Расчет средней суммарной тангенциальной силы на валу

 

В многоцилиндровом двигателе в результате работы газов возникает суммарная тангенциальная сила Т_Σ, представляющая собой алгебраическую сумму всех одновременно действующих на кривошипы тангенциальных сил Т в рядном двигателе и сил Т'_Σ в V-образном двигателе с учетом угла между вспышками в цилиндрах.

Для определения T_Σ кривую тангенциальных сил Т = f (φ) или T'_Σ = f (φ) разбивают на число цилиндров, а каждый участок – на равное число частей. Затем в таблицу (прил. 5) записывают значения ординат кривой на каждом участке, которые суммируются. Примерный характер изменения суммарной тангенциальной силы Т_Σ представлен на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Характер изменения
суммарной тангенциальной силы Т _Σ

Средняя суммарная тангенциальная сила на фланце отбора мощности коленчатого вала Т_Σср, МПа, рассчитывается по выражению

, (4.15)

где n – количество частей на участке (обычно разбивают на части через 10–15^о).

Величина Т_Σср не должна отличаться более чем на 5–10 % от величины T'_Σср, подсчитанной на основании данных теплового расчета

, (4.15)

где Р_i – индикаторная мощность дизеля, кВт; n – частота вращения коленчатого вала, мин^-1; r – радиус кривошипа, м; А – площадь поршня, м².

Все рисунки выполняются на миллиметровке формата А2 (297´420), а чертеж – на формате А1 (594´841 мм).

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ

 

Исходные данные для проектирования:

d и S – диаметр цилиндра и ход поршня, м;

n – частота вращения коленчатого вала, мин^-1,

i – число цилиндров;

t – тактность;

η _m – механический кпд двигателя;

α ₁ – коэффициент избытка воздуха для сгорания;

φ – коэффициент продувки;

λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

t_B = 60 °C – температура воздуха перед впускными органами (клапанами или окнами) дизеля.

Рв – давление наддувочного воздуха, МПа.

 

Примечание. В задании буквой Т обозначена температура в Кельвинах, а буквой t – в градусах Цельсия, при этом Т = (t + 273) К.

 

Числовые значения величин Т, К выбираются из табл. 5.1 по последней и из табл. 5.2 по предпоследней цифре учебного шифра студента.

Дополнительные данные для проекта выбираются из табл. 5.3:

ε _v – действительная степень сжатия двигателя;

γ _г – коэффициент остаточных газов;

P_max = P_z – наибольшее давление сгорания, МПа;

ξ – коэффициент эффективного выделения теплоты;

М_п – масса поршня в сборе, кг;

М_ш – масса шатуна в сборе, кг;

γ _ц – угол между осями цилиндров V-образного двигателя, град.

Во всех вариантах задания принять состав дизельного топлива в долях массы углерод С = 0,87, водород Н = 0,126, кислород О = 0,004, низшую теплоту сгорания дизельного топлива Н_u = 42700 кДж/кг.

Таблица 5.3

Дополнительные исходные данные

Параметры	Последняя цифра шифра (вариант задания)
ε v	12,5	12,2	12,2	13,5	12,2	15,1	12,2	13,5	12,2	12,0
γ г	0,02	0,03	0,03	0,10	0,03	0,06	0,03	0,10	0,04	0,03
Pmax = Pz	6,5	11,0	11,0	10,8	11,0	10,0	12,5	11,0	13,0	12,5
ξ	0,82	0,80	0,82	0,80	0,82	0,80	0,82	0,80	0,82	0,80
Мп				46,2		35,5		46,2
Мш				54,3		38,4		54,3
Расположение цилиндров*	P	V	V	V	V	ВДП	V	V	V	V
γ ц	–					–

 

*Р – рядное; V – V-образное; ВДП – со встречно движущимися поршнями.

 

Выбранные исходные данные для курсового проекта обязательно приводятся в начале пояснительной записки. Задание на выполнение чертежа приведено в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Задание на выполнение чертежа узла

Последняя цифра шифра	Наименование узла
	Поршень Шатуны (шатун) Втулка цилиндра (с рубашкой) Коренные подшипники (опорный и опорно-упорный) Охладитель воздуха Форсунка Топливный насос (секция) Водяной насос Масляный насос Коленчатый вал

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Таблица средней молярной изобарной теплоемкости С μ _рm

Температура, оС	Теплоемкость воздуха С' μ рm, кДж/кмоль×град	Теплоемкость продуктов сгорания при α1 = 1 С" μ рm, кДж/кмоль×град
	20,6758 20,833 20,984 21,206 21,474 21,780 22,090 22,408 22,713 23,006 23,283 23,547 23,794 24,018 24,250 24,459 24,682 24,863 25,003 25,167 25,326 25,474 25,611 25,745 25,870 25,992	22,19 22,525 22,902 23,320 23,739 24,200 24,618 25,079 25,498 25,874 26,293 26,628 27,005 27,298 27,633 27,884 28,177 28,428 28,638 28,889 29,098 29,308 29,517 29,584 29,852 30,019

