Расчет параметров рабочего процесса и выбор элементов конструкции тепловозного дизеля (стр. 6 из 7)

Основные размеры коленчатого вала, поршня и шатуна определяются по условиям достаточной прочности и долговечности.

5.1. Коленчатый вал

Коленчатые валы тепловозных дизелей выполняют стальными (коваными или штампованными) (см. рис.9) или чугунными (литыми) (см. рис.10). Отечественные тепловозные дизели выполняются главным образом с чугунными литыми (Д100, 11Д45, Д70) и коваными стальными (Д49, Д50, 1Д12) коленчатыми валами.

Надежность коленчатого вала во многом зависит от рационального выбора его размеров и конструктивных форм, от характера его напряженного состояния, от усталостной прочности и сохранения исходного запаса прочности в процессе эксплуатации. При проектировании коленчатого вала необходимо стремиться к уменьшению его массы при одновременном обеспечении требуемой жесткости.

Особое внимание уделяется точности и чистоте обработки валов. Кроме того коленчатые валы быстроходных двигателей подвергают балансировке.

Ориентировочные размеры стальных и чугунных коленчатых валов определяются из соотношений, представленных в табл.7.

Таблица 7.

Элементы конструкции	Материал вала
коленчатого вала	Сталь	Чугун
Диаметр коренной шейки (dк), мм	(0,61,0)Dц	(0,851,1)Dц
Диаметр отверстия в коренной шейке (dок), мм	(0,450,6)dк	(0,45,55)dк
Диаметр шатунной шейки (dш), мм	(0,60,85)Dц	(0,70,85)Dц
Диаметр отверстия в шатунной шейке (dош), мм	(0,45,6)dш	(0,25,3)dш
Длина коренной шейки (lк), мм	(0,50,7)dк	(0,30,48)dк
Длина шатунной шейки (lш), мм	(0,650,85)dш	(0,55,75)dш
Толщина щек (вк), мм	(0,15,4)Dц	(0,2,35)Dц
Ширина щек (в), мм	(0,91,5)Dц	(0,81,7)Dц
Радиус галтели (r), мм	(0,05,08)Dц	(0,060,07)Dц
Расстояние между осями цилиндров (i), мм	(1,351,8)Dц	(1,351,8)Dц

Выбранные размеры шеек коленчатого вала проверяют на величины допускаемых удельных давлений и окружных скоростей v_ср. Эти величины определяют условия работы подшипников и сроки их службы. При высоких удельных давлениях и окружных скоростях может происходить выдавливание масляного слоя, разрушение антифрикционного слоя подшипника и ускоренный износ шеек вала.

Максимальные удельные давления на подшипники рассчитываются:

· для коренной шейки

, Н/м² ;

· для шатунной шейки

, Н/м²

где g- коэффициент, учитывающий степень увеличения нагрузки на коренную шейку за счёт соседних цилиндров:

g= 1,1 -1,25 - для 4-х тактных двигателей;

g = 1,2 1,5 - для 2-х тактных двигателей;

Р_Z - максимальная сила от давления газа, действующая в цилиндре;

К’_max (10  20) МПа - для высокооборотных и средней оборотности двигателей;

К’_max (25  38) МПа - для V-образных форсированных двигателей.

Средние окружные скорости скольжения шеек:

, м/с

где d - диаметр коренной и шатунной шейки, м.

Для тепловозных дизелей v_ср = 6,0  10м/с.

Литые коленчатые валы дизелей изготавливаются из высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, модифицированные ферродобавками с временным сопротивлением на разрыв металла не менее 5,0 МПа. Применяются также жаропрочные чугуны с повышенными механическими свойствами. Например, чугуны марок ВЧ60-2 и ВЧ50-2 позволяют применять поверхностное азотирование. В любом случае необходимо помнить, что снизить нагрузку на подшипники шатунной шейки коленчатого вала можно двумя путями: увеличивая диаметр шейки, или ее длину.

5.2. Поршни

У современных форсированных тепловозных дизелей поршневая мощность достигает значений 55 кВт/дм² при Р_z=12 - 14 МПа. Это приводит к существенному росту термических и механических нагрузок на поршни. Поэтому, как правило, поршни 2-х тактных, а также форсированных 4-х тактных дизелей выполняются охлаждаемыми.

Для изготовления поршней используют чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, сталь. Чаще всего поршни изготавливают из чугуна и алюминиевых сплавов.

В зависимости от типа двигателя ориентировочно принимаются основные размеры поршня и составляется его эскиз. Для 4-х тактных дизелей “длинные” поршни (см. рис.11) принимаются при средней быстроходности и рядном расположении цилиндров. “Короткие” поршни (см. рис. 12) преимущественно применяются в высокооборотных дизелях с V-образным расположением цилиндров.

Ориентировочные размеры поршней, поршневых пальцев и колец определяются из соотношений, представленных в табл. 8.

Таблица 8.

