Загальні поняття про крутильні коливання колінчастого вала дизеля. Антівібратори
Щоб відповісти на питання, що таке крутильні коливання валу дизеля, уявімо собі сталевий стрижень, один кінець якого жорстко закріплений, а на іншому знаходиться маховик. Стрижень біля маховика спирається на підшипник. Якщо до маховика докласти крутний момент, то завдяки пружною деформації скручування стрижня маховик повернеться на деякий кут ф (рис. 66, а). Якщо відпустити маховик, відбудеться пружне його розкручування. Маховик, володіючи певною масою і моментом інерції, почне коливатися. Частота коливань (число коливань в секунду) маховика буде залежати від маси, від розподілу маси в залежності від видалення її від центру обертання, від жорсткості стрижня при крученні. Коливальна система - маховик - стрижень, володіючи певними моментом інерції і жорсткістю, матиме цілком певну частоту коливань (власну частоту коливань). Такі коливання системи, викликані одиничним додатком крутного моменту, називають вільними або власними крутильними коливаннями. Якщо до системи (до стрижня і маховика) не докладати повторно крутний момент, то коливання будуть поступово затухати і маховик нарешті зупиниться, зайнявши початкове своє становище в стані спокою. Загасання коливань відбувається внаслідок тертя стрижня в підшипнику, маховика об повітря, а також з-за внутримолекулярного тертя в стрижні. При коливаннях маховик повертається щодо свого початкового положення на деякий кут ф в ту і іншу сторону і при згасаючих коливаннях цей кут буде безперервно зменшуватися. Відхилення маховика від початкового положення називають амплітудою коливань. При згасанні коливань незалежно від зменшення амплітуди частота коливань залишається постійною. Очевидно, що для підтримки коливань маховика потрібно періодично прикладати до нього зовнішній (збурює) момент.
Крутильні коливання, що виникають під впливом зовнішніх сил, називаються вимушеними. Частота вимушених коливань дорівнює частоті додатки сил, що обурюють. Якщо частота вимушених крутильних коливань збігається з частотою власних, то виникає явище резонан-са.Прі цьому амплітуда коливань буде зростати до максимального розміру, що може привести систему до руйнування. Розглянута вище система стрижень-маховик має тільки одну частоту власних коливань і називається простий одномасової системою. Якщо на довгому валу закріпити через певні проміжки кілька маховиків і повернути їх на деякий кут, закрутивши тим самим ділянки вала між маховиками, а потім відпустити, то отримаємо складні крутильні коливання такої уп-
Рис 66. одномасової (а) і багатомасових (б) системи крутильних коливань
Вказати багатомасової системи. Система буде мати не одну частоту власних коливань, а кілька (на одиницю менше числа закріплених маховиків).
Колінчастий вал дизеля можна також уявити собі що складається з пружних ділянок, між якими закріплені маси, що представляють собою кривошипи з приєднаними до них шатунами і поршнями. До цієї системи додається також обертається маса якоря генератора, приєднаного до колінчастого валу через дизель-генераторну муфту.
Під час роботи дизеля на колінчастий вал діють зусилля від тиску газів на поршні і інерційні зусилля від рухомих частин. Впливу ці регулярно повторюються в певній послідовності і з частотою, пропорційною частоті обертання колінчастого вала. Завдяки змінному характеру додатки крутного моменту маси, закріплені на валу, будуть здійснювати крутильні коливання, при яких відбувається періодичне закручування і розкручування пружних ділянок вала. Крутильні коливання накладаються на усталене обертання валу. Так як колінчастий вал дизеля має кілька обертових мас, то він має і кілька власних частот крутильних коливань. Наприклад, колінчастий вал дизеля ПД1М, що несе шість циліндрових мас і масу генератора, має шість власних частот коливань 5100, 13 700, 22 000 кол / хв і т. Д. При роботі дизеля частота зміни збурюючих сил - сил інерції і сил від тиску газів - пропорційна частоті обертання валу. Частоту вимушених коливань, що дорівнює частоті обертання валу дизеля (отрута), називають основною частотою, або 1-й гармонікою. Ті, хто підбурює сили в дизелях зазвичай складаються з декількох гармонік. Якщо частота будь-якої гармонійної складової збігається з однією з власних частот валопровода, то настає резонанс. Частота обертання валу, при якій виникає резонанс, називається критичною. Робота дизеля при критичній частоті неприпустима, так як при цьому спостерігається тряска його, швидкий знос і руйнування підшипників, а іноді поломка колінчастого валу і інших деталей.
Щоб запобігти цим явищам, змінюють розміри вала, махові маси, розташування їх, збільшують жорсткість вала, зменшують масу поршневий групи, з тим щоб робочий діапазон обертання валу видалити від критичної частоти. Однак часто буває і цього недостатньо, тоді для гасіння резонансних крутильних коливань застосовують демпфери (гасителі) або митників антівібратори. Встановлюють їх зазвичай на кінці валу.
Демпфери створюють опору крутильним коливань і гасять їх енергію і при резонансних частотах знижують амплітуду кутів повороту мас. Антівібратори змінюють частоти власних коливань вала так, щоб вони не збігалися з гармонійними складовими збуджуючих моментів. Пояснимо роботу маятникового антівібратора на простою схемою, показаної на рис. 67, а, б, в.
Проходження вантажу з одного крайнього положення в інше, а потім повернення його в початкове крайнє положення називається повним коливанням, а час проходження вантажів вказаної відстані - періодом коливання. На схемі (див. Рнс. 67, а) вантаж А підвішений на стрижні і при додатку сили робить вільні коливання з певною кутовою амплітудою, максимальне значення якої становить фь Підвісивши до системи додатковий вантаж Б (див. Рис. 67, б) і приклавши ту ж силу, що і в першому випадку, ми помітимо, що амплітуда коливань вантажів буде менше, про що можна судити по куту ф2, і частота вільних коливань буде інший ніж частота коливань вантажу А.
На цьому принципі влаштовані й тепловозні антівібратори маятникового типу. До диску 1 вала по периметру підвішуються з обмеженою рухливістю додаткові вантажі 3 (див. Рис. 67, в), положення яких при обертанні вала визначає частоту і амплітуду вільних коливань вала. При рівномірному обертанні вала (прискорення е = 0) вантажі 3 залишаються в середньому положенні. Якщо з якої-небудь причини частота обертання валу починає зростати (е> 0), наближаючись до критичної, вантажі 3 в силу своєї інерційності будуть зберігати первинну частоту обертання, відхиляючись назад і перешкоджаючи закручування вала. При цьому змінюється частота власних його коливань. Таким чином, коливальна система в резонанс не увійде внаслідок зміни частоти власних коливань. І, навпаки, при зменшенні
Мал. 68. Антівібратор:
1 - маточина; 2 груш; 3 - втулка; 4 - планка; "> Пяльци частоти обертання (е<0) грузы 3, сохраняя свою первоначальную частоту вращения, сместятся вперед, закручивая вал и предупреждая совпадение вынужденной частоты с собственной.
Антівібратори. Для боротьби з крутильними коливаннями колінчастих валів дизелів використовують динамічні митників антівібратори (у дизелів типу 1 ОД 100), демпфери в'язкого тертя (у деяких дизелів типу Д49) або комбіновані антівібратори (у дизелів 2А-5Д49), що представляють собою комбінацію маятникового антівібратора з гасителем вузького тертя. На рис. 68 представлена конструкція антівібратора дизеля 10Д100. Сталева маточина 1, напресованими на колінчастий вал дизеля, має в усіх трьох дисках по периметру отвору з запресованими втулками 3, в які вставлені з зазором пальці 5 (16 шт.). Пальці в осьовому напрямку застопорені планками 4. На пальцях в два ряди підвішені також з зазором вісім однакових сегментообразние вантажів 2.
Комплект пальців антівібратора складається з чотирьох їх типів, що відрізняються тільки зовнішнім діаметром. Діаметр пальців визначає параметри антівібратора на певний порядок (гармоніку) щодо власної частоти крутильних коливань колінчатих валів дизеля. Число пальців кожного типу (однієї настройки) - 4 шт. Для забезпечення правильної установки пальців в отвори маточини на зовнішній циліндричній поверхні крайніх дисків маточини А і Б проти кожного отвори вибиті цифри, яка відповідає номеру (типу) того пальця, який повинен стояти в цьому отворі. На торцях пальців також вибиті відповідні цифри. Крутильні коливання колінчастого вала викликають коливання вантажів 2 в межах зазорів між пальцями і втулками, що призводить до зміни власної частоти коливань колінчастого вала і попереджає збіг власних і вимушених частот.
Розглянемо випадок, коли колінчастий вал обертається з частотою обертання нижче або вище критичної. Тоді вантажі під дією відцентрових сил перемістяться від центру в крайнє положення в межах зазору між пальцями 5 і отворами, але як тільки колінчастий вал почне працювати на критичній частоті обертання, наприклад при 550 об / хв, то одна пара вантажів, розрахована для гасіння цих резонансних коливань, прийде в дію, а саме: при збільшенні частоти обертання колінчастого вала вантажі в силу інерції будуть прагнути зберегти колишню частоту обертання, а отже, відставати на деякий кут і перешкоджати закручування вала. При зменшенні частоти обертання валу, навпаки, частота обертання вантажів буде випереджати частоту його обертання, а отже, перешкоджати закручування вала в іншу сторону.
В експлуатації внаслідок будь-яких порушень крутильні коливання можуть виникати і в робочому діапазоні частоти обертання. Поява крутильних коливань можна виявити, змінюючи частоту обертання валу дизеля. При наближенні до критичної частоті збільшується шум в дизелі, відзначається нестійка його робота. Крутильні коливання будуть проявлятися тільки на певній частоті обертання; при збільшенні або зменшенні частоти вони припиняються.
Значне посилення крутильних коливань може статися при збільшенні подачі палива в один або кілька циліндрів. Крутильні коливання валів на дизелях 1 ОД 100 в експлуатації можуть виникати при великому зносі валиків антівібратора, порушеннях в збірці антівібратора, при заклинювання його вантажів.
Маятниковий антівібратор дизеля 2А-5Д49 принципово влаштований однаково з антівібратором дизеля 1 ОД 100. Його маточина має два диска, між якими на пальцях підвішені з зазором в з'єднанні шість вантажів, чотири з яких налаштовані на одну частоту, а два інших - на іншу.
Антівібратор (демпфер) в'язкого тертя (див. Рис. 58, поз. 1) складається з корпусу, заповненого в'язкої силіконової рідиною (рідким каучуком). Усередині корпусу розміщений маховик, що направляється двома бічними кільцями. Дія демпфера засноване на поглинанні енергії коливань за рахунок тертя між інерційною масою і в'язкою рідиною. Коли колінчастий вал дизеля обертається рівномірно, то маховик за рахунок сил тертя між ним і рідиною також буде обертатися з рівномірною швидкістю. Якщо виникають крутильні коливання на валу дизеля, то завдяки наявності в'язкого тертя енергія коливань буде поглинатися.
Комбінований антівібратор складається з маятникового антівібратора і демпфера в'язкого тертя, приєднаних один до одного.
Комбіновані антівібратори знижують напруження крутильних коливань в 1,5 рази в порівнянні з силіконовими демпферами.
На колінчастих валах дизелів ПД1М антівібратори не застосовують, оскільки критична частота обертання знаходиться поза зоною робочої частоти обертання колінчастого вала. Це досягнуто завдяки застосуванню алюмінієвих поршнів замість чавунних і збільшення жорсткості колінчастого вала.