Розрахунок параметрів тепловозного двигуна

Розрахунок параметрів тепловозного двигуна

Зміст

• Вступ
• 1. Вибір параметрів та визначення основних показників роботи ЛЕУ
• 2. Визначення витрат палива, повітря та газів, що відпрацювали
• 3. Визначення основних показників системи наддування
• 4. Визначення основних параметрів робочого процесу ЛЕУ
• 5. Побудова індикаторної діаграми робочого процесу леу
• 6. Динамічний розрахунок шатунно-кривошипного механізму
• Висновки
• Список літератури

Вступ

Мікроструктура сталі має декілька складових і є неоднорідною. Отримання потрібної структури входить в завдання термічної обробки. В результаті термообробки при зміні температури нагріву і режиму охолодження виходить необхідна мікроструктура, що призводить до поліпшення фізико-механічних властивостей сплавів.

Термічною (тепловою) обробкою називається сукупність операцій нагріву, витримки і охолодження металів і сплавів з метою зміни їх структури. При цьому досягається значна зміна властивостей при незмінному хімічному складі.

Термічна обробка може бути послаблююча або зміцнююча. Послаблююча — для надання заготівці необхідних технологічних властивостей (наприклад, оброблюваність різанням вище, якщо міцність і твердість металу низькі). Зміцнююча — для набуття необхідних експлуатаційних властивостей.

Умови, при яких здійснюється термічна обробка, називаються режимом. До параметрів режиму відносяться: температура і час нагріву, швидкості нагріву і охолодження, час витримки після нагріву.

Нагрівання повинне проводитися так, щоб, з одного боку, забезпечити рівномірне прогрівання деталі, необхідні перетворення структури, гарантувати від отримання тріщин, викривлення і, з іншого боку, забезпечити найбільшу продуктивність нагрівальних пристроїв (печей). Нагрів може бути випрямляємо, ступінчастим, поступовим. Вид нагріву вибирають в залежності від маси деталі, марки сплаву, виду термічної обробки. Режими нагріву визначаються діаграмами стану. Час нагріву також залежить від декількох чинників: від способу нагріву (полум'яна або електрична піч, струми високої частоти і так далі), від маси металу, що нагрівається, і його фізичних властивостей (теплопровідності, теплоємності).

1. Вибір параметрів та визначення основних показників роботи ЛЕУ

Розрахунки ефективної потужності двигуна внутрішнього згоряння та його параметрів.

Потужність секції тепловоза на ободі рухомих коліс:

(1.1)

де F_k — сила потягу тривалого режиму однієї секції, 167 кН;

V — швидкість тривалого режиму, 11 км/год.

кВт

Вихідна потужність тягового генератора:

(1.2)

тут U_г і I_г — напруга і струм розрахункового режиму тягового генератору;

_тед — ККД тягового електродвигуна; _тед=0,92;

_тр — ККД тягового редуктору; _тр=0,97;

кВт

Ефективна потужність двигуна внутрішнього згоряння, з потужністю приводу допоміжних механізмів:

(1.3)

де _г — ККД тягового генератора; _г=0,94.

Приймаємо N_e 2600 кВт із рекомендованого ряду потужностей.

кВт

Знаючи ефективну потужність дизеля, необхідно вибрати його основні параметри, від чого залежить потужність дизеля. Основні параметри беремо по дизелю прототипу із методичних вказівок. Основні параметри приведено у таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 — Параметри дизеля

Хід поршня S визначають із залежності для середньої швидкості, м,

S= (1.4)

S= = 0,26 м

Із залежності N_e від основних параметрів дизеля визначають діаметр поршня D, м,

(1.5)

м Приймаємо D=0,26 м.

Підрахуємо величину середнього ефективного тиску, Мпа, визначається з виразу ефективної потужності, кВт

(1.6)

Мпа, де — робочий об`єм одного циліндра, м³

(1.7)

м³

2. Визначення витрат палива, повітря та газів, що відпрацювали

Годинна витрата палива дизелем Вг, кг/год,

Вг = (2.1)

де

Вг = 0,211 кг/год

Кількість палива, поданого в циліндр за кожний цикл, кг/цикл,

(2.2)

= кг/цикл

Tеоретично необхідна кількість повітря для спалювання 1 кг палива:

; (2.2)

.

