Аналіз кривошипних систем дизельного двигуна
Щоб мати уявлення про характер впливу конкретного двигуна на фундамент і корпус судна, необхідно проаналізувати його врівноваженість. Такий якісний аналіз для найпростіших кривошипних систем може бути дано на основі суто логічних міркувань за допомогою схем кривошипів І та ІІ-го порядків.
У будь-якому багатоциліндровому двигуні кривошипи окремих циліндрів зміщені один щодо одного на цілком певний кут - кут заклинки кривошипів. Його величина визначається рівністю:
Ψ = 360m / i, 0 пкв (№1)
- деm - коефіцієнт тактності;
- i - число циліндрів.
Як видно, кут заклинки для конкретного двигуна з певним числом циліндрів – постійна величина; вона цілком визначає врівноваженість під силу інерції. Врівноваженість по моментах визначається і порядком спалахів в циліндрах, що відображається послідовністю розташування кривошипів у схемі 1 порядку.
У одноциліндровому 2-х чи 4-х тактному двигуні (рис. №1а) всі сили неврівноважені: ΣРj ц ≠ 0; ΣРj I ≠ 0; ΣРj II ≠ 0. Якщо у двигуні відсутній маховик, то центр тяжіння проходить через вісь циліндра, плече моментів від сил інерції дорівнює нулю. Отже всі моменти врівноважені. Якщо ж у двигуні є маховик, то плече дії сил інерції дорівнює відстані від сил циліндра до центру ваги. Двигун неврівноважений з усіх сил і з усіх моментів.
У 4-тактному 2-циліндровому двигуні кут заклинкиΨ = 360 0 пкв (рис. №1б). Схема кривошипів такого двигуна аналогічна 1-циліндрової компонування. Врівноваженість також подібна до 1-циліндрового двигуна: всі сили неврівноважені (оскільки сили інерції циліндрів діють уодному напрямку у схемах кривошипів I та II порядків). За відсутності маховика центр ваги проходить між 1 і 2-м циліндрами, плечі дії сил однакові, моменти 1 і 2 циліндрів спрямовані назустріч один одному і повністю врівноважуються. За наявності маховика центр ваги зміщується. Моменти виявляються неврівноваженими, т.к. плечі дії сил у 1 та 2-му циліндрах стають різними.
У 2-тактному 2-циліндровому двигуні кут заклинки кривошипівΨ = 180 0 пкв (рис. №1в). Напрямок дії сил у схемі кривошипів 1-го порядку - протилежне. Отже, сили інерції 1 порядку повністю врівноважені: ΣРj ц = 0; ΣРj I = 0. Сили інерції Рj II у схемі II порядку спрямовані в одну сторону: тому ΣРj II ≠ 0. Оскільки сили інерції Його порядку врівноважені, то площину відліку моментів можна взяти через вісь 1-го циліндра, що проходить; при цьому сили інерції Pj2 ц Pj2 I 2-го циліндра створять момент щодо цієї площини. Отже, двигун неврівноважений за моментами 1-го порядку:
ΣMj ц ≠ 0;ΣMj I ≠0
Площина відліку моментів від сил Pj II повинна проходити через центр тяжіння двигуна (бо ΣРj II ≠0). Якщо центр ваги знаходиться між 1 і 2-м циліндрами (маховик відсутній), то моменти Мj II циліндрів спрямовані назустріч один одному і взаємно врівноважуються: Mj1 II = Mj2 II ;ΣМjI I = 0. Якщо двигун має маховик, то центр тяжіння зміщується, плечі дії сил інерції Pj II циліндрів різні, двигун неврівноважений по моментах від сил інерції II-го порядку:
ΣМj II ≠ 0
У 2-тактному 3-циліндровому двигуні кут заклинки кривошипівΨ = 120 0 пкв (рис. №1г). Схема кривошипів4-тактного двигуна з кутом заклинкиΨ = 240 0 пкв аналогічна 2-тактного двигуна. Як було з'ясовано >, всі сили інерції в такій схемі врівноважені, оскільки вектори сили 1-го циліндра рівні і протилежно спрямовані сумарним векторам 2-го і 3-го циліндрів:ΣРj ц = ΣРj I = ΣРj II = 0. Отже, аналіз урівноваженості за всіма моментами можна виконувати щодо будь-якої площини.
Приймемо, що ця площина проходить через вісь 3-го циліндра. Тоді 1-й та 2-й циліндри матимуть різну величину моментів через різні плечі і, крім того, вектори цих моментів спрямовані під 120 0 відносно один одного. Такі вектори не можуть врівноважитись. Тому двигун неврівноважений за всіма моментами: Мj ц ≠ 0; ΣМj I ≠ 0;ΣМj II ≠ 0. Маховик у такій схемі на врівноваженість не впливає.
У 4-тактному 4-циліндровому двигуні кут заклинки кривошипівΨ = 180 0 пкв (рис. №1д). Таку схему можна як здвоєну схему “В”, у якій сили інерції 1-го порядку врівноважені: ΣРj ц = ΣРj I = 0; сили інерції II порядку неврівноважені: ? до. через зміщення центру тяжіння змінюються плечі дії сил Рj II, що призводить до порушення врівноваженості:ΣMj II ≠ 0.
У 2-тактному 4-циліндровому двигуні з кутом заклинкиΨ = 90 0 пкв (рис. №1е) всі сили спрямовані у взаємопротилежних напрямках у системах кривошипів 1-го та 11-го порядків. Отже, вони взаємно врівноважуються: ?побачити, що моменти сил інерції 1-го і 2-го циліндрів спрямовані різні боки і мають різні плечі, а момент 3-го циліндра спрямований під кутом 90 0 щодо перших циліндрів, Отже, силові багатокутники всіх моментів неможливо знайти замкнутими. Двигун неврівноважений за всіма моментами:
ΣМ ц j ≠ 0;ΣМ I j ≠ 0; ∠М II j ≠ 0.
Розглянуті схеми 3-х та 4-циліндрового двигуна із заклинкою кривошипів під 120 0 і 90 0 пкв повністю врівноважені за силами інерції та неврівноважені за моментами. Якщо застосувати колінчастий вал, що складається з 2-х дзеркально відображають один одного ділянок, кожен з яких має 3 або 4 коліна, можна отримати повністю врівноважений двигун. Всі сили інерції врівноважені всередині ділянки валу, а моменти кожної ділянки спрямовані назустріч один одному та взаємно врівноважуються. Такі схеми повністю врівноважених 6-ти та 8-циліндрових двигунів можна застосовувати в 4-тактних двигунах, оскільки у них кут заклинки кривошипів повинен бути відповідно 120 0 і 90 0 пкв.
Залежність урівноваженості по моментах від порядку спалахів можна простежити з прикладу 2-тактного 6-циліндрового дизеля з кутом заклинки Ψ - 60 0 пкв. Як видно із рис. №2, всі багатокутники сил інерції замкнуті, двигун повністю врівноважений за силами інерції. При порядку спалахів 1-5-3-4-2-6 двигун урівноважений за моментами від сил інерції 1-го порядку (оскільки силовий багатокутник моментів, визначених щодо центру двигуна, замкнувся, рис. №2А): ΣMj ц = ΣМj I = 0. У той же час, багатокутник моментів від сил інерції ІІ-го порядку не замкнувся. Отже, двигун неврівноважений за моментами від сил інерції 11-го порядку:ΣМj II ≠ 0. При порядку спалахів 1-5-3-6-2-4, навпаки, двигун урівноваженийза моментами від сил інерції ІІ-го порядку та неврівноважений за моментами від сил його порядку:
ΣMj ц ≠ 0;ΣМj I ≠ 0; ∑Мj II ≠ 0 (рис. №2Б)
Застосовуючи графічний метод, можна оцінити врівноваженість будь-якої складнішої схеми кривошипів, а також оцінити врівноваженість двигуна при його експлуатації в особливих умовах (демонтованому поршні, шатуні, ін.).
