Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Судовые двигатели внутреннего сгорания. Часть 2. Крутильные колебания

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 677433.01.99
Методические рекомендации для выполнения практических работ по дисциплине «Судовые двигатели внутреннего сгорания. Часть 2. Крутильные колебания» составлено в соответствии с рабочей программой дисциплины. В методических рекоменацнях даются общие рекомендации по выполнению практических работ, рассматриваются вопросы теории крутильных колебаний, а именно составление крутильной схемы системы коленчатого вала судового дизеля, расчета свободных колебаний, вынужденных крутильных колебаний, демпфирующих моментов и их работы, резонансных крутильных колебаний, касательных напряжений в узлах крутильных валопровода и гасителя крутильных колебаний судового дизеля. В методических рекомендациях кратко и доходчиво изложен материал по расчету крутильных колебаний ДВС. и что особенно ценно собраны уникальные справочные данные, что позволяет использовать данное пособие не только для выполнения практических работ, но и в процессе дипломного проектирования. Методические рекомендации для выполнения практических работ по дисциплине «Судовые двигатели внутреннего сгорания. Часть 2. Крутильные колебания» предназначены для обучающихся по специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» авторов B.C. Епифанова и Д.А. Попова может быть рекомендовано к изданию в ФГБОУ ВО «МГАВТ».
Епифанов, В. С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Часть 2. Крутильные колебания : методические рекомендации / В. С. Епифанов, Д. А. Попов. - Москва : МГАВТ, 2017. - 124 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/945336 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

ФГБОУ ВО «МГАВТ»

В.С. Епифанов, Д.А. Попов

Судовые двигатели внутреннего сгорания

Часть 2 Крутильные колебания 

Учебное пособие для выполнения практических работ

для студентов по специальности 

26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» 

Альтаир – «МГАВТ»

Москва 
2017.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

МОСКОВСКАЯ  ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

В.С. Епифанов, Д.А. Попов

Судовые двигатели внутреннего сгорания

Часть 2. Крутильные колебания

Методические рекомендации для выполнения практических работ

Альтаир–МГАВТ

Москва

2017

УДК 621: 431

В.С. Епифанов, Д.А. Попов. Судовые двигатели внутреннего сгорания. 

Методические рекомендации.— М.: Альтаир–МГАВТ, 2017.— 124 с. 

Методические рекомендации для выполнения практических работ по дис
циплине «Судовые двигатели внутреннего сгорания. Часть 2. Крутильные колебания» составлено в соответствии с рабочей программой дисциплины.

В методических рекоменациях даются общие рекомендации по выполне
нию практических работ, рассматриваются вопросы теории крутильных колебаний, а именно составление крутильной схемы системы коленчатого вала судового дизеля, расчета свободных колебаний, вынужденных крутильных колебаний, демпфирующих моментов и их работы, резонансных крутильных колебаний, касательных напряжений в узлах крутильных валопровода и гасителя 
крутильных колебаний судового дизеля. В методических рекомендациях кратко 
и доходчиво изложен материал по расчету крутильных колебаний ДВС, и что 
особенно ценно собраны уникальные справочные данные, что позволяет использовать данное пособие не только для выполнения практических работ, но и 
в процессе дипломного проектирования.

Методические рекомендации для выполнения практических работ по дис
циплине «Судовые двигатели внутреннего сгорания. Часть 2. Крутильные колебания» предназначены для обучающихся по специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» авторов В.С. Епифанова и Д.А.
Попова может быть рекомендовано к изданию в ФГБОУ ВО «МГАВТ».

Рецензенты: зав. каф. СЭУ и А к.т.н., доц., В.А. Зябров, зав. каф., ЭО, 

к.т.н., доц., Л.Ф. Мокеров.

Рекомендованы к изданию учебно-методическим советом МГАВТ.

Рассмотрено и рекомендовано для использования в учебном процессе на 

заседании кафедры СЭУ и А (протокол №1 от 06 сентября 2016 года).

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать 

материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебнометодические материалы.

©МГАВТ,2017
©Епифанов В.С.,2017
©Попов Д.А.,2017

Содержание

Предисловие .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 4

Общие рекомендации по выполнению практических работ.
. .
. .
. .
. 6

Практическая работа №1
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 8

Практическая работа №2
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 18

Практическая работа №3
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 31

Практическая работа №4
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 43

Практическая работа №5
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 50

Практическая работа №6
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 57

Практическая работа №7
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 62

Литература . .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 89

Приложение 1. Динамические данные по двигателям .
. .
. .
. .
. .
. 90

Приложение 2. Крутильно-колеблющиеся системы . .
. .
. .
. .
. .
. 94

Приложение 3. Дизель-реверс-редукторные агрегаты серии ДРРА . .
. .
.110

Приложение 4. Расчетная крутильная схема ДРРА правого вращения
. .
.111

Приложение 5. Расчетная крутильная схема ДРРА левого вращения .
. .
.112

Приложение 6. Крутильная схема .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
.113

Приложение 7. Из расчета на крутильные колебания
установок теплоходов пр. 576
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
.118

Приложение 8.. Из расчета на крутильные колебания
установки ДГРА 100/750
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
.119

Приложение 9. Из расчета на крутильные колебания
установки ДРА 650.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
.120

Предисловие

Крутильные колебания системы двигатель — валопровод — гребной винт 

возникают вследствие периодических изменений усилий, передаваемых на вал 
кривошипными механизмами от давления газов в цилиндрах. Так как валопровод — упругая система, то вызываемые этими изменениями периодические колебания угловой скорости вращения наступают в различных его частях не одновременно. Отдельные участки системы получают периодические относительные угловые смещения. Эти периодические угловые смещения участков  
валопровода и представляют собой крутильные колебания. Если бы валопровод 
был абсолютно жестким, то от изменений крутящего момента в каждом отсеке 
дизеля появились бы только незначительные колебания угловой скорости вращения вала в целом, так называемая периодическая неравномерность вращения, 
для выравнивания которой служит маховик.

В работающем дизеле установившиеся крутильные колебания системы яв
ляются вынужденными. При совпадении частоты одной из гармонических составляющих крутящего момента каждого отсека дизеля с одной из собственных 
частот свободных колебаний системы относительные угловые смещения участков валопровода могут выйти за пределы допускаемых, что может повести к 
поломке. Числа оборотов системы, при которых наступают резонансные явления, называются критическими. 

Первичная цель расчета установки на крутильные колебания – определе
ние запретных зон и их допустимости. В процессе расчета находят также напряжения от крутильных колебаний на всем диапазоне, предусмотренных для 
данной установки режимов. Этот расчет обычно ведут на упрощенной схеме 
действительной системы, которая строится с помощью специальных правил 
«приведения». Все связанные с валом и движущиеся с ним массы заменяются 
«эквивалентными маховыми массами», т. е. сосредоточенными в определенных 
местах дисками постоянных моментов инерции. Такая операция называется 
приведением масс. Делая такое приведение, пренебрегаем периодическими изменениями моментов инерции масс, в результате чего уравнения крутильных 
колебаний системы становятся линейными уравнениями с постоянными коэффициентами.

Далее, при составлении дифференциальных уравнений крутильных колебаний 

собственной массой отрезков валопровода между дисками пренебрегают. В результате получается система сосредоточенных масс, связанных между собою упругими, 
но безинерционными отрезками круглого вала. Такая система имеет конечное число степеней свободы. При таких решительных упрощениях нельзя рассчитывать на 
получение абсолютно точных значений искомых величин для заданной системы. 
Приходится ограничиваться нахождением более или менее тесных границ для основных критических скоростей, на которые эти упрощения оказывают сравнительно малое влияние. Таким образом, в первом приближении можно считать, что приведенная схема валопровода будет в динамическом отношении эквивалентна реальной крутильноколеблющейся системе.

В случае если результаты расчета неудовлетворительны, т. е. рассчиты
ваемая установка не может длительно выполнять свои функции без угрозы для 

ее надежности и долговечности, необходимо дальнейшее изучение установки и 
поиски таких мероприятий, которые обеспечат ее работоспособность.

Если расчет производится для уже выполненной установки, то для уточне
ния полученных результатов, а также для удовлетворения требованиям Регистра производится экспериментальное исследование крутильных колебаний валопровода (торсиографирование) с помощью специальных приборов – торсиографов. Торсиографирование обязательно и для головных образцов новых проектов.

Расчѐт крутильных колебаний валопровода довольно сложен, он произво
дится в такой последовательности:

1)замена действительной системы эквивалентной дискретной системой;
2)расчет свободных колебаний;
3)определение работы возмущающих моментов;
4)определение работы демпфирующих сопротивлений;
5)расчет резонансных и околорезонансных амплитуд и напряжений;
6)расчет вынужденных нерезонансных колебаний;
7)определение запретных зон;
8) мероприятия по обеспечению работоспособности установки.
Первые четыре пункта расчета по существу представляют собой подгото
вительную часть полного расчета, на основании которой производится последующее определение амплитуд и напряжений. Однако нередко уже на основании выполнения двух первых пунктов оказывается возможным дать обоснованные соображения, позволяющие отказаться от выполнения полного расчета или 
ограничиться только частью последнего.

Выбор способа борьбы с крутильными колебаниями, остаѐтся за расчетчи
ком, который для получения оптимальных результатов должен систематически 
накапливать опыт работы и углублять свои значения в области теории и практики крутильных колебаний.

Общие рекомендации по выполнению практических работ

Практические работы по дисциплине «Судовые двигатели внутреннего 

сгорания» являются заключительным этапом обучения студентов предмету
«Судовые двигатели внутреннего сгорания» и направлены:

– на расширение и закрепление теоретических знаний по дисциплине, и 

применение этих знаний на практике;

– на овладение методиками вычислительного эксперимента при решении 

проектно–конструкторских задач при расчете крутильных колебаний судовых 
силовых установок в процессе выполнения курсового проекта по дисциплине
«СДВС» и написании выпускной квалификационной работы;

– на развитие у студентов навыков самостоятельной работы в реальных ус
ловиях.

Направленность тем практических работ по дисциплине связана с повы
шением надежности и улучшением технических характеристик элементов судовых двигателей. Практические работы носят комплексный характер, в них 
предусматривается решение технических вопросов и разработаны для решения 
конкретных задач СЭУ.

Порядок оформления отчета по практической работе и его защиты.
Отчет должен содержать краткую теоретическую часть работы, выполнен
ную в процессе самостоятельной работы, методику исследования, описание 
эксперимента, расчеты анализ результатов и выводы. Все результаты исследования должны сопровождаться схемами, эскизами, графиками и диаграммами, 
полученными в результате эксперимента и расчета. В отчете по практической 
работе должны иметь место ответы на контрольные вопросы.

В отчете необходимо обосновать, что предлагается для понижения уровня 

крутильных колебаний коленчатого вала дизеля. За результаты, полученные 
при выполнении практической работы, и за их правильность отвечает студент.

Аналитическая часть отчета должна содержать краткую техническую ха
рактеристику стендовой установки, ее описание и методику эксперимента.

Результаты практической работы включают итоги исследований и расчета

крутильных колебаний, необходимых для поиска снижения их уровня.

Использованная литература. В список использованной литературы вклю
чаются рекомендованные и использованные источники в процессе самостоятельной подготовки к проведению работы, с указанием автора, наименования, 
издательства, года издания, количества страниц. Литература приводится в алфавитном порядке по фамилиям авторов или по начальным буквам технической 
и нормативной документации.

Оформление отчета должно соответствовать требованиям Единой системы 

конструкторской документации (ЕСКД) и Единой системы технологической 
документации (ЕСТД).

Типовые расчеты, в целях ликвидации повторений, оформляются в таб
личном виде с включением расчетной формулы и количественных характеристик каждого учитываемого показателя.

Все формулы, помещаемые в отчет, должны иметь сквозные порядковые 

номера и расшифровку входящих в них символов.

Текст должен сопровождаться рисунками, схемами, графиками и т.п. По
мещаемые в тексте отчета таблицы и иллюстративный материал должны иметь 
раздельную нумерацию.

Данные, на которых основываются расчеты, объяснения, должны иметь 

ссылки на источники, оформленные в квадратных скобках.

Выводы и заключение. Здесь содержатся основные выводы по результатам 

проведенных исследований в процессе выполнения практических работ. В выводах отчета дается характеристика основных показателей, полученных в результате выполнения работы. Кроме того, необходимо изложить причины, приведшие к отрицательным результатам (при их наличии), и дать предложения по 
их устранению.

Руководство практическими работами заключается в контроле безопасно
сти и обеспечении надлежащей организации проведения практических работ.

Сроки периодического отчета студентов по выполнению практических ра
бот устанавливаются преподавателем. 

Преподаватель выдает задание на практическую работу, руководит поряд
ком проведения практических работ. Кроме того, он проводит систематические, 
беседы со студентом и дает ему дополнительные консультации, проверяет отчет по практическим работам и дает оценку знаниям студента. 

Защите практических работ предшествует период подготовки, необходи
мый для оформления законченного отчета, доработки отдельных частей.

В случаях пропуска занятий по практическим работам, этот вопрос рас
сматривается на заседании кафедры с участием преподавателя и студента. 

Практическая работа № 1.

Составление крутильной схемы системы

коленчатого вала судового дизеля

Продолжительность 4 ч

1. Задачи исследования
По правилам Российского Речного Регистра (РРР) расчет крутильных ко
лебаний должен содержать:

Сводную таблицу данных, по которой составляют приведенную крутиль
ную схему системы коленчатого вала, эквивалентную реальной системе. В таблицу должны быть включены характеристика и конструктивные параметры дизеля, наименования масс и соединений, диаметры, длины всех валов системы, 
податливость соединений, моменты инерции масс, а также использованные в 
расчетах данные о редукторе, муфтах, демпфере крутильных колебаний, гребном винте;

2. Краткие теоретические сведения
Крутильные колебания коленчатых валов судовых дизелей возникают 

вследствие периодических изменений усилий, передаваемых на вал кривошипными механизмами от давления газов в цилиндрах. Так как коленчатый вал –
упругая система, то вызываемые этими изменениями периодические колебания 
угловой скорости вращения наступают в различных его частях не одновременно. Отдельные участки вала получают периодические относительные угловые 
смещения. Эти периодические угловые смещения участков коленчатого вала и 
представляют собой крутильные колебания. Если бы вал был абсолютно жестким, то от изменений крутящего момента в каждом отсеке дизеля появились бы 
только незначительные колебания угловой скорости вращения вала в целом, так 
называемая периодическая неравномерность вращения, для выравнивания которой служит маховик.

В работающем дизеле установившиеся крутильные колебания коленчатого 

вала являются вынужденными. При совпадении частоты одной из гармонических составляющих крутящего момента каждого отсека дизеля с одной из собственных частот свободных колебаний коленчатого вала относительные угловые смещения участков коленчатого вала могут выйти за пределы допускаемых, что может повести к поломке вала. Числа оборотов вала, при которых наступают резонансные явления, называются критическими. 

Задачей расчета коленчатого вала на крутильные колебания является опре
деление критических скоростей, вычисление резонансных амплитуд и максимальных динамических напряжений, возникающих на наиболее напряженных 
участках (в узлах крутильных колебаний). Эти расчеты обычно ведутся на упрощенной схеме действительного вала, которая строится с помощью специальных правил «приведения вала». Все связанные с валом и движущиеся с ним 
массы заменяются «эквивалентными маховыми массами», т. е. сосредоточенными в определенных местах дисками постоянных моментов инерции. Такая 
операция называется приведением масс. Делая такое приведение, пренебрегаем 
периодическими изменениями моментов инерции масс кривошипно-шатунных 

механизмов, в результате чего уравнения крутильных колебаний коленчатого 
вала становятся линейными уравнениями с постоянными коэффициентами.

Далее, при составлении дифференциальных уравнений крутильных колебаний 

собственной массой отрезков вала между дисками обычно пренебрегают. В результате получается система сосредоточенных масс, связанных между собою упругими, 
но безинерционными отрезками круглого вала. Такая система имеет конечное число 
степеней свободы. При таких решительных упрощениях нельзя рассчитывать на получение абсолютно точных значений искомых величин для заданной системы. Приходится ограничиваться нахождением более или менее тесных границ для основных 
критических скоростей, на которые эти упрощения оказывают сравнительно малое 
влияние. Таким образом, в первом приближении можно считать, что приведенная 
схема коленчатого вала будет в динамическом отношении эквивалентна реальной 
крутильноколеблющейся системе.

3. Приведение вращающихся масс. 
Приведение масс или замена масс, движущихся с валом, массами сосредо
точенных в определенных местах дисков производится по следующему общему 
принципу: кинетическая энергия эквивалентных дисков должна равняться 
средней (за один оборот) кинетической энергии движущихся масс.

Когда движущиеся с валом массы совершают вращательное движение, их 

«приведение» заключается просто в вычислении моментов инерции относительно оси вала. 

Рис. 1.1. Расчетная схема кривошипа

Приведенные моменты инерции этих масс при вращении вала не изменя
ются. Сюда относятся, прежде всего, собственная масса вала, маховик. Приведение масс кривошипа заключается в вычислении моментов инерции относительно оси вала.

Момент инерции кривошипа вала (рис. 1.1), заключенного между плоско
стями, проходящими через центры двух соседних коренных шеек, вычисляют 
по приближенной зависимости: 

.
.
.
.
2
ш
ш
щ
ш
к
к
J
J
J
J
,

где: 

.
.ш
к
J
— момент инерции коренной шейки относительно ее оси, кг∙м2;

щ
J
— момент инерции щеки относительно оси коренной шейки, кг∙м2;

.
.ш
ш
J
— момент инерции шатунной шейки относительно оси коренной 

шейки, кг∙м2.

Расчетные формулы: 

.
.

4

.
.

4

.
.
к.ш.
32

ш
к
ш
к
ш
к
l
d
J

4

.
.

2

4

.
.

4

.
.

2
2
2

щ
8
4
4
12

ш
ш

ш
ш
ш
к
R
b
R
l
h
l
h
b
J

2

2

.
.

2

.
.
2

.
.

2

.
.
.
.
ш.ш.
8
32
R
d
d
l
J
ш
ш
ш
ш

ш
ш
ш
ш
ш
ш

где: 
.
.ш
к
d
— диаметр коренной шейки, м; 
.
.ш
к
— диаметр отверстия в ко
ренной шейке, м; 
.
.ш
кl
— длина коренной шейки, м; b — длина щеки, м; h —

толщина щеки, м; l — высота щеки, м; R — радиус кривошипа, м; 
.
.ш
ш
—

диаметр отверстия в шатунной шейке, м; 
.
.ш
шl
— длина шатунной шейки, м; 
.
.ш
ш
d

— диаметр шатунной шейке, м; 
— плотность материала вала, 
3
м

кг
.

4. Приведение масс кривошипно-шатунного механизма.
КШМ представляет собой систему 
.
.
к
м
к
J
J
J
с переменным моментом 

инерции кривошипного механизма 
.
.м
к
J
. Обычно в приближенных расчетах 

пользуются постоянным средним значением этого момента за один оборот вала. 
Достаточно близкую к среднему значению величина приведенного момента 

.
.м
к
J
получена следующим образом. Масса шатуна «разносится» на шатунную 

шейку (в количестве 0,7 всей его массы) и на ось поршневого пальца (остальная 
часть). Момент инерции первой вращающейся части вычислен в предположении, что ее масса сосредоточена на оси шатунной шейки на расстоянии от оси 
вала, равном радиусу кривошипа. Момент масс, совершающих вместе со второй частью шатуна возвратно-поступательное движение (ось поршневого пальца, поршень), принимается равным моменту инерции полу-суммы этих масс в 
предположении, что все они сосредоточены также на оси шатунной шейки.

2

2

ш

2

2

2

2

.
.
4
1
2
1

4
1
2
1

ш
ш
l

R
G
G
R
l

R
F
m
F
m
R
J
п
п
r
п
s
м
к

где:

.
.м
к
J
— момент инерции кривошипного механизма относительно оси ко
ренной шейки коленчатого вала, кг∙м2; 
шl
— длина шатуна, м; 
s
m — масса воз
вратно–поступательно движущихся частей, приведенная к оси поршневого 
пальца и отнесѐнная к площади поршня, 
2
м

кг
; 
r
m — неуравновешенные вра
щающиеся массы, приведенные к оси шатунной шейки и отнесѐнные к площади