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Параметры рабочих процессов тепловозных дизелей
отечественного производства

Параметры	(ПД1М) 6ЧН 31,8/33	(2Д100) 10Д 20,7/(2х25,4)	(10Д100) 10ДН20,7/(2х25,4)	(14Д40) 12ДН 23/30	(11Д45) 16ДН 23/30	(1А-5Д49) 16ЧН 26/26	(2А-5Д49) 16ЧН 26/26	(3А-6Д49) 8ЧН 26/26	(3Д70) 16ЧН 25/27	(1Д49) 20ЧН 26/26	(Д56) 16ЧН 32/32	(М756) 12ЧН 18/20	(1Д12) 12ЧН 15/18
Эффективная мощность в цилиндре полноразмерного двигателя Рец / Ре, кВт	147	147	220	123	137,5	137,5	184	110	184	220,5	275,8	52,2	30,7
Частота вращения nд, мин-1
Рабочий объем цилиндра Vh, л	26,2	17,1	17,1	12,4	11,1	13,8	13,8	13,8	13,1	13,8	25,7	5,09	3,2
Среднее эффективное давление Рme, МПа	0,90	0,611	0,912	0,795	0,892	1,24	1,60	0,96	1,66	1,745	1,91	0,84	0,79
Давление наддува Рв, МПа	0,162	0,132	0,221	0,201	0,219	0,235	0,28	0,21	0,290	0,31	0,321	0,17	0,16
Температура воздуха перед впускными органами tв, оС
Степень сжатия εv	12,5	15,1	15,1	14,6	13,5	12,5	12,5	12,5	12,5	13,0	11,5	13,5	15,0
Коэффициент наполнения Фс	0,98	0,79	0,80	0,83	0,85	0,95	0,96	0,94	0,93	0,94	0,95	0,857	0,83

Продолжение приложения 2

Продолжение прил. 2

Параметры	(ПД1М) 6ЧН 31,8/33	(2Д100) 10Д 20,7/(2х25,4)	(10Д100) 10ДН20,7/(2х25,4)	(14Д40) 12ДН 23/30	(11Д45) 16ДН 23/30	(1А-5Д49) 16ЧН 26/26	(2А-5Д49) 16ЧН 26/26	(3А-6Д49) 8ЧН 26/26	(3Д70) 16ЧН 25/27	(1Д49) 20ЧН 26/26	(Д56) 16ЧН 32/32	(М756) 12ЧН 18/20	(1Д12) 12ЧН 15/18
Давление в конце сжатия Рс, МПа	4,2	5,0	8,4	6,6	5,8	7,36	8,74	7,05	9,04	–	9,03	5,67	4,12
Температура в конце сжатия tc, оС										–	–		–
Максимальное давление сгорания Pmax, МПа	6,8	8,6	9,8	10,6	10,8	11,5	12,5	10,6	12,3	12,75	14,0	8,82	8,82
Степень повышения давления λ	1,450	1,76	1,23	1,65	1,86	1,56	1,43	1,35	1,31	1,35	1,55	1,55	2,14
Скорость нарастания давления Δ Р / Δφ, МПа/град.п.к.в.	0,295	0,35	0,2	0,28	0,28	0,25	0,25	–	–	–	–	–	–
Давление в начале выпуска Рg, МПа	0,51	0,415	0,680	0,75	0,80	–	–	–	–	–	–	0,44	–
Температура в начале выпуска tg, 0С						–	–	–	–	–	–		–
Индикаторный кпд ηit	0.435	0.470	0.466	0.44	0.45	0.475	0.465	0.491	0.455	0.456	0.46	0.429	0.460
Эффективный кпд ηet	0,363	0,364	0,377	0,34	0,364	0,405	0,398	0.405	0.407	0.41	0.385	0.366	0.37
Удельный эффективный расход топлива bc, г/кВт × ч
Параметры	(ПД1М) 6ЧН 31,8/33	(2Д100) 10Д 20,7/(2х25,4)	(10Д100) 10ДН20,7/(2х25,4)	(14Д40) 12ДН 23/30	(11Д45) 16ДН 23/30	(1А-5Д49) 16ЧН 26/26	(2А-5Д49) 16ЧН 26/26	(3А-6Д49) 8ЧН 26/26	(3Д70) 16ЧН 25/27	(1Д49) 20ЧН 26/26	(Д56) 16ЧН 32/32	(М756) 12ЧН 18/20	(1Д12) 12ЧН 15/18
Коэффициент избытка воздуха в цилиндре/ суммарный, α1/α	2,10 2,27	1,85 2,58	2,0 2,82	1,85 2,78	1,85 2,61	2,1 2,23	1,97 2,12	2,1 2,28	2,10 2,27	2,10 2,28	1,98 –	2,1 2,6	1,9 2,04
Температура выпускных газов перед турбиной tg, оС
Коэффициент остаточных газов γr	0,02	0,06	0,06	0,08	0,08	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Некоторые параметры тепловозных двигателей

Наименование	Обозначение	Тип двигателя
ПД1М	10Д100	11Д45 14Д40	Д49	211-Д1	Д12	М756	Д56	Д70
Доля потерянного объема	Ψ	–	0,2	0,13	–	–	–	–	–	–
Угол развала цилиндров	γ ц	–	–
Отклонение радиуса кривошипа к длине шатуна	λ	0,233	0,185	0,250	0,250	0,288	0,233	0,307	0,255	0,250
Масса поршня, кг	Мп	55,1	36,7	46,2	32,7	15,3	3,9	5,5		38,0
Масса шатуна, кг	Мш	98,0	38,7	54,3	61,2	34,7	6,24	8,8		55,4
Удельная масса двигателя, кг/кВт	m	8,83	8,83	6,25-8,5	7,3	–	4,8	2,5	–	7,9

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Таблица для расчета удельных сил

Фо

Р, МПа

Рг, МПа

J, м/с2

Рj, МПа

РΣ, МПа

tg β

N, МПа

К, МПа

Т, МПа

Z, МПа

и т. д.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Расчет суммарной тангенциальной силы на фланце отбора
мощности коленчатого вала

φ, град	Цилиндры	Суммарная тангенциальная сила ТΣ1
1-й	2-й	3-й	…	i - 1 -й	i -й
φ 0 = 00	T φ 0	T φ 0 + Δφ	T φ 0 + 2 Δφ	…	T φ 0 + (i – 2) Δφ	T φ 0 + (i – 1) Δφ	TΣ φ 0
φ 1 = 150	T φ 1	T φ 1 + Δφ	T φ 1 + 2 Δφ	…	T φ 1 + (i – 2) Δφ	T φ 1 + (i – 1) Δφ	TΣ φ 1
φ 2 = 300	T φ 2	T φ 2 + Δφ	T φ 2 + 2 Δφ	…	T φ 2 + (i – 2) Δφ	T φ 2 + (i – 1) Δφ	TΣ φ 2
φ n	T φ n	T φ n + Δφ	T φ n + 2 Δφ	…	T φ 2n + (i – 2) Δφ	T φ 2n + (i – 1) Δφ	TΣ φ n

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Величины тригонометрических функций
для расчета кривошипно-шатунного механизма

j, град.	cos j + l cos 2j		tg β			j, град.
λ = 0,250
	+ 1,250	+ 1,000	0,000	0,000	+ 1,000
	+ 1,182	+ 0,949	± 0,064	± 0,321	+ 1,002
	+ 0,991	+ 0,803	± 0,126	± 0,609	+ 1,008
	+ 0,707	+ 0,580	± 0,179	± 0,834	+ 1,016
	+ 0,375	+ 0,308	± 0,222	± 0,977	+ 1,024
	+ 0,042	+ 0,021	± 0,246	± 1,030	+ 1,030
	– 0,250	– 0,259	± 0,259	± 1,000	+ 1,033
	– 0,475	– 0,497	± 0,246	± 0,902	+ 1,030
	– 0,625	– 0,692	± 0,222	± 0,755	+ 1,024
	– 0,707	– 0,834	± 0,179	± 0,580	+ 1,016
	– 0,741	– 0,929	± 0,126	± 0,391	+ 1,008
	– 0,749	– 0,982	± 0,064	± 0,197	+ 1,002
	– 0,750	– 1,000	0,000	0,000	+ 1,000
λ = 0,238
	+ 1,238	+ 1,000	0,000	0,000	+ 1,000
	+ 1,172	+ 0,950	± 0,058	± 0,325	+ 1,002
	+ 0,985	+ 0,803	± 0,120	± 0,604	+ 1,007
	+ 0,707	+ 0,587	± 0,170	± 0,828	+ 1,014
	+ 0,381	+ 0,317	± 0,210	± 0,971	+ 1,021
	+ 0,053	+ 0,030	± 0,237	± 0,027	+ 1,025
	– 0,238	– 0,246	± 0,245	± 1,000	+ 1,028
	– 0,465	– 0,488	± 0,237	± 0,905	+ 1,025
	– 0,619	– 0,682	± 0,210	± 0,760	+ 1,021
	– 0,707	– 0,827	± 0,170	± 0,584	+ 1,014
	– 0,747	– 0,926	± 0,120	± 0,396	+ 1,007
	– 0,760	– 0,982	± 0,058	± 0,203	+ 1,002
	– 0,762	– 1,000	0,000	0,000	+ 1,000
λ = 0,233
	+ 1,233	+ 1,000	0,000	0,000	+ 1,000
	+ 1,157	+ 0,950	± 0,057	± 0,314	+ 1,002
	+ 0,983	+ 0,803	± 0,117	± 0,601	+ 1,007
	+ 0,707	+ 0,589	± 0,167	± 0,825	+ 1,014
	+ 0,384	+ 0,322	± 0,205	± 0,969	+ 1,021
	+ 0,057	+ 0,036	± 0,224	± 1,024	+ 1,025
	– 0,233	– 0,239	± 0,236	± 1,000	+ 1,028

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

Массогабаритные показатели тепловозных дизелей

Тип двигателя	Обозначение по ГОСТ 4393-82	Эффективная мощность Ре, кВт	Частота вращения Nд, мин-1	Среднее эффективное давление Рme, МПа	Средняя скорость поршня Cm, м/с	Удельный эффективный расход топлива, Ве, г/(кВт×ч)	Масса сухая с поддизельной рамой G, кг	Удельный расход масла gм, г/(кВт×ч)	Габаритные размеры, мм	Тип тепловоза
длина	ширина	высота
2Д100	10Д20, 7/2×25,4			0,61	7,2			2,14				ТЭ3
10Д100	10ДН20, 7/2×25,4			0,91	7,2			2,2				2ТЭ10М, 3ТЭ10М
18Д100	12ДН20, 7/2×25,4			0,91	7,2			2,2				–
14Д40	12ДН23/30			0,79	7,5			1,65				М62, 2М62
11Д45	16ДН23/30			0,89	7,5			1,84				ТЭП60
ПД1М	6ЧН31,8/33			0,90	8,25			2,72				ТЭМ2
К6S310DR	6ЧН31/36			0,97	9,0			1,47–2,94				ЧМЭ3
1Д12	12ЧН15/18			0,79	9,6			3,68				ТГМ23
М756Б	12ЧН18/20			0,90	10,5			2,94				ДР1, ТГ16
3АЭ-6Д49	8ЧН26/26			0,825	7,45			1,58				ТГМ8
3А-6Д49	8ЧН26/26			0,96	8,67			1,58				ТГМ6
26ДГ*	12ЧН26/26			1,26	7,36			2,72				ТЭ3
2-26ДГ*	12ЧН26/26			1,07	8,67			2,72				ТЭМ7

Окончание прил. 7

Тип двигателя

Обозначение по ГОСТ 4393-82

Эффективная мощность Ре, кВт

Частота вращения Nд, мин-1

Среднее эффективное давление Рme, МПа

Средняя скорость поршня Cm, м/с

Удельный эффективный расход топлива, Ве, г/(кВт×ч)

Масса сухая с поддизельной рамой G, кг

Удельный расход масла gм, г/(кВт×ч)

Габаритные размеры, мм

Тип тепловоза

длина

ширина

высота

1А-5Д49

16ЧН26/26

1,24

8,67

1,84

2ТЭ116

2А-5Д49

16ЧН26/26

1,60

8,67

1,84

ТЭП70

Д70

12ЧН24/27

1,31

7,65

4,76

ТЭ3

20ДГ

20ЧН26/26

1,75

9,53

1,84

ТЭП75, ТЭ1136, ТЭ136

2Д70

16ЧН25/27

1,25

9,0

3,4

2ТЭ116

3Д70

16ЧН25/27

1,65

9,0

3,4

2ТЭ121

211Д-1

6ЧН21/21

1,15

9,8

3,25

ТГМ4

* Габаритные размеры и масса даны по дизель-генераторам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Локомотивные энергетические установки: учеб. для вузов ж.-д. тр-та / под ред. А.И. Володина. – М.: Желдориздат, 2002. – 718 с. – (Высшее профессиональное образование)

2. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные двигатели и газо­турбинные установки) / А.Э. Симпсон, А.3. Хомич, А.А. Куриц и др. – М.: Транспорт, 1987.

3. Двигатели внутреннего сгорания. В 4-х томах / под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – М.: Машиностроение, 1980–1984.

4. Дизели: справочник / под ред. В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, Л.К. Коллерова. – Л.: Машиностроение, 1977.

5. Володин, А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания / А.И. Володин. – М.: Транспорт, 1990.