Кількість повітря необхідного для згоряння 1 кг пального,

=m_b^. L₀

де m_b = 28,95 — молекулярна маса повітря

= 28,95.0,5 = 14,475 (кг/кг),

Сумарний коефіцієнт надлишку повітря

? =

? = 1.9

Витрата повітря дизелем G_B, кг/с

G_B= (2.3)

G_B = = 4.86 кг/с

Кількість газів що відпрацювали Gг,

Gг (2.4)

Gг = кг/с

3. Визначення основних показників системи наддування

Тиск повітря Р_к перед впускними органами циліндра дизеля визначається з виразу для циклової подачі палива, Мпа,

P_k = (3.1)

де _v, T_k — приймаються з завдання, при цьому T_k= (t_k+273) K;

P_k = = 0,19 Мпа

Cумарний ступінь підвищення тиску повітря в агрегатах наддування

параметр тепловозний двигун потужність

_{к ?} = (3.2)

де. , — відповідно опір холодильника наддувального повітря і фільтра повітря на вході в агрегати наддування можна прийняти ==0,003 Мпа.

_{к ?}=

Для чотирьохтактного дизеля відповідно до значення застосовують двоступінчасте наддування.

Потужність споживана компресором N_k, кВт,

(3.4)

k — показник адіабати стиску k=1,4;

R — газова стала повітря, R=0,287 кДж/кгК;

T₀ — 293 К.

N_к = 4.86 0,287 ^. 293

ККД турбокомпресора

_тк=_ті^. _кад^. _{тм (}3.5)

де _ті, _кад, _{тм -} приймаються з завдання.

_тк = 0,75.0,79.0,96 = 0,57

Температура повітря T₁ після стиску на виході з 1-го ступеня, визначається за формулою, К

(3.6)

К Температура повітря T₂ після стиску на виході з 2 — го ступеня, визначається за формулою, К,

(3.7)

К.

Необхідне зниження температури повітря у холодильнику наддувального повітря:

Дt_x = T₂ — (273+t_k) (3.8)

Дt_x = 470 — 450 = 20 K.

4. Визначення основних параметрів робочого процесу ЛЕУ

Початковим завданням є визначення тисків і температур робочого тіла в циліндрі в характерних точках індикаторної діаграми і встановлення закономірностей зміни цих параметрів у проміжних точках. Індикаторна діаграма — залежність тисків у циліндрі Р від об'єму V або кута оберту кривошипа.

Характерними точками розрахункової індикаторної діаграми чотиритактного двигуна (рисунок 4.1) є:

а — початок стиснення робочого тіла;

с — кінець стиснення і початок згоряння;

z — кінець згорання і початок розширення;

b — кінець розширення робочого тіла,

Рисунок 4.1 — Розрахункова індикаторна діаграма чотирьохтактного двигуна у координатах P-V.

У чотирьохтактного двигуна точки, а і b відповідають найбільшому об'єму циліндра, який визначається положенням поршня в нижній мертвій точці (НМТ); точка с завжди відповідає найменшому об'єму циліндра і визначається положенням поршня у верхній мертвій точці для двигуна з поршнями, що зустрічно рухаються, (ЗРП) точка с відповідає об'ємній мертвій точці положення поршнів (в. о. м. т.).

Визначимо об'єми циліндра, що відповідають точкам а, b, з індикаторної діаграми.

Геометричний ступінь стиску є відношенням найбільшого об`єму циліндра до найменшого, тобто:

(4.1)

.

З виразу для визначаємо об'єм камери стиску V_c, м^3,V_c = (4.2)

V_c м³

Визначення геометричного та дійсного ступенів стиску справедливі як для чотирьохтактного, так і для двотактного двигунів. У чотирьохтактного двигуна звичайно впускний клапан також закривається із запізнюванням після НМТ. Про те при закритті впускного клапана в процесі стиснення, коли поршень рухається від НМТ до ВМТ, прохідний перетин швидко зменшується. Тому умовно приймають, що у чотирьохтактного двигуна початок процесу стиснення збігається з НМТ. Визначимо тепер об'єми циліндра, відповідні точкам, а і b, м³:

V_а = V_b = V_c+ V_h (4.3)

V_а = 0.0137+0.0011 =0,0148 м³.

При розрахунку робочого процесу використовують багато дослідних коефіцієнтів. Тому відповідність між дослідними і розрахунковими даними буде істотно залежати від вибору цих коефіцієнтів.

Тиск на початку стиснення Р_а, МПа Р_а = 0,171

Обрано за двигуном прототипом.

Коефіцієнт залишкових газів ?

? (4.4)

Температура робочого тіла на початку стиснення Т_а, К,

(4.5)

де Т_к — температура повітря перед впускними органами дизеля, К (Т_к=t_k+273).

= К.

За дослідними даними можна визначили Дt = 10 К

Коефіцієнтом наповнення називають відношення дійсної кількості повітря, що надходить у циліндр до початку стиснення, до тієї кількості, що могла б уміститися у робочому об'ємі V_h, (для чотирьохтактного двигуна), при параметрах повітря перед впускними органами — тиску Р_к і температурі Т_к. Коефіцієнт наповнення для чотиритактного двигуна визначається як:

(4.6)

де _v — дійсний ступінь стиску 12,5.

Тиск робочого тіла наприкінці стиснення:

(4.7)

де n₁ — середнє значення показника політропи стиску приймається:

n₁ =1,38.

МПа

Температура наприкінці стиснення:

(4.8)

К

За дослідними даними величина n₁ залежить від інтенсивності охолодження циліндра і його щільності: менше значення n₁ приймається при інтенсивному охолодженні і меншій щільності.

Параметри кінця згорання (точка z) характеризується тиском Р_z, і температурою Т_z, при цьому значенні Р_z приймається за двигуном — прототипом. Перед тим як визначити температуру Т _z, необхідно обчислити деякі характерні величини, що відносяться до процесу згорання.

Коефіцієнт молекулярної зміни при згорянні палива

₀ = (+) (4.9), 1,03

Дійсний коефіцієнт молекулярної зміни

(4.10)

Ступінь підвищення тиску при згорянні

(4.11)

МПа

Температура робочого тіла в кінці згоряння визначається із рівняння згоряння:

(4.12)

де — коефіцієнт ефективного виділення теплоти при згорянні пального до точки z =0,82;

с_pmz — середня молярна теплоємкість при постійному тиску

продуктів згоряння для температури T_z;

с_vmc — середня молярна теплоємкість повітря при постійному об'ємі визначена для температури Т_с.

(4.13)

mc_vmc = 20,38+209,510^-5Тс = 23,41 кДж/кг^. град (4.14)

mc_vmz = 21,45 + 1,885/б + (213,7 + 92,8/б_z) 10^-5 Т_с = 27,04 кДж/кг^. град (4.15)

Визначаємо величину D, що дорівнює

D = (4.16)

D =

Приймаємо перше наближення T_z1 = 1694 К

Тоді T_z = (4.17)

= 1692 K

¦ДT¦= ¦T_z — T_z1¦=15?25 К

Збіжність забезпечується, тому приймаємо T_z = 1695 К

Ступінь попереднього розширення

(4.18)

Тиск та температура робочого тіла в процесі розширення визначають з рівнянь:

Р_b = P_z/дⁿ² (4.20) Р_b = 12,5/11,36^1,26 = 0,58 МПа

T_b = T_z/д^n2-1 (4.19)

T_b = 1695/11,36^0.26 = 901 К

де n₂=1,26 — середній показник політропи розширення.

Розрахунковий середній індикаторний тиск визначимо, МПа

(4.22)

Дійсний середній індикаторний тиск P_i

P_i = ₍4.23)

P_i =0,9

— коефіцієнт повноти діаграм.

Індикаторна потужність двигуна кВт

(4.24)

кВт

Індикаторний ККД чотиритактного двигуна:

(4.2)

Питома індикаторна витрата палива:

(4.26)

кг/кВтгод

Ефективна потужність:

(4.27) кВт

Питома ефективна витрата палива:

(4.28)

кг/кВтгод

Ефективний ККД:

(4.29)

5. Побудова індикаторної діаграми робочого процесу леу

Індикаторну діаграму побудуємо в координатах тиск P — об'єм V (див. Рисунок 5.1). За віссю абсцис відкладаємо обчислені раніше об'єми відповідно до положення характерних точок індикаторної діаграми. Об'єми відкладаємо в масштабі 10 мм — 1^.10^-3 м³. За віссю ординат відкладаємо обчислені раніше тиски, що відповідають характерним точкам індикаторної діаграми (точки a,c,z,b). Тиск відкладаємо в масштабі 10 мм — 1,0 Мпа. На осях абсцис і ординат відповідно до обраних масштабів нанесемо числові шкали об'ємів і тисків. За значеннями об'ємів і тисків знаходимо положення характерних точок індикаторної діаграми.

Для двотактного двигуна процес газообміну зображують лінією b-r-a, при цьому умовно приймають, що P_r=P_a. Далі необхідно визначити координати проміжних точок політроп стиску a-c і розширення z-b. Для цього визначимо значення тисків P точок цих політроп при заданому поточному об'ємі V:

політропа стиску:

(5.1)

політропа розширення:

(5.2)

де V_a, V_z — об'єми, що відповідають точкам a та z;

n₁, n_{2 -} середні показники політроп стиску і розширення.

