научная статья по теме РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ НА ПРЕОДОЛЕНИЕ СИЛ ТРЕНИЯ В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЕ ДВС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ СУДНА НА ОСНОВЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ НА ПРЕОДОЛЕНИЕ СИЛ ТРЕНИЯ В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЕ ДВС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ СУДНА НА ОСНОВЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ»

СУДОСТРОЕНИЕ 1'2015

РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ НА ПРЕОДОЛЕНИЕ СИЛ ТРЕНИЯ В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЕ ДВС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ СУДНА НА ОСНОВЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ

П. А. Дорохов, e-mail: drkhv.pavel@rambler.ru (Российский морской регистр судоходства, Астраханский филиал), А. Ф. Дорохов, докт. техн. наук, e-mail: dorokhovaf@rambler.ru (Астраханский ГТУ)

УДК 629.12.03-843

В практике ходовых испытаний судов и теплотехнических испытаний судовых энергетических установок встречаются случаи, когда по требованию надзорных органов (Российского морского регистра судоходства или Российского речного регистра) необходимо провести прямую оценку эффективной мощности главного двигателя. Обычно номинальная эффективная мощность главного двигателя судна на ходовых испытаниях определяется по косвенным показателям — часовому расходу топлива Сч (кг/ч), температуре выхлопных газов Тг или ^ (К или °С), максимальному давлению сгорания р2. (МПа) при номинальной скорости хода. Прямая оценка эффективной мощности, при необходимости, осуществляется путем инструментального измерения эффективного крутящего момента двигателя посредством торсиографов или динамометрических муфт [1—3 и др.]. Такие способы оценки эффективной мощности громоздки, не всегда возможны в силу особенностей конструкции вало-проводов судов. Поэтому в качестве альтернативы предлагается метод, основанный на индицировании и расчете внутренних потерь двигателя. Очевидно, что предлагаемый метод может быть применим для двигателей, оборудованных индикаторными кранами, а также для дизелей с электронными системами контроля показателей работы двигателя.

Мощность двигателя на режиме холостого хода затрачивается только на преодоление внутренних потерь (потери мощности на совершение насосных ходов поршня, на преодоление сил трения во всех узлах, на привод вспомогательных механизмов), поэтому площадь индикаторной диаграммы холостого хода выражает работу, которая пошла на преодоление внутренних потерь. Индикаторная диаграмма двигателя на режиме номинальной мощности определяет его индикаторную работу за цикл, т. е. работу, в которой учтены тепловые потери при осуществ-

лении рабочего цикла, но не учтены внутренние потери в двигателе при преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Тогда, вычитая индикаторную работу двигателя на холостом ходу из индикаторной работы на режиме номинальной мощности, получим эффективную работу двигателя за рабочий цикл, а также эффективную мощность. В первом приближении такой подход к задаче определения эффективной мощности двигателя правомерен.

Однако имеется одно несоответствие. Если потери мощности на осуществление насосных ходов и привод вспомогательных механизмов можно принять одинаковыми как на холостом ходу, так и на номинальной мощности, то потери мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе (ЦПГ) разнятся. Потери мощности на преодоление сил трения состоят из ряда составляющих [4]:

Чр= Чцпг + Чер + Чгр+Чодш* Чнвд- (1

где N — общие потери мощности на преодоление сил трения в двигателе; N ,

подш и Мтнвд потери мощности на

преодоление сил трения в ЦПГ, в механических передачах, в механизме газораспределения, в подшипниках скольжения и в топливном насосе высокого давления соответственно.

Составляющие ^ + ^ +Мподш +

^ в виде допущения можно считать не зависящими от режима работы двигателя, тогда как N растет вместе с ростом нагрузки в силу возрастания «боковой» силы N (рис. 1). Боковая сила N определяет работу трения в ЦПГ (трение поршневых колец и трение юбки поршня о цилиндровую втулку) и является функцией суммарной силы Р^, приложенной к поршневой головке шатуна [4]:

N = РЕ tgP,

(2)

судостроение 12015 СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

где Р^ = | Рг + Р||. Здесь Рг — сила давления газов в каждый момент цикла согласно индикаторной диаграмме, Н; р — сила инерции поступательно движущихся масс (поршня, колец, поршневого пальца и верхней части шатуна), Н; в — угол наклона стержня шатуна к оси цилиндра.

Сумма (2) алгебраическая, так как сила инерции направлена противоположно силе давления газов. На рис. 2 показаны графики сил, действующих в кривошипно-шатун-ном механизме четырехтактного двигателя.

Для конкретного двигателя и судна должны быть сняты индикаторные диаграммы на режиме холостого хода при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей режиму работы на номинальной мощности. Кроме того, следует снять индикаторную диаграмму на режиме ориентировочной номинальной мощности по косвенным показателям — номинальной скорости хода судна, часовому расходу топлива, температуре выхлопных газов (по паспортным данным двигателя). По индикаторной диаграмме, снятой под нагрузкой, необходимо рассчитать функцию изменения силы Ы, аналогично графику на рис. 2. Так, силу инерции определять, например, через каждые 5° угла ф поворота коленчатого вала. При этом сила Рг берется по индикаторной диаграмме, а сила р рассчитывается следующим образом [5]:

р = -Огю2(со$ф + Хсо$2ф) ,

(3)

Рис. 1. Схема действия сил в кривошипно-шатунном механизме (КШМ)

ния силы Р^ как функции от угла ф. Отсюда находятся значения боковой силы N по формуле (2). Однако оперировать в расчетах значениями в неудобно, так как их надо дополнительно рассчитывать в зависимости от ф. В этом случае

где О — суммарная масса поступательно движущихся деталей ЦПГ, кг (поршня, поршневых колец, поршневого пальца, 1/3 массы шатуна — согласно чертежам данных деталей); г — радиус кривошипа, м; ю — угловая скорость вращения коленчатого вала, с-1; X — постоянная механизма, X = г/1 (/ — длина шатуна между центрами поршневой и кривошипной головок, м).

Таким образом определяют силы инерции через некоторый промежуток времени по углу поворота коленчатого вала (как уже говорилось, например, через 5°) с соответствующим знаком и, принимая силы давления газов по индикаторной диаграмме, вычисляют значе-

используются формулы выражения в через ф [5]: в!пР = Х$1пф;

(4)

со$Р = 1 - 0,5Х2 в1п2ф .

В результате проведенных расчетов получают функцию значений силы N за цикл от угла поворота коленчатого вала (аналогично графику на рис. 2). Планиметрирование этого графика даст суммарное значение силы N за цикл, или Ы^.

Действие силы N вызывает появление силы трения F (Н), направленной в сторону, противоположную движению поршня, и приложенной в плоскости контакта поршня с цилиндром, которая определяется в соответствии с законом Кулона— Амонтона:

Р = N {,

(5)

где { — коэффициент пропорциональности или коэффициент трения (в данном случае трения скольжения), зависящий от материалов пары трения, их геометрии, параметров трущихся поверхностей, наличия и свойств смазки и др. Например, алюминиевый поршень с чугунными поршневыми кольцами движется в чугунной цилиндровой втулке, прижимаемый к ней силой N. Высота каждого из к колец составляет /1. Длина поршня, контактирующего с цилиндром, — /2. Общая длина контакта поршневой группы с цилиндром / = к/1 + /2. Поршень и цилиндр находятся в контакте, и, согласно теории механизмов и машин, контакт осуществляется по линии. Сделав такое допущение, можно определить удельное линейное давление в зоне контакта как р = N¿/1. Отсюда можно определить доли силы N¿ (Н), приходящиеся на кольца и на поршень:

= рп/1 ; ^ = Р/2 .

(6)

Графики сил, действующих в КШМ

Тогда силы трения в контакте поршня и поршневых колец с цилиндром будут соответственно:

Рп = ад-ч;

Р = ^ ! ,

где ^а-ч, — коэффициенты трения скольжения (с учетом смазки) алюми-

СУДОВЫЕ ЭНЕ^ГЕТ^ЧЕС^^Е УСТАНОВКИ

СУДОСТРОЕНИЕ 1'2015

Рис. 3. Развернутая и свернутая индикаторные диаграммы на режиме холостого хода

ния по чугуну и чугуна по чугуну соответственно.

Коэффициенты трения скольжения указанных пар трения могут быть приняты по справочным данным из работ [6—8 и др.].

Суммарная работа трения (Н-м) в цилиндропоршневой группе на номинальном режиме работы будет:

^тр.цпг.н = (рп + ^ ,

где Э — ход поршня, м.

В работах ряда исследователей аналитически и экспериментально установлены соотношения потерь мощности на трение в ЦПГ с внутренними потерями в двигателе. Так, в [9, 10] приводятся данные, что работа трения в цилиндропоршневой группе составляет 47% от работы всех внутренних потерь двигателя, в [11, 12] — 50%, в [13, 14] — 53...54%.

Индикаторные диаграммы рабочего цикла дизеля 2Ч9,5/11 на режиме холостого хода при п = 1500 об/мин (здесь п — частота вращения коленчатого вала) и на режиме номинальной мощности N е = 11,5 кВт при п = 1500 об/мин (рис. 3, 4) показывают, что при одинаковых уровнях потерь

N + N +N + N

пер мгр подш тнвд

на холостом ходу и под нагрузкой потери на трение в ЦПГ сильно отличаются в силу различий по рг Следо-

делать те же действия, которые описывались выше для определения суммарной работы трения в цилиндропоршневой группе на режиме холостого хода ¿ттр.цпг.хх. Тогда из индикаторной работы двигателя на холостом ходу (см. рис. 3) вычитаем количество работы, соответствующее ^^тр.цпгхх, и к остатку прибавляем значение ¡-£трцпгн. Полученный результат будет представлять сумму работы внутренних потерь двигателя на режиме номинальной мощности. Вычитая из индикаторной работы двигателя на режиме номинальной мощности (см. рис. 4) работу внутренних потерь, получим цилиндровую эффективную работу 1.ец и, как следствие, — цилиндровую эффективную мощность ^ц. Умножив результаты на количество цилиндров, получим эффективную работу и эффективную мощность двигателя в целом — 1еи Nе.

Предлагаемый метод на первый взгляд представляется громоздким, но в данной статье показан порядок действий (алгоритм) и на-

вательно, необходимо про- Рис. 4. Индикаторная диаграмма дизеля при номинальной нагрузке

бор исходных данных, на основе чего можно составить соответствующую программу, т. е. автоматизировать процесс расчетов, тем более, что автоматизированные программы расчетов по многим этапам метода уже имеются (расчет сил N Рг, Р-, Р^ и других составляющих).

Литература

1. Амахин В. А. Исслед

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком