.

Понятие уравновешенности. Действие неуравновешенного двигателя на фундамент и корпус судна

Корпус любого судна представляет собой упругую систему, в которой могут развиваться колебания в 2-х, реже — в 3-узловой форме (рис. №1). Если частота изменения крутящего момента, упора винта, неуравновешенных сил и моментов от сил инерции совпадут с частотой собственных колебаний корпуса судна, то возникает вибрация корпуса, способная привести к самым серьезным последствиям.

Наиболее существенным фактором, определяющим амплитуду вибраций, является наличие неуравновешенных сил и моментов от сил инерции. Неуравновешенные центробежные силы Σрjц вращаются вместе с двигателем, действуют за 1 оборот коленчатого вала во все стороны, стремятся то оторвать двигатель от фундамента, то сдвинуть его в сторону или прижать вниз. В таких же направлениях неуравновешенный момент стремится развернуть двигатель.

Рис. 1 Колебания корпуса судна

Поскольку силы Σрjι и Σрjιι действуют в плоскости, проходящей через оси цилиндров, и изменяются по законам cos φ, cos 2 φ, то эти силы стремятся то поднять, то прижать двигатель к фундаменту. Неуравновешенные моменты от сил инерции Σмjι, Σмjιι стремятся опрокинуть двигатель “через голову” на торец в той же плоскости.

Смотрите также: а) общие положения уравновешенности

Общие положения уравновешенности

При работе двигателя у каждого цилиндра возникают силы инерции, неуравновешенные в пределах одного цилиндра:

Рцj = MR2 — силы инерции вращающихся масс кривошипа;
Рιj = Ms2 cosφ — силы инерции поступательно движущихся масс ι-го порядка;
Рιιj = Ms2 λ cos2φ — силы инерции поступательно движущихся масс ιι-го порядка.

Здесь обозначено:

MR — неуравновешенные массы вращающихся частей кривошипа;

Ms — масса поступательно движущихся частей;
ω = πn / 30 — угловая скорость вращения коленчатого вала;
λ = R / L — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
φ — угол поворота коленчатого вала.

Силы инерции вращающихся масс Рцj всегда действуют по радиусу кривошипа от центра, силы Рιj, и Рιιj — по оси цилиндра.

В результате действия сил инерции в многоцилиндровом двигателе равнодействующая сил отдельных цилиндров может быть равна 0: Σ Pцj = 0; Σ Рιj = 0; ΣРιιj = 0. В этом случае говорят: двигатель уравновешен по силам инерции. Если же равнодействующие не равны О — двигатель неуравновешен.

В неуравновешенном двигателе равнодействующий вектор ΣPцj лежит в плоскости, перпендикулярной оси вала, и вращается вместе с валом — как и в единичном цилиндре. Векторы Σ Рιj и Σ Рιιj лежат в плоскости, проходящей через оси цилиндров. В вертикальном двигателе векторы Σ Рιj и Σ Рιιj всегда вертикальны.

Величина результирующего вектора Σpjц не зависит от угла поворота коленчатого вала, в отличие от величины векторов Σpjι и Σpjιι, которые являются функцией от угла φ и изменяются соответственно по законам cos φ и соs2φ.

Помимо сил инерции, в двигателе действуют моменты от этих сил. Если в многоцилиндровом двигателе результирующий момент от сил инерции отдельных цилиндров не равен 0: Σмjц ≠ 0; Σмjι ≠ 0; Σмjιι ≠ 0, — то двигатель неуравновешен по моментам от сил инерции. Двигатель может быть неуравновешен по моментам даже в том случае, когда суммарный вектор от сил инерции равен 0.

Момент от сил инерции вращающихся масс Σмjц постоянен по величине, не зависит от угла φ и вращается вместе с коленчатым валом. Результирующие моменты Σмjι, Σмjιι перемены по величине, действуют в плоскости, проходящей через оси цилиндров, изменяются по тем же законам, что и силы инерции (cos φ, cos 2φ).

Смотрите также: б) Действие неуравновешенного двигателя на фундамент и корпус судна

Возможности уравновешивания двигателя, предупреждения и ослабления вибраций

Оптимальным решением при проектировании силовой установки является выбор для судна полностью уравновешенного двигателя. Уравновесить двигатель можно 3-мя путями:

  1. Выбором соответствующего числа цилиндров и последовательности их работы;
  2. Уравновешиванием с помощью противовесов каждого цилиндра индивидуально;
  3. Уравновешиванием с помощью противовесов результирующих сил и моментов в многоцилиндровом двигателе.

Первый путь позволяет добиться полной уравновешенности самым простым путем. В 4-тактных ДВС этого можно достичь, применив 6-ти или 8-цилиндровую компоновку двигателя. Однако возможности этого пути в “ходовом” диапазоне чисел цилиндров и их тактности ограничены. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен при анализе уравновешенности кривошипных систем.

2-й и 3-й пути используются в случаях, когда невозможно применение двигателя с оптимальным с точки зрения уравновешенности числом цилиндров и углом заклинки криво-шипов (к примеру, для установки на судно требуется 2-тактный малооборотный дизель с числом цилиндров i = 6, неуравновешенный по моментам от сил инерции).

Индивидуальное уравновешение центробежных сил цилиндров возможно с помощью 2-х противовесов, расположенных противоположно колену кривошипа (рис. №). Массы противовесов Мпр и расстояние их центров тяжести от оси вала р должны удовлетворять равенству: 2Мпр р = MR R, где MR — масса вращающихся частей кривошипа, R — его радиус. В таком случае, неуравновешенные центробежные силы в данном цилиндре и соответственно моменты от этих сил равны 0.

Рис. 2 Уравновешивание центробежных сил цилиндра

Силы инерции первого порядка не могут быть уравновешены внутри 1 цилиндра с помощью противовесов на кривошипе. Если установить противовесы, уравновешивающие силу инерции Рj1 в ВМТ, то при повороте колена на 90° сила инерции Рj1 становится равной 0, а центробежная сила противовесов не изменяется по величине, будет действовать в горизонтальной плоскости и стремиться сдвинуть двигатель в сторону.

Как видно, при такой установке противовесов неуравновешенные силы цилиндров Pj1 и соответственно их моменты переводятся из вертикальной в горизонтальную плоскость. Аналогичные результаты будут получены при использовании такого пути для уравновешивания сил инерции II порядка и их моментов.

Вывод о невозможности уравновесить силы и моменты от сил инерции поступательно движущихся масс с помощью противовесов на кривошипе внутри одного цилиндра справедлив и для многоцилиндрового двигателя.

Сила инерции I порядка может быть уравновешена в 1 цилиндре с помощью 2-х валов, вращающихся в противоположные стороны с угловой скоростью, равной скорости коленчатого вала (рис. 3). На валах укреплены противовесы, развивающие поступательно движущихся масс 1 порядка совместно центробежную силу Pjпрц — РjIмах.

Рис. 3 Уравновешивание сил инерции

Тогда горизонтальные составляющие центробежных сил противовесов будут поглощать друг друга, а вертикальные — уравновешивать текущие значения Рj1. При равенстве 0 силы инерции 1 порядка, момент этой силы относительно центра тяжести двигателя также будет равен нулю.

Силу инерции II порядка и момент от этой силы можно уравновесить аналогичным образом; однако частота вращения вспомогательных валов с противовесами должны быть в 2 раза больше частоты вращения коленчатого вала.

В многоцилиндровом двигателе нет необходимости уравновешивать каждый цилиндр порознь. Можно уравновесить лишь результирующие неуравновешенные силы и моменты от всех цилиндров. Пути уравновешивания результирующих сил в многоцилиндровом двигателе аналогичны одноцилиндровому двигателю.

Для уравновешивания результирующих моментов следует применять противовесы, разнесенные по длине двигателя и установленные на коленчатом валу (при уравновешивании ΣMjц) или на 2-х вспомогательных валах (при уравновешивании ΣМjI или ΣМjII).

В судовых ДВС довольно часто применяются противовесы для уравновешивания центробежных сил и моментов от этих сил. Уравновешивание сил I и II порядка и моментов от этих сил с помощью вспомогательных валов применяется на новых моделях малооборотных двигателей.

В главных ДВС иногда применяют противовесы на коленчатом валу, назначение которых — частично переводить амплитуды сил и моментов от сил инерции поступательно движущихся масс из вертикальной в горизонтальную плоскость. При этом уменьшаются максимальные амплитуды неуравновешенных сил и моментов в вертикальной плоскости, хотя и создаются дополнительные неуравновешенные силы и моменты в горизонтальной плоскости.

В случае применения на судне неуравновешенного по силам или моментам двигателя, его необходимо правильно расположить. При неуравновешенных силах инерции для предупреждения вибраций двигатель следует устанавливать как можно ближе к узлу колебаний (рис. 1), при неуравновешенных моментах инерции — как можно дальше от узлов.

Для ослабления вибраций главные двигатели устанавливаются на усиленные фундаменты. Частоты вращения, на которых наблюдается повышенная вибрация корпуса, стараются проходить, возможно, быстрее при увеличении или уменьшении оборотов. Вспомогательные двигатели (и некоторые главные сравнительно небольшой мощности) устанавливаются на фундаменты, на амортизаторы (резиновые, пружинные или резинометаллические).

Смотрите также:
а) Общие положения уравновешенности
б) Действие неуравновешенного двигателя на фундамент и корпус судна

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Сентябрь, 08, 2016 881 0
Читайте также