Задавши значення поточного об'єму V, визначимо із приведених співвідношень тиск Р.

При заданому куті повороту колінчастого вала поточний об'єм у м³, для двигуна з одним поршнем у циліндрі визначиться як,

(5.3)

де V_{c -} об'єм камери стиску, м³;

F_{п -} площа поперечного перетину циліндра, м²

(5.4)

D — діаметр циліндра, м;

S — переміщення поршня від в. м. т., м.

(5.5)

де R = S/2 — радіус кривошипа колінчастого вала, м.

За індикаторною діаграмою визначаємо середній індикаторний тиск P_i. З цією метою необхідно спочатку визначити площу F_i індикаторної діаграми, замкнуту між лініями розширення і стиску, тобто в контурі (a-c-z'-z-b-a). Площа F_i в масштабі пропорційна роботі газів за цикл L_i.

Для обчислення площі F_i ми заносимо нашу діаграму до програми «Компас V14», та за допомогою команд розрахунку площі, визначаємо площу нашої індикаторної діаграми.

F_i = 3335,656 022 мм²

Якщо на індикаторній діаграмі масштаб тисків відповідає розміру , то середній індикаторний тиск у Мпа,

(5.6)

1,59

Обчислене з індикаторної діаграми значення P_i близько до розрахункового, визначеного за формулою (4.23), що вказує на правильність побудови індикаторної діаграми.

6. Динамічний розрахунок шатунно-кривошипного механізму

Деталі шатунно-кривошипного механізму піддаються дії сил тиску газів усередині циліндра, сил інерції частин, що поступально і обертально рухаються, сил тертя на поверхнях відносного ковзання і сил опіру із боку споживача енергії.

Знання сил і моментів необхідно для розрахунку деталей на міцність, аналізу надійності і довговічності вузлів і деталей двигуна в експлуатації, оцінювання рівноваги двигуна, визначення можливості виникнення неприпустимих коливальних явищ та н.

При визначенні діючих сил і моментів доцільно знаходити їхні питомі значення, тобто віднесені до 1 м² площі поршня. Для визначення величини повної сили або моменту необхідно помножити питому силу або момент на площу поршня, виражену в м².

Сумарна питома сила, прикладена в центрі поршневого пальця, у Мпа визначається як алгебраїчна сума двох сил, тобто

(6.1)

де P_{г -} сила від тиску газів на поршень;

P_j - питома сила інерції мас, що поступально рухаються.

Позитивними будемо вважати сили, спрямовані від поршня до колінчастого вала.

Сила тиску газів P_г алгебраїчно складається з тиску газів на поршень з боку камери згоряння P і тиску із боку кривошипної камери P_o, тобто

(6.2)

Залежність зміни тиску газу в циліндрі P від кута повороту кривошипа задана індикаторною діаграмою.

Питомі сили інерції мас, що поступально рухаються, у МПа визначаємо за формулою:

(6.3)

де М_П - маса частин, що поступально рухаються;

F_П — площа поршня, м²;

j — прискорення поршня в залежності від кута (визначено раніше).

Маса М_П включає масу комплекту поршня М_П (поршень, вставка, палець, поршневі кільця та ін.) і частину маси шатуна, що бере участь у поступальному русі, тобто

(6.4)

Масу шатуна ділимо на дві частини. Одну з них М_шп вважаємо зосередженою на осі поршневого пальця і відносимо до частин, що рухаються поступально, а другу М_{шо -} на осі кривошипа і відносимо до обертових частин. Розподіл мас робимо за правилами розкладання рівнодіючої на дві рівнобіжні сили:

(6.5)

(6.6)

де L — довжина шатуна між центрами верхньої і нижньої головок;

l_{c -} відстань від центру ваги шатуна до центру кривошипної головки.

Для наближених розрахунків можна прийняти

Тоді величини в рівнянні (6.3):

площа поршня (D - діаметр циліндра, м);

Маса частин, що поступально рухаються

(6.7)

кг.

постійний множник

(6.8)

.

Залежності зміни сил P_г, P_j, і P від кута зображено на рисунку 6.2.

Силу Р розкладаємо на силу К, що діє уздовж осі шатуна, і силу — N, спрямовану нормально до осі циліндра. У свою чергу силу К, перенесену в центр шатунної шейки вала, розкладаємо на тангенційну силу Т, що діє перпендикулярно кривошипу, і нормальну силу Z, спрямовану за кривошипом. Одержуємо такі вирази для визначення питомих сил:

(6.9)

(6.10)

(6.11)

(6.12)

де .

