1,279 | |
0,383 | -0,380 | -0,728 | 1,190 | -0,369 | 0,395 | 0,491 | |
0,463 | -0,485 | 0,000 | 0,953 | -0,460 | 0,000 | 0,471 | |
0,371 | -0,470 | 2,367 | 0,604 | -0,380 | -0,394 | 2,098 | |
0,196 | -0,333 | 2,542 | 0,234 | -0,095 | -0,506 | 2,038 | |
0,000 | -0,197 | 1,820 | 0,000 | 0,282 | -0,279 | 1,626 | |
-0,198 | -0,304 | 1,371 | -0,196 | 0,508 | 0,098 | 1,279 | |
-0,380 | -0,728 | 1,190 | -0,369 | 0,395 | 0,383 | 0,491 | |
-0,485 | 0,000 | 0,953 | -0,460 | 0,000 | 0,463 | 0,471 | |
-0,470 | 2,367 | 0,604 | -0,380 | -0,394 | 0,371 | 2,098 | |
-0,333 | 2,542 | 0,234 | -0,095 | -0,506 | 0,196 | 2,038 | |
-0,197 | 1,820 | 0,000 | 0,282 | -0,279 | 0,000 | 1,626 | |
-0,304 | 1,371 | -0,196 | 0,508 | 0,098 | -0,198 | 1,279 | |
-0,728 | 1,190 | -0,369 | 0,395 | 0,383 | -0,380 | 0,491 | |
0,000 | 0,953 | -0,460 | 0,000 | 0,463 | -0,485 | 0,471 | |
2,367 | 0,604 | -0,380 | -0,394 | 0,371 | -0,470 | 2,098 | |
2,542 | 0,234 | -0,095 | -0,506 | 0,196 | -0,333 | 2,038 | |
1,820 | 0,000 | 0,282 | -0,279 | 0,000 | -0,197 | 1,626 | |
1,371 | -0,196 | 0,508 | 0,098 | -0,198 | -0,304 | 1,279 | |
1,190 | -0,369 | 0,395 | 0,383 | -0,380 | -0,728 | 0,491 | |
0,953 | -0,460 | 0,000 | 0,463 | -0,485 | 0,000 | 0,471 | |
0,604 | -0,380 | -0,394 | 0,371 | -0,470 | 2,367 | 2,098 | |
0,234 | -0,095 | -0,506 | 0,196 | -0,333 | 2,542 | 2,038 | |
0,000 | 0,282 | -0,279 | 0,000 | -0,197 | 1,820 | 1,626 | |
-0,196 | 0,508 | 0,098 | -0,198 | -0,304 | 1,371 | 1,279 | |
-0,369 | 0,395 | 0,383 | -0,380 | -0,728 | 1,190 | 0,491 | |
-0,460 | 0,000 | 0,463 | -0,485 | 0,000 | 0,953 | 0,471 | |
-0,380 | -0,394 | 0,371 | -0,470 | 2,367 | 0,604 | 2,098 | |
-0,095 | -0,506 | 0,196 | -0,333 | 2,542 | 0,234 | 2,038 | |
0,282 | -0,279 | 0,000 | -0,197 | 1,820 | 0,000 | 1,626 | |
0,508 | 0,098 | -0,198 | -0,304 | 1,371 | -0,196 | 1,279 | |
0,395 | 0,383 | -0,380 | -0,728 | 1,190 | -0,369 | 0,491 | |
0,000 | 0,463 | -0,485 | 0,000 | 0,953 | -0,460 | 0,471 |