Расчет средней суммарной тангенциальной силы на валу
В многоцилиндровом двигателе в результате работы газов возникает суммарная тангенциальная сила ТΣ, 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 TΣ 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 ТΣ 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 ТΣср, МПа, рассчитывается по выражению
, (4.15)
где n – количество частей на участке (обычно разбивают на части через 10–15о).
Величина ТΣср не должна отличаться более чем на 5–10 % от величины T'Σср, подсчитанной на основании данных теплового расчета
, (4.15)
где Рi – 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;
ηm – механический кпд двигателя;
α1 – коэффициент избытка воздуха для сгорания;
φ – коэффициент продувки;
λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
tB = 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:
εv – действительная степень сжатия двигателя;
γг – коэффициент остаточных газов;
Pmax = Pz – наибольшее давление сгорания, МПа;
ξ – коэффициент эффективного выделения теплоты;
Мп – масса поршня в сборе, кг;
Мш – масса шатуна в сборе, кг;
γц – 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 Нu = 42700 кДж/кг.
Таблица 5.3
Дополнительные исходные данные
| Параметры | Последняя цифра шифра (вариант задания) | |||||||||
| εv | 12,5 | 12,2 | 12,2 | 13,5 | 12,2 | 15,1 | 12,2 | 13,5 | 12,2 | 12,0 |
| γг | 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 |
| γц | – | – |
*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 Сμрm
| Температура, оС | Теплоемкость воздуха С'μрm, кДж/кмоль×град | Теплоемкость продуктов сгорания при α1 = 1 С"μрm, 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 ΔР / 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 | γц | – | – | |||||||
| 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 | ||
| φ0 = 00 | Tφ0 | Tφ0 + Δφ | Tφ0 + 2Δφ | … | Tφ0 + (i – 2) Δφ | Tφ0 + (i – 1) Δφ | TΣφ0 |
| φ1 = 150 | Tφ1 | Tφ1 + Δφ | Tφ1 + 2Δφ | … | Tφ1 + (i – 2) Δφ | Tφ1 + (i – 1) Δφ | TΣφ1 |
| φ2 = 300 | Tφ2 | Tφ2 + Δφ | Tφ2 + 2Δφ | … | Tφ2 + (i – 2) Δφ | Tφ2 + (i – 1) Δφ | TΣφ2 |
| φn | Tφn | Tφn + Δφ | Tφn + 2Δφ | … | Tφ2n + (i – 2) Δφ | Tφ2n + (i – 1) Δφ | TΣφn |
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.