Механическая напряженность ДВС. Показатели напряженности и способы снижения.

Если сопротивление движению судна по каким-либо причинам увеличилось, например вследствие обрастания корпуса, плохой погоды, влияния мелководья или при буксировке трала, гребной винт становится более «тяжелым». Иначе говоря, он потребляет от двигателя при той же частоте вращения мощности, большую, чем при обычных условиях. В установке с обычным гребным винтом фиксированного шага во избежание перегрузки двигателя снижают частоту вращения. На сколько нужно понизить частоту вращения, определяют в каждом конкретном случае в соответствии с инструкцией завода-изготовителя, в которой указываются предельные значения температуры выпускных газов, расхода топлива или максимального давления сгорания для каждого значения частоты вращения (ограничительная характеристика). В установке с ВРШ нет необходимости снижать частоту вращения – можно лишь уменьшить шаг винта с таким расчетом, чтобы параметры двигателя, контролируемые по приборам, соответствовали номинальному режиму.

Наиболее тяжелым установившимся режимом является работа на швартовах. В этом случае сопротивление движению корпуса бесконечно велико.

В практике эксплуатации возможны случаи уменьшения сопротивления движению судна, например при плавании в балласте или при сильном попутном ветре. Гребной винт при этом становится «легче», т. е. несколько недогружает главный двигатель при номинальной частоте вращения.

Показателем механической напряженности является напряжения и деформации, возникающие в деталях от действия сил давления газов и сил инерции движущихся частей. Косвенно о механической напряженности можно судить по величине максимального давления сгорания и жесткости работы двигателя, под которой понимают интенсивность повышения давления в цилиндре во время сгорания топлива.

Большое влияние на механическую напряженность коленчатого вала оказывают крутильные колебания. Коленчатый вал вместе с другими присоединенными к нему движущимися поступательно и вращающимися деталями представляет собой упругую систему, отдельные участки которой при работе двигателя закручиваются и раскручиваются в разных направлениях. Такие «вынужденные» крутильные колебания наблюдаются на всех режимах, и вызываются они главным образом периодическим действием сил давления газов в цилиндрах. Иногда оказывает влияние и неравномерный крутящий момент гребного винта, периодичность изменения которого зависит от числа лопастей.

Упругая вращающаяся система валов обладает собственными колебательными свойствами – частотой свободных колебаний и их формой. Эти свойства зависят только от расположения масс деталей и упругости соединяющих их участков вала. Свободные колебания не развиваются при работе двигателя, их можно лишь возбудить искусственно, если кратковременно приложить крутящий момент.

После прекращения действия момента система начинает колебаться с определенной частотой, но колебания быстро затухают благодаря внутреннему трению в материале валов. В зависимости от того, в каком месте вала приложить момент, могут возникнуть колебания разных форм. При одной из форм – одноузловой – концы валовой линии закручиваются в разных направлениях, а в средней части одно из сечений не участвует в колебаниях (узел). При двухузловой форме оба конца валовой линии закручиваются в одну сторону, а ее средняя часть – в другую; таким образом образуются два узла. Возможны также трехузловая, четырехузловая и другие формы колебаний. Чем выше форма колебаний, тем больше частота свободных колебаний. В обычных установках практическое значение могут иметь одноузловые и двухузловые колебания; их частота соответственно составляет 200 – 3000 и 900 – 10 000 колебаний в минуту.

При увеличении или уменьшении частоты вращения вала двигателя соответственно изменяется и частота вынужденных колебаний от сил давления газов в цилиндрах. На некоторых режимах она совпадает с частотой свободных колебаний одно- или двухузловой формы. В результате развиваются резонансные колебания. Степень их опасности определяется расчетом еще при проектировании установки и проверяется специальным прибором (торсиографом) на одном из судов каждой серии. В случае, если напряжения не превышают допускаемой величины, никаких ограничений не накладывается. Некоторое превышение напряжений говорит о необходимости назначить запретную зону. Продолжительная работа двигателя в этой зоне недопустима, так как может привести к разрушению валовой линии в одном из сечений из-за усталости материала вала. Возможно также повреждение зубьев шестерен редуктора. Внешне работа двигателя в запретной зоне может сопровождаться заметной вибрацией и шумами, но эти признаки обнаруживаются не всегда.

Запретные зоны отмечаются на тахометре красным сектором. Проход через запретную зону при увеличении или уменьшении частоты вращения осуществляется плавно, но быстро.

Значительное превышение напряжений при резонансах над допускаемыми напряжениями представляет опасность даже при кратковременной работе. В таких случаях дизелестроительным или судостроительным заводом принимаются меры борьбы с крутильными колебаниями. Можно, например, уменьшить ширину или диаметр маховика, и тогда запретная зона сместится в зону выше номинальной частоты вращения. Применяют и специальные устройства – демпферы и антивибраторы.

Механическая напряженность двигателя определяется скоростью нарастания давления при сгорании топлива и значением величины р_тах- Повышение давления наддувочного воздуха приводит к росту давления р_тах, что связано с увеличением давления и температуры воздуха в конце сжатия. Сохранение механической напряженности дизелей с наддувом на допустимом уровне достигают путем понижения степени сжатия е_с, уменьшения угла опережения впрыска топлива, охлаждения наддувочного воздуха и мер, обеспечивающих подачу уменьшенной доли цикловой порции топлива за период задержки самовоспламенения. Иногда е_с уменьшают до 11,0– 12,5. Это позволяет с увеличением давления наддува ограничить р_тах. Дальнейшее же снижение е₀ ведет к ухудшению пусковых качеств двигателя, поэтому уменьшают угол опережения подачи топлива. Однако чрезмерное его уменьшение недопустимо из-за увеличения длительности догорания топлива в такте расширения, что снижает экономичность рабочего цикла дизеля. Поэтому высокая надежность дизелей с наддувом обеспечивается преимущественно путем улучшения конструкции основных деталей цилиндропоршневой группы.