Параметры	Значения для дизелей
Диаметр поршня (DП), мм	П.п. 1.1. и 1.2.
Толщина днища поршня (), мм:· охлаждаемого· неохлаждаемого	(0,08 -0,2)Dц(0,04 0,08)Dц
Расстояние от кромки поршня до первого кольца (е), мм	(1,0 -3,0)
Толщина цилиндрической стенки (m), мм	(0,05 0,08)Dц
Длина поршня (H), мм	(1,5 2,0)Dц
Расстояние от оси пальца до нижней кромки, мм	(0,8 1,2)Dц
Диаметр пальца (dП), мм	(0,35 0,5)Dц
Длина пальца (lП), мм:· закрепленного· плавающего	(0,88 0,93)Dц(0,8 0,87)Dц
Диаметр внутреннего отверстия пальца (dПВ), мм	(0,4 -0,7)dп
Число компрессионных колец	(5 -7)
Толщина кольца (радиальная) (t), мм	(1,25 1,35)Dц
Высота кольца (а), мм	(0,5 -1,0)t
Число маслосъемных колец	(1 4)
Высота перемычки между канавками в поршне, мм	(1,0 1,3)а

Высота поршня Н проверяется по удельному давлению на стенку поршня:

,

где N_max - максимальная сила бокового давленая на стенку поршня цилиндра, МН;

Н - длина тронковой части поршня (за вычетом ширины колец).

Для чугунных неохлаждаемых поршней К_max= 0,35  0,45, МПа, для чугунных охлаждаемых - 0,55 - 0,65, а для алюминиевых - 0,8 - 1,0, МПа. Для некоторых форсированных дизелей значение К_max может быть повышено до 1,1 МПа.

5.3. Шатун.

В зависимости от типа двигателя выбирается конструкция шатуна, и принимаются его ориентировочные размеры.

Размеры нижней головки шатуна следует согласовать с размерами шатунной шейки коленчатого вала, а верхней – с размерами поршневого пальца и расстоянием между внутренними гранями бобышек поршня.

В зависимости от типа двигателей по литературным данным [1, 2] выбирается конструкция шатуна (см. рис.13 - 15) и принимаются его ориентировочные размеры. При этом расчёт выполняется при выбранном значении - (отношение радиуса кривошипа R, к длине шатуна L), связанного с величиной силы Nи габаритными размерами двигателя.

Ориентировочная длина втулки верхней головки шатуна l_ш рассчитывается из соотношения:

· для закреплённого в бобышках поршневого пальца:

, м;

· для плавающего поршневого пальца:

, м;

Проверочный расчёт на прочность производился, как правило, для стержня шатуна из условия деформации его от действия максимальной величины силы К:

, МПа,

где F_ст = 0,06  0,12 - средняя площадь поперечногосечения стержня, м.

[s_сж]  80  120 МПа - для углеродистых сталей и

[s_сж]  120 - 180 МПа – для легированных сталей.

Ориентировочные размеры шатунов определяются из соотношений, представленных в табл. 9.

Таблица 9.

Значения для дизелей
Параметры	Рядный	V-образный
Главный	Прицепной
Отношение L/R	3,5  5	3,5  4,5	2,5  3
Диаметр пальца, dп	(0,4-0,45)D	(0,4-0,45)D	(0,4-0,45)D
Диаметр головки, dг	(1,5-1,7)dп	(1,4-1,5)dп	(1,4-1,5)dп
Диаметр шейки, dш	(0,6-0,8)D	(0,6-0,8)D
Толщина вкладыша Sв (в для прицепного), мм	1 - 4	1  4	(0,07-0,12)dп
Толщина вкладыша, Sм (п для прицепного),	(0,02-0,03)D	(0,06-0,08)dп
Ширина шатуна, l1: - при двух болтах- при четырех болтах	(1,5 - 1,6)dш(1,3 - 1,4)dш	(0,9-1,2)dп
Расстояние между шатунными болтами, l2: - при двух болтах- при четырех болтах	(1,2-1,25)dш(1,13-1,2)dш	(1,15-1,2)dш(1,15-1,2)dш
Ширина нижней головки, в (l2 для прицепного)	(0,8 - 1,5)dш	(0,7-0,9)dш	(0,7-0,9)dп
Толщина крышки, h1	(0,5-0,65)dш	(0,25-0,3)dш
Толщина нижней головки, h2	(0,55-0,65)dш
Диаметр отверстия под палец прицепного шатуна, d (d1 для прицепного)	(0,85-0,9)dп	(0,85-0,9)dп
Диаметр отверстия под вкладыш, dш+2Sм (d2 для прицепного)	(0,6-0,8)D+2(0,03-0,07)D	(0,6-0,8)D+2(0,02-0,03)D	(0,6-0,8)D+2(0,06-0,08)D
Наружная ширина прицепной проушины, в1, мм	в - 2мм
Внутренняя ширина прицепной проушины, в2	0,6.в1

5.4. Втулка цилиндра