Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Февраля 2013 в 16:58, реферат
Создание эффективного метода контроля и оценка технического состояние эксплуатируемого дизеля без его разборки – одна из актуальных проблем автоматизации обслуживания судовых силовых установок. Важным в этом отношении является контроль за состоянием цилиндрово-поршневой группы (ЦПГ), подвергающейся в большей степени износам и наименее доступной для осмотра и обмеров.
Рис. 4. Изменение энергии удара поршня в первой (1) и во второй (2) фазах в зависимости от величины зазора : по внешней характеристике ;
и без процесса сгорания ----------
Энергия удара поршня в первой фазе в зависимости от числа оборотов двигателя и величины зазоров поршень – втулка показана на рис. 5. Зазоры поршень – втулка 0,1; 0,2; 0,3 мм представлены соответственно кривыми 1, 2, 3. Увеличение числа оборотов от 900 до 1700 в минуту для названных величин зазоров вызывает незначительное увеличение энергии удара при работе по внешней характеристике, а при прокручивании дизеля – уменьшение.
Сопоставляя рис. 3 и 4 можно заключить, что, несмотря на зависимость времени перекладки от зазора, в качестве диагностического параметра следует принять связь зазора с энергией вибрации.
Все эти рассуждения основаны на действительном зазоре между поршнем и втулкой, но практически техническое состояние сопряжений оценивается по зазору в нормальных условиях (20ºС). Поэтому при замере
Рис. 5. Изменение энергии удара поршня в первой фазе в зависимости от числа оборотов двигателя и величины зазоров
зазора на работающем двигателе методами безразборной технической диагностики необходимо учитывать величину теплового изменения зазора .
ВЛИЯНИЕ ТЕМЕПЕРАТУРЫ ДВИГАТЕЛЯ НА ВЕЛИЧИНУ ЗАЗОРА ПОРШЕНЬ – ВТУЛКА
При работе ДВС часть тепла, выделенного при сгорании топлива в цилиндре, передается через стенки охлаждающей воде. В процессе отвода тепла участвуют все детали ЦПГ. Участвуя в процессе теплопередачи, они аккумулируют часть тепла, что вызывает повышение их температуры. В зависимости от условий работы и места в цепи передачи тепла от рабочего тела к охлаждающей воде температуры деталей ЦПГ различны. Зазоры между сопряженными деталями также будут различны, так как зависят от температуры материала.
Для определения температуры поршня необходимо знать количество проходящего через него тепла, но ввиду отсутствия приборного метода для замера теплового потока последний рассчитывается теоретически по индикаторным диаграммам или по параметрам цикла.
Количество теплоты, передаваемое охлаждающей жидкости, зависит от ее температуры, развиваемой мощности, числа оборотов коленчатого вала и т. д. и определяется коэффициентом теплоотдачи от газов к стенкам , температурами сред и площадями соприкосновения.
Теоретический расчет температур поршня базируется на значениях коэффициентов теплопередачи от газов к стенкам и эквивалентных температурах газов , рассчитанных по данным индицирования двигателя.
Эти параметры можно определить по известной формуле [2]
где - мгновенное значение коэффициента теплоотдачи в поршень, вт/м²·чºС; – средняя линейная скорость поршня, м/сек; и - мгновенные значения давления, н/м², и температуры в цилиндре, ºК.
Уравнение (16), справедливое для малооборотных двигателей, с достаточной точностью может быть положено в основу определения значений коэффициента теплоотдачи в исследуемом двигателе.
Несмотря на циклический характер теплообмена в двигателях внутреннего сгорания и значительное изменение параметров газа в цилиндре, процесс теплоотдачи можно рассматривать как стационарный, с некоторым средним за цикл коэффициентом и средней температурой газов .
Среднее за цикл значение величины коэффициента теплоотдачи можно получить графическим интегрированием кривой по :
Средняя температура газов определяется по формуле
Графическое построение подынтегральной функции несложно, если по уравнению (16) определены значения для каждого от 0 до 720º.
Мгновенное значение температуры газов в каждой точке цикла определяется уравнением
где и - мгновенные давления газов, н/м², и объем газов, м³; – вес заряда смеси в цилиндре, кг; – газовая постоянная рабочего тела в данной точке процесса.
При тепловых расчетах пользуются эквивалентной температурой газов. По приведенным в работе [3] данным, эквивалентная температура (ºК) остается в пределах
.
Для СМД-14, учитывая сравнительно низкую форсировку, примем
.
Для расчета температур поршня примем методику, предложенную в работе [4]. Теплосопротивление поршня (град/вт) определяется
,
где – теплосопротивление днища; – теплосопротивление стакана поршня; – теплосопротивление втулки цилиндра.
Теплосопротивление днища определим по формуле
где – толщина днища поршня, м; – диаметр поршня, м; – площадь днища поршня, м²; – коэффициент теплопроводности поршня, вт/м²·град; – параметр тепловой характеристики поршня [4], равный 0,23.
Теплосопротивление стакана поршня, подсчитанное для мм и мм, составило, по данным работы [4], 0,0481 град·ч/ккал. Теплосопротивление увеличится пропорционально первой степени размера и для СМД-14 составит
град/вт.
Теплосопротивление втулки цилиндра тепловому потоку от поршня определится выражением
где – коэффициент теплоотдачи от поверхности гильзы к охлаждающей жидкости, вт/м²; – диаметр цилиндра, м; – толщина стенки втулки, м; – коэффициент теплопроводности материала гильзы, вт/м²·град; – высота поршня, м.
Теперь определим количество тепла, проходящего через поршень,
,
где – температура охлаждающей жидкости, ºК.
При тепловых расчетах обычно принимают базовую точку, которая находится в месте стыка днища и стакана поршня (в центре сечения). Температура базовой точки определится формулой
.
Температура других точек, в частности расположенных на юбке, определяется выражением
.
Найденные из выражений (17) и (18) и справедливы для постоянной тепловоспринимающей поверхности (днища поршня, головки цилиндра), но для расчетов теплоотдачи во втулку, поверхность которой периодически перекрывается поршнем, неприменимы. В связи с этим в работе [5] величины и рекомендуется определять интегрированием не по всему циклу, а лишь в той части, на протяжении которой данный пояс омывается газами, т.е.
; (26)
где - средний коэффициент теплоотдачи газов соответствующему поясу втулки, вт/м²·град; – эквивалентная температура газов для соответствующего пояса втулки, ºК; – угол поворота коленчатого вала, соответствующий перемещению поршня от в. м. т. до данного пояса втулки. Индексом «I» обозначены такты сжатия и расширения, а индексом «II» - такты пуска и выпуска.
Сложность расчета теплового состояния втулки определяется еще и тем, что контакт тела поршня (с различной интенсивностью теплопередачи отдельных его участков) с каким-либо поясом втулки носит циклический характер. Однако осредненное влияние температуры поршня на температуру гильзы можно учесть по приведенному коэффициенту теплоотдачи.
Тепловой поток (в вт) от поршня к втулке можно выразить:
,
где – средний приведенный коэффициент теплоотдачи от поршня к втулке, вт/м²·град; – тепловоспринимающая поверхность втулки цилиндра, м².
Приравняв выражение (23) и (28), найдем приведенный коэффициент теплоотдачи (в вт/м²·град) от поршня к втулке:
Полное тепловое воздействие (в вт/м²·град) на втулку с учетом теплоотдачи через поршень и непосредственно от газов можно учесть суммарным коэффициентом теплоотдачи
Температура (в ºК) в соответствующем поясе втулки определяется по формуле
Теплосопротивление втулки рассчитывается по выражению
,
где – диаметр втулки цилиндра, м; – высота втулки цилиндра, м.
Изменение (расчетное) температуры втулки в поясе удара поршня при перекладке и температуры нижней части поршня по внешней характеристике и при прокручивании двигателя представлены на рис. 6.
Рис. 6. Изменение поршня и втулки в поясе удара поршня в в. м. т., в первой фазе, при перекладке в зависимости от числа оборотов двигателя ;
1 – по внешней характеристике, 2 – при прокручивании
Из анализа рис. 6 можно заключить, что температура деталей ЦПГ в значительной степени зависит от режима работы при расчетах, связанных с учетом зазора, пренебрегать тепловыми изменениями последнего нельзя.
Зазор (в м) между поршнем и втулкой у работающего двигателя определится из формулы
,
где и – диаметры втулки и поршня при 20ºС, м;
и – коэффициенты линейного расширения материала втулки и поршня;
, – приращения температур втулки и поршня от 20ºС до их температур в рабочем состоянии, ºС.
После преобразования, обозначив (зазор между поршнем и втулкой (в м) при 20ºС), формула (32) примет вид
.
При определении линейных расширений поршня и втулки диаметры и можно принять равными диаметру цилиндра . Тогда тепловое изменение зазора (в м) определится из выражения
.
Величина теплового изменения зазора для постоянного режима работы цилиндра, при котором производится безразборная диагностика технического состояния механизма и одной марки двигателя, постоянна.
Зазор между поршнем и гильзой (в м) работающего двигателя отличается от зазора при температуре 20ºС и определится выражением
,
где – действительный зазор между поршнем и втулкой у работающего двигателя, м; – величина теплового изменения зазора между поршнем и втулкой от 20ºС до рабочей температуры, м.
На рис.7 представлено изменение зазора в зависимости от теплового состояния двигателя. По внешней характеристике увеличение зазора с ростом числа оборотов от 900 до 1700 в минуту составляет 26%, а для прокручивания – 7,5%. Величина теплового изменения зазора для 1700 об/мин по внешней характеристике на 42,5% больше, чем при прокручивании.
Для большей наглядности сопоставим зазоры при нормальных условиях (20ºС) и у работающего двигателя в условиях нагрузочной характеристики на 1700 об/мин (рис. 8). Для двигателя СМД-14 начальные или установочные зазоры составляют 0,2 – 0,24 мм и предельные 0,6 мм. На графике они представлены горизонтальными наклонными прямыми, заключающими между собой зоны и .
Анализ результатов расчетных исследований, представленных на рис. 8, показывает, что для 1700 об/мин и 100% величина теплового изменения зазора для начального состояния ( мм) составит 83%, а для
Рис. 7. Изменение величины теплового зазора между поршнем и втулкой в зависимости от числа оборотов двигателя : 1 – по внешней характеристике; 2 – при прокручивании
предельного ( мм) – 30,4% от зазора при нормальных условиях. Если при сопоставлении предельного и начального зазоров при 20ºС предельный