Введение
Настоящие методические указания составлены на основе многолетних научных и методических разработок сотрудников кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство»: Н.И. Панова, Б.Л. Резникова, В.Н. Васильева, В.Е. Пескова, Е.Е. Коссова, В.З. Зюбанова и Л.С. Турова.
Первые разработки методической литературы в этом направлении относятся к 50-м годам XX-го века, когда серийное производство тепловозов только начиналось, а в настоящее время на кафедре ведутся исследования, связанные с новейшими достижениями транспортной техники.
Целью данных методических указаний является глубокое изучение студентами принципов и методов расчета двигателей внутреннего сгорания, а также конструкции тепловозных двигателей внутреннего сгорания.
Методические указания по проектированию тепловозного двигателя состоят из двух частей.
В первой части в соответствии с заданием студент должен произвести выбор типа двигателя, определить его основные параметры, выбрать схему воздухоснабжения и агрегаты наддува, рассчитать рабочий процесс двигателя и его основные технико-экономические показатели на номинальном режиме работы.
Во второй части - определить силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, построить векторные диаграммы сил, действующих на шейки коленчатого вала и подшипники, определить главные размеры поршня, шатуна, коленчатого вала, рассчитать основные элементы узла, подлежащего подробной конструктивной разработке.
К моменту защиты курсовой проект должен быть оформлен в виде расчетной записки и графической части. Расчетная записка должна включать следующие разделы:
1. Выбор типа и кинематической схемы двигателя.
2. Расчет основных параметров дизеля.
3. Выбор агрегатов наддува и охлаждения наддувочного воздуха, схемы воздухоснабжения и её обоснование.
4. Расчет рабочего процесса, построение индикаторной диаграммы, определение технико-экономических показателей двигателя.
5. Расчет сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме дизеля и построение графиков изменения этих сил от угла поворота коленчатого вала, векторные диаграммы сил, действующих на шейки коленчатого вала и подшипника.
6. Выбор конструкции основных узлов дизеля, применяемых материалов и обоснование принятых решений.
7. Конструирование и расчет узла или детали с чертежом и расчетными схемами
Расчет индикаторной диаграммы и сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме двигателя, выполняется на ЭВМ. Остальные расчеты могут выполняться на ЭВМ по согласованию с консультантом.
Графическая часть проекта (кроме эскизов и графиков, входящих в состав расчетной записки) состоит из листа, содержащего поперечный разрез дизеля или сборочный чертеж узла. По согласованию с преподавателем графическая часть может также отражать результаты самостоятельного исследования студента.
ВЫБОР ТИПА И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИЗЕЛЯ
1.1. Мощность Nе,угловая скорость вращения коленчатого вала w, тактность t и, условия работы дизеля задаются консультантом проекта.
В процессе проектирования, по согласованию с консультантом при наличии соответствующих обоснований заданные величины могут корректироваться.
Эффективная мощность дизеля кроме угловой скорости и тактности зависит от величин среднего эффективно-
ого давления Ра, реализуемого при рассматриваемом режиме работы, рабочего объема цилиндра Vh и числа цилиндров z. При проектировании дизелей величины, определяющие их эффективную мощность, выбираются с учетом опыта эксплуатации ухе построенных двигателей, а также весовых и габаритных ограничений, выдвигаемых специфическими условиями работы проектируемого двигателя.
Мощность двигателя определяется соотношением:
, кВт (1)
где Ре - среднее эффективное давление, Па;
w - угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/с;
z- число цилиндров;
Vh - рабочий объем цилиндров, м3;
t - тактность, т.е. число тактов в цикле.
Рабочий объем цилиндра определяется:
, м3 (2)
где D – диаметр поршня, м;
S – ход поршня, м.
Тогда выражение (1) примет вид:
, кВт. (3)
Коэффициент тактности принимается равным двум для 2-х-тактных и четырем – для 4-тактных двигателей.
Среднее эффективное давление и средняя скорость поршня выбираются на основании опыта конструирования, доводки и эксплуатации существующих двигателей.
По заданной мощности предварительно по рис.1. выбирается величина среднего эффективного давления.
| Зона допустимых значений Ретепловозных дизелей в зависимости от эффективной мощности Nе |
|
| Рис. 1. |
Средняя скорость поршня сm является параметром, определяющим степень быстроходности и долговечности дизеля. Для выполненных тепловозных двигателей средние скорости поршня имеют значения:
- для 4-х-тактных дизелей сm=7,4 - 10,5 м/с;
- для 2-х-тактных дизелей сm=7,2 - 8,3 м/с.
Двигатели с высокими значениями сm характеризуются меньшими габаритами и массой.
Для их изготовления применяются материалы повышенного качества и износостойкости, повышается класс точности изготовления деталей, в процессе эксплуатации для смазки используются высококачественные сорта масел с присадками с целью сохранить моторесурс на требуемом уровне. Поэтому по возможности выбирают меньшую скорость поршня.
Скорость поршня определяется из соотношения:
, м/с (4)
С учетом (4) эффективная мощность определяется:
, кВт (5)
Для двигателей с противоположно движущимися поршнями мощность рассчитывают по формуле:
, кВт (6)
где kр – коэффициент распределения индикаторной мощности между нижним (основным) и верхним поршнями, равный отношению мощностей верхнего и нижнего поршней и зависящий от углового отставания верхнего коленчатого вала. Для отставания Dj = 12° п.к.в. его можно предварительно принимать равным 0,7.
Уточняют его после построения индикаторных диаграмм. Все остальные величины имеют значения, относящиеся к одному поршню.
Число цилиндров в тепловозных дизелях зависит от общей мощности, размеров цилиндра и тактности. Минимальное число цилиндров ограничивается неравномерностью вращения и составляет 6 для 4-тактных и 4 - для 2-тактных двигателей.
Максимальное число цилиндров обычно ограничивается длиной коленчатого вала и составляет 10 для рядных и 20 для V-образных двигателей. В исключительных случаях число цилиндров можно увеличить до 24. Двигатели с иной компоновкой (W-образные и звездообразные) на тепловозах не используют по соображениям компоновки, очень редко используют оппозитные двигатели (при подвагонном расположении на дизель-поездах).
У 4-х-тактных двигателей, исходя из условий уравновешивания и необходимой равномерности крутящего момента, применяют четное число цилиндров (6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 и 24). При числе цилиндров от 6 до 8 обычно применяет рядное расположение. При числе цилиндров больше 8 переходят к V-образному их расположению.
Диаметры цилиндров построенных тепловозных дизелей изменяются в пределах:
- D = 0,170 - 0,300 м для 4-тактных дизелей с нераздельной камерой сгорания;
- D = 0,150 - 0,250 м для 2-тактных дизелей.
При больших диаметрах цилиндров имеют место высокая теплонапряженность, значительная масса деталей кривошипно-шатунного механизма и поршня вследствие высоких нагрузок.
Диаметр цилиндра выбирается приближенно в соответствии с рис.2 и должен соответствовать нормальному ряду диаметров: 0,130; 0,140, 0,150; 0,160; 0,170; 0,180; 0,190; 0,210; 0,230, 0,240; 0,250; 0,260; 0,280; 0,300, 0,320; 0,340 м.
Отношение хода поршня S к диаметру D цилиндра для тепловозных дизелей находится в пределах:
- S/D = 1,0 - 1,3 для 4-х тактных дизелей;
- S/D = 1,2 - 1,7 для2-х тактных дизелей с клапанно-щелевой продувкой;
- S/D = 1,2 - 1,4 для 2-х тактных дизелей с противоположно движущимися поршнями (прямоточной продувкой).
| Зона рекомендуемых диаметров цилиндров D и степени сжатия eв зависимости от эффективной мощности Nе |
|
| Рис. 2. |
В двигателях средней быстроходности рекомендуется увеличенные отношения S/D, так как при прочих равных условиях с увеличением S/D уменьшается диаметр цилиндра, нагрузка на детали кривошипно-шатунного механизма, увеличивается высота камеры сгорания, что ведет к улучшению процесса сгорания, но при этом увеличивается высота двигателя.
Для быстроходных дизелей целесообразно снижать величину S/D для уменьшения средней скорости поршня и
высоты двигателя. Однако с понижением S/D ухудшаются условия протекания процессов смесеобразования и возрастает поверхность камеры сгорания, что увеличивает теплообмен и выделение тепла в воду, и масло дизеля.
Для дальнейших расчетов выразим мощность двигателя через число цилиндров, отношение S/D и среднюю скорость поршня:
(7)
или
(8)
где размерности те же, что и в (1), а частота вращения nд – в об/мин.
1.2. Определение основных размеров цилиндра двигателя и числа цилиндров рекомендуется производить в следующем порядке:
В соответствии с рекомендациями, изложенными в п.1.1, выбирают ориентировочную величину среднего эффективного давления Ре и вычисляют левую часть выражения (7) или (8), являющуюся в дальнейших расчетах константой.
Задаются несколькими (от трех до пяти) значениями средней скорости поршня Cmi в диапазоне значений, рекомендованных в п. 1.1, с интервалом 0,5 м/с, и несколькими (с шагом, например, 0,1 или 0,05) значениями S/D. Для них из правой части выражений (7) или (8) находят числа цилиндров и заносят результаты в таблицу по образцу табл.1.
Таблица 1.
Диаметры и числа цилиндров проектируемого двигателя.
| (S/D)j Сmi | (S/D)1 | (S/D)2 | (S/D)3 | (S/D)4 |
| Cm1 | D11 | |||
| Z11 | ||||
| Cm2 | ||||
| Cm3 | D34 | |||
| Z34 |
Для значений (S/D)j и Cmi, дающих подходящие числа цилиндров, вычисляют диаметры цилиндров, соответствующие выбранным значениям средней скорости поршня и заданной угловой скорости коленчатого вала (9):
, м (9)
также занося результаты в табл. 1.
На основе анализа табл.1 окончательно выбирают число и диаметр цилиндров, соответствующее рекомендациям п.1.1. Диаметр цилиндра, соответствующий выбранному числу цилиндров, округляют до ближайшего значения из ряда нормальных диаметров и уточняют среднюю скорость поршня по соотношению (4).
Отношение S/D не должно выходить за рекомендуемые пределы.
1.3. По полученным геометрическим параметрам проектируемого дизеля D, S, Z определяют его основные габаритные размеры.
Длина дизеля
, м (10)
где D - диаметр цилиндра, м;
12
К = Z- для рядных двигателей;
K = 0,5.Z - для V -образных двигателей;
C = 1 - 2,5 м - линейный размер, зависящий от компоновки вспомогательного оборудования и агрегатов наддува двигателя.
Ширина дизеля
, м (11)
где: S - ход поршня, м;
А = 3,5 - 6,0 - для рядных двигателей;
А = 5,0 - 8,0 - для V - образных двигателей.
Высота дизеля
, м (12)
где а = 6,0 - 8,0 - для рядных двигателей;
а = 5,0 - 7,0 - для V - образных двигателей;
а = 10,0 - 13,0 - для 2-х тактных двигателей с противоположно движущимися поршнями.
После определения габаритных размеров дизеля производят проверку его размещения в кузове тепловоза.
Проверяют наличие необходимой ширины проходов по обе стороны от дизеля. От внешнего контура дизеля до боковых стенок кузова тепловоза должно быть 0,7 м на высоте груди человека (на расстоянии от настила 1,5 м), что обеспечивает нормальное и безопасное обслуживание дизеля.
В отдельных исключительных случаях допускается местное сужение прохода до 0,5 м.
Эскиз установки дизеля на тепловозе выполняется в масштабе 1:20 и прилагается к записке.
Все расчеты 1 раздела должны быть предъявлены консультанту. После согласования результатов расчетов 1 раздела с консультантом студент приступает к выполнению расчета рабочего процесса двигателя.
