ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Крутильные колебания валопровода дизеля из "Двигатели внутреннего сгорания " Коленчатый вал дизеля и вообще весь валопровод при условии абсолютной жесткости под действием периодически меняющихся вращающих моментов испытывал бы значительное изменение угловой скорости вала, или так называемую периодическую неравномерность хода. Регулирование хода машины с точки зрения периодической неравномерности осуществляется постановкой маховиков в системе валопровода, о которой подробно говорится ниже. Роль маховика в установках тепловозных дизелей играет ротор генератора, обладающий значительным массовым моментом инерции. При наличии маховика соответствующей массы вращение системы можно считать практически равномерным. [c.140] Однако в действительности валопровод представляет собой упругую и инерционную систему и под воздействием периодически меняющихся вращающих моментов, приложенных к кривошипам коленчатого вала, совершает упругие крутильные колебания, которые накладываются на равномерное вращение. Вращательное движение масс валопровода друг относительно друга, а не как одно целое, за счет упругого скручивания участков называется крутильными колебаниями системы. [c.140] Под валопроводом подразумевается вся система установки тепловозного дизеля, участвующая во вращательном движении вместе с коленчатым валом и включающая в себя как массы, жестко соединенные с коленчатым валом, так и массы, получающие вращательное движение от коленчатого вала через любые виды передач. Так, например, в систему валопровода установки дизеля типа Д49 входит коленчатый вал дизеля с присоединенными массами и ротор генератора, жестко связанный с коленчатым валом. Систему валопровода всякой установки можно рассматривать как упругий валопровод, на котором расположен ряд масс. [c.140] Причиной возникновения крутильных колебаний в системе валопровода являются периодически меняющиеся вращающие моменты, действующие на кривошипы коленчатого вала. Эти моменты определяются как действием сил давления газов в цилиндрах двигателя, так и силами инерции масс шатуннокривошипных механизмов. Итак, движение системы реального валопровода определяется как результат сочетания равномерного вращения всей системы валопровода и вращательного движения отдельных масс вследствие упругого скручивания участков валопровода. [c.140] Различают два вида крутильных колебаний масс валопровода свободные колебания и вынужденные колебания. Если крутильные колебания в системе валопровода вызваны тем, что сначала под действием внешних моментов, приложенных к массам системы, осуществляется упругое скручивание участков системы, а затем эти моменты внезапно устраняются и система предоставляется самой себе, то возникающие при этом крутильные колебания называются свободными колебаниями. Если крутильные колебания валопровода вызываются внешними, постоянно действующими, периодически меняющимися моментами, то в системе возникают так называемые вынужденные колебания. В отличие от свободных колебаний вынужденные колебания со временем не затухают и колебательное движение системы происходит все время, пока действуют внешние силы. [c.140] Вынужденные колебания зависят не только от свойств системы, но и от внешних возмущ,аюш,их моментов, действующих на систему. Эти колебания становятся особенно сильными при резонансных режимах, когда частота внешних возмущающих моментов совпадает с частотой свободных колебаний системы. Такие колебания называются резонансными вынужденными колебаниями. Резонансные колебания характеризуются тем, что амплитуды вынужденных колебаний масс системы зависят от времени и с течением времени растут. Теоретически, если не учитывать сопротивлений в системе, амплитуды колебаний растут во времени неограниченно. Практически вследствие того, что в системе имеются различные виды сопротивлений, амплитуды резонансных вынужденных колебаний растут до конечных величин. Так как при резонансных колебаниях резко возрастают амплитуды колебаний масс системы, то, естественно, резко увеличивается скручивание участков валопровода, что приводит к значительному увеличению дополнительных динамических напряжений в участках системы за счет крутильных колебаний. При этом часто напряжения достигают такой величины, что приводят к поломкам в системе валопровода. Наконец, эти напряжения во время работы могут менять не только свою величину, но и знак. При высоких частотах колебаний в системе валопровода будет получаться большое число перемен знаков напряжений, что особенно вредно отражается на прочности материала, так как усталостный характер нагрузки приводит к усталостному разрушению материала, которое наступает при напряжениях меньших, чем допускаемые напряжения при статических нагрузках. Следовательно, необходимо исследование вынужденных крутильных колебаний при расчете на прочность системы валопровода установки дизеля. [c.141] Вынужденные крутильные колебания в системе валопровода работающей машины всегда имеют место, но опасными они становятся лишь при резонансных колебаниях. В связи с этим, если мы хотим установить степень опасности крутильных колебаний в той или иной установке тепловозных двигателей, необходимо, во-первых, установить, возможно ли возникновение резонансных крутильных колебаний в заданном для двигателя диапазоне рабочей частоты вращения, т. е. сопоставить собственные частоты с рабочими частотами вращения вала двигателя. Этот вопрос является главным при расчете валопровода установки на крутильные колебания. [c.141] Если установлено, что в диапазоне рабочей частоты вращения коленчатого вала возможно возникновение резонансных крутильных колебаний, то возникает второй вопрос — насколько опасны резонансные колебания, каковы дополнительные динамические напряжения при этих колебаниях. Определение дополнительных динамических напряжений при резонансных колебаниях также является предметом расчета системы валопровода на крутильные колебания. [c.141] Когда дополнительные динамические напряжения при резонансных колебаниях определены, тогда можно сделать заключение о работоспособности рассматриваемой системы с точки зрения ее динамической прочности. [c.141] Наконец, в связи с крутильными колебаниями системы валопровода встает еще один вопрос. Если дополнительные динамические напряжения, возникающие при резонансных колебаниях, которые происходят при некоторой частоте вращения коленчатого вала, выше допустимых, а по условиям эксплуатации необходима дополнительная работа при этой частоте вращения, то возникает необходимость применения специальных средств борьбы с опасными крутильными колебаниями. [c.141] В приведенной системе (рис. 76) массовые моменты инерции дисков обозначены 1, а крутильные податливости участков (величины, обратные жесткости) — При переходе от реальной системы к приведенной производится приведение длин и масс валопровода. Приведение длин сводится к определению крутильной податливости или жесткости участка валопровода между сосредоточенными массами. Приведение масс сводится к определению массовых моментов инерции масс валопровода. Для решения этих вопросов вся система валопровода разбивается на участки, на границах которых находятся сосредоточенные массы. Обычно в качестве месторасположения сосредоточенных масс принимаются плоскости шатунно-кривошипных механизмов и места расположения масс, моменты инерции которых значительно больше моментов инерции участков вала (диски, шкивы, маховики, роторы и др.). [c.142] Участки валопровода между массами обычно состоят из частей вала различной формы. Податливость таких участков равняется сумме податливости отдельных частей вала, так как они представляют собой последовательно соединенные упругие элементы. Таким образом, приведение длин сводится к вычислению крутильных податливостей участков вала различных конструктивных форм. Приведенная система является системой с конечным числом степеней свободы, причем число степеней свободы равно числу масс системы. Однако так как одной из степеней свободы этой системы соответствует равномерное вращение всех масс, то число степеней свободы приведенной системы в отношении крутильных колебаний равно г — 1), т. е. равно числу упругих участков системы. [c.142] Для решения главной задачи о возможности возникновения резонансных колебаний определяют собственные частоты колебаний системы. o тaвимJдиф-ференциальные уравнения свободных колебаний многомассовой крутильной системы. Обозначим через ф1, фз, фз,. .., ф текущие углы поворота масс системы относительно некоторого начального положения. Если каким-либо способом система выведена из начального состояния и представлена затем самой себе, то она будет совершать свободные колебания. Дифференциальное уравнение движения массы системы составляем, используя принцип Даламбера. [c.142] Уравнение (244) и представляет собой дифференциальное уравнение движения -й массы при свободных колебаниях. Полагая I = 1, 2, 3. можно получить дифференциальные уравнения движения различных масс. [c.143] Число уравнений (245) равно числу степеней свободы системы. [c.143] Полученная система представляет собой систему п линейных однородных уравнений с п неизвестными Ф и может быть разрешима с точностью до постоянного множителя. [c.144] Вынужденные крутильные колебания происходят под действием внешних периодически изменяющихся возмущающих моментов, приложенных к цилиндровым массам. Вынужденные колебания становятся особенно сильными при резонансных режимах, когда частота возмущающих моментов близка к одной из собственных частот колебаний системы. В этом случае расчет вынужденных колебаний следует производить только с учетом рассеяния энергии, так как в противном случае амплитуды колебаний неограниченно растут со временем. [c.144] В связи с этим для расчета вынужденных колебаний необходимо определить внешние возмущающие моменты, действующие на систему, и сопротивления, имеющиеся в системе. [c.144] К периодическим моментам, действующим на систему валопровода, относятся суммарные моменты от сил давления газов в цилиндрах двигателя и приведенный к кривошипу момент сил инерции. Суммарный вращающий момент М представляет собой сложную функцию угла поворота коленчатого вала ф, которая в расчетах задается графически или таблицей. Для одного цилиндра дизеля эта функция имеет вид кривой (см. рис. 73, г). Эта кривая для четырехтактного двигателя имеет период 4я (два оборота коленчатого вала) и для двухтактного 2п (один оборот коленчатого вала). [c.144] Определение разложения функции в ряд Фурье называется гармоническим анализом. Если функция Л1(ф) задана аналитически, то для гармонического анализа можно воспользоваться формулами (249). Если функция 7И(ф) задана графически или таблицей, как это имеет место при расчете крутильных колебаний, то используется практический гармонический анализ с применением ЭВМ. [c.145] Вернуться к основной статье