Виконуючи розрахунки на ЕОМ таблицю питомих сил заповнюємо на основі результатів роздруковування. Далі будуємо залежності зміни сил N, K, T, Z від кута. Масштаби кутів і сил за осями координат приймаємо такі ж, як і при побудові сил P, P_г, P_j.

Характер зміни питомих сил N, K, T, Z у залежності від для двотактного двигуна показані на Рисунках 6.3, 6.4.

Тангенційна сила створює момент M=TRF_п на валі двигуна, який змінюється в залежності від кута повороту кривошипа. У багатоциліндровому двигуні відбувається підсумування моментів окремих циліндрів так, що повний момент витрачається на подолання моменту опору на фланці відбору потужності.

При роботі двох поршнів на одну шатунну шийку, їх тангенційні сили підсумовуються поміж собою, даючи відповідні сумарні сили.

Для отримання цих сумарних сил необхідно користуватися кривими зміни тангенційних сил, показаними для одного циліндру, вважаючи що цю діаграму можна також застосовувати для всіх інших циліндрів. Необхідно пам’ятати, що однойменні точки кривих для окремих циліндрів зміщені між собою на кут оберту колінчастого вала, рівний інтервалу між спалахами в цих циліндрах.

Побудуємо діаграму сумарних тангенційних сил, діючих на першу шатунну шийку 12-ціліндрового V-подібного двотактного двигуна порядок роботи циліндрів у якого 1л-1п-6л-6п-2л-2п-4л-4п-3л-3п-5л-5п.

Для отримання сумарних тангенційних сил двигуна можна користуватися тим же методом, який був прийнятий при визначенні сумарних сил від двох циліндрів, діючих на одну шийку вала. Проте в цьому випадку порядок спалахів к циліндрах не має значення, а важливий лише інтервал між спалахами, який дорівнює:

(6.13)

де — коефіцієнт тактності (1 чи 2);

i — кількість циліндрів двигуна.

⁰окв.

На Рисунку 7.5 показана побудована діаграма сумарних тангенційних сил для двотактного 12 — циліндрового двигуна (ji=30).

7 Перевірочний розрахунок поршня

Визначаємо площу поршня F_п, м²

м²

Таблиця 1.9 — Розрахунок розмірів шатуна

Визначаємо сили інерції від поршневого комплекту, які діють на верхню головку шатуна P_пmax

P_пmax =56*0.15** (1+0.24) =0.064, МН.

Визначаємо напруження розтягування _роз

_роз= =12,64МПа.

7,6?12,64.

Визначаємо напруження стиску _ст

МПа.

137?180.

Визначаємо питомий тиск на підшипник шатунної шийки K_п

МПа.

15,7?20.

Висновки

Допустима швидкість нагріву залежить від хімічного складу сплаву, його структури, конфігурації деталей і від інтервалу температур, в якому ведеться нагрів.

Витримка після нагріву до заданої температури повинна забезпечити крізне прогрівання деталей, завершення структурних і фазових перетворень. Тривалість витримки має бути мінімально необхідною (при зайвій витримці починається зростання зерна, сталь обезуглерожується, на поверхні з’являється окалина). Чим вище температура нагріву, тим менше має бути час витримки.

Швидкість охолодження регулюється середовищем, в якому відбувається охолодження. Так, при охолодженні деталей разом з піччю, швидкість охолодження складає 20−30 град/год. Швидкість охолодження у воді понад 300 град/с. При охолодженні на повітрі швидкість охолодження дещо вища, ніж при охолодженні з піччю.

Завдяки таким процесам досягаються підвищення міцності, твердості, зносостійкості і оброблюваності сплаву.

Термічна обробка з урахуванням фазових і структурних перетворень, що відбуваються в металах і сплавах при нагріві і охолодженні, ділиться на власне термічну, хіміко-термічну і термомеханічну обробку.

Список літератури

1. Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева, «Металловедение» М.: Машиностроение 2012 г.492с.

2. Гуляев А. П., «Металловедение». М.: Машиностроение, 1988 г.541с.

3.3олотов Г. П., Кондаков Е. А., «Оборудование термических цехов и лабораторий испытания металлов». М.: Машиностроение, 2010 г.336с.

4. Электротермическое оборудование: Справочник под редакцией А. П. Альтгаузена. М.: Энергия