Расчет параметров рабочего процесса и выбор элементтов конструкции тепловозного двигателя (стр. 5 из 7)

Длину шатуна L определяют, выбирая отношение

в пределах 0,2  0,3. Меньшие значения относятся к двигателям средней быстроходности = 0,2 - 0,25, а большие значения= 0,25 - 0,3 - к быстроходным.

В двухтактных двигателях с противоположно-движущимися поршнями (ПДП) величина  может быть уменьшена до 0,18.

Исходными данными и уравнениями при расчете сил являются силы воздействия избыточного давления газа на поршень:

, Н(58)

где F_П - площадь поршня, м²;

Р_ц, Р₀ - давление рабочего тела в цилиндре и барометрическое давление, Па.

Силы инерции поступательно-движущихся масс поршня ишатуна вдоль оси цилиндра определяются по формуле:

, Н (59)

где m_пд - масса поступательно-движущихся частей, кг;

а - ускорение поршня, м/с²;

w - угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/с.

В соответствии с условиями работы и характеристикой дизеля студент выбирает материал поршня и по табл. 6 удельную величину массы поступательно-движущихся частей КШМ.

Таблица 6.

Тип двигателя	Поршень	mуд, кг/м2
Из легких сплавов	1000  1200
Средней быстроходности	Составной	1700
Чугунный	1600  2000
Из легких сплавов	700  900
Быстроходный	Составной	1000  1200
Чугунный	1300  1500

Соответственно масса поступательно-движущихся частей КШМ будет:

, кг

Суммарная сила, действующая на палец вдоль оси цилиндра, рассчитывается по формуле:

, Н (60)

Нормальная составляющая от разложения силы Р_S направлена перпендикулярно к оси цилиндра и определяется по формуле:

Н (61)

Аналогичным образом находятся силы:

, Н (62)

, Н (63)

и сила, действующая по кривошипу:

, Н (64)

Для расчета сил по формулам (58 - 64) угол  определяется приблизительно:

, (65)

Уравнения (58 – 65) включаются в блоки 3, 8 и 13 программы расчета индикаторной диаграммы, приведенной в разделе 3.

В блоках 4, 9 и 14 величины сил выводятся на печать.

Результаты расчетов на ЭВМ включаются в пояснительную записку в качестве приложения. По результатам расчетов строятся диаграммы сил, действующих в КШМ (см. рис.6 и 7).

5. ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ КШМ ДИЗЕЛЯ

Приближенный расчет выполняется с целью определения геометрических размеров основных деталей КШМ: коленчатого вала, поршня, шатуна. Перед расчетом студентом выбирается и дается обоснование конструкции указанных узлов КШМ, применяемых материалов.

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 определяютсяиз 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:

,