Главное меню

Уравновешивание двигателя

Возникающие во время работы двигателей инерционные силы вызывают дополнительные так называемые динамические усилия. Чем быстроходнее двигатель, тем больше эти усилия, которые могут вызвать нежелательные колебания частей двигателя и фундамента.

Так как действие динамических усилий связано с наличием ускорений, то уничтожить эти усилия невозможно. Можно только путем рационального размещения движущихся масс частично, а иногда и полностью уравновесить действие динамических усилий.

Силы инерции неуравновешенных вращающихся масс (шейки мотыля, щек и 0,6 массы шатуна), т. е. центробежные силы, можно уравновесить с помощью противовесов, укрепляемых на щеках мотыля коленчатого вала. При этом вес противовесов подбирается так, чтобы создаваемая ими центробежная сила была равна центро­бежным силам неуравновешенных вращающихся масс.

Уравновешивание сил инерции возвратно-поступательно движу­щихся масс у одноцилиндрового двигателя не может быть достиг­нуто (исключение составляет двигатель со сходящимися поршнями). У многоцилиндровых же двигателей полное или частичное уравновешивание достигается путем соответствующего взаимного расположения мотылей коленчатого вала. Так, например, для полного уравновешивания сил инерции и их моментов для четырехтактных двигателей необходимо иметь шесть или восемь цилиндров с углами между мотылями соответственно 120 и 90°.

Число цилиндров двигателя определяет не только степень уравновешенности, но и степень неравномерности двигателя. У многоцилиндровых двигателей чередование рабочих ходов чаще, чем у одноцилиндрового, и поэтому степень неравномерности меньше. Следовательно, чем больше цилиндров имеет двигатель, тем меньше относительный вес и размеры может иметь маховик (при одинаковой мощности и степени неравномерности). Следует подчеркнуть, что у двухтактного двигателя вес маховика на единицу мощности меньше, чем у четырехтактного (при одинаковом числе рабочих цилиндров), так как за одно и то же время у него в 2 раза больше рабочих ходов. Многоцилиндровые двигатели более экономичны, чем одноцилиндро­вые; это объясняется тем, что расход мощности на некоторые вспо­могательные механизмы (регулятор, привод газораспределения, топливоподкачивающий насос и др.) мало зависит от числа цилиндров; следовательно, доля затраченной мощности на привод этих меха­низмов у одноцилиндровых двигателей больше, чем у многоцилиндро­вых. Преимуществом многоцилиндровых двигателей является их большая компактность.

Однако увеличение числа цилиндров усложняет конструкцию. Поэтому там, где требуются простые, маломощные, нетребователь­ные в обслуживании двигатели, применяются одно- и двухцилиндро­вые двигатели.

Говоря о колебаниях, появляющихся в рабочем двигателе, следует иметь в виду, что коленчатый вал представляет собой упру­гую систему, способную вызвать колебания под воздействием воз­никающих сил.

Пусть один конец длинного стального вала зажат в тисках, а на другом конце укреплен груз с плечом; сообщив грузу толчок, вал на некоторый угол будет скручен; однако затем вследствие упру­гих сил материала вала и инерции массы груза оба они придут в коле­бательное движение. Указанные крутильные колебания, возникаю­щие в момент прекращения действия внешних сил или момента, называются свободными или собственными коле­баниями. Вследствие внутреннего трения свободные колебания постепенно прекратятся; но если продолжать сообщать грузу внеш­ние толчки, то свободные колебания возбуждаются вновь и таким образом непрерывно возобновляются. Импульс сил, вызывающих свободные колебания, создают так называемые вынужденные колебания. Если импульсы сил будут действовать в такт свободным колебаниям, т. е. вынужденные колебания совпадут со свободными, то крутильные колебания не только, не прекратятся, но и резко усилятся, увеличивая свой размах.

В двигателе периодические изменения вращающихся моментов вызывают вынужденные крутильные колебания коленчатого вала, так как угол его закручивания не остается постоянным, а изменяется по времени. Совпадение частот и направлений свободных и вынужден­ных колебаний называется резонансом. При этом свободные и вынужденные колебания складываются, что вызывает в материале вала значительные напряжения, и могут вызвать поломку вала.

Число оборотов вала, при котором возникает явление резонанса, называется критическим. Оно сопровождается сильной вибрацией двигателя и стуками в соединениях подвижных частей, а иногда и поломкой вала.

Если число оборотов станет больше или меньше критического, то явления, сопровождающие резонанс, прекратятся, так как угло­вая скорость вращения отдельных мотылей постепенно выравни­вается. Следовательно, простейшим методом устранения резонанса является изменение числа оборотов двигателя. Критическое число оборотов может быть установлено расчетом или на основании обсле­дования установки с использованием специального прибора — торсиографа, при помощи которого можно получить график кру­тильных колебаний. При числе оборотов, близком к критическому, амплитуда колебаний резко увеличивается, что отображается на само­пишущем приборе.

Если критические обороты лежат близко к нормальным, то послед­ние следует снизить на 5—10% и не переходить за это число.

Для уменьшения амплитуды крутильных колебаний до величины, гарантирующей безопасность работы вала, применяется гаситель колебаний — демпфер. Принцип действия демпфера заключается в том, что присоединенная к валу например через муфту дополни­тельная масса, вращаясь вместе с валом, воспринимает часть энер­гии возмущающих сил, что способствует затуханию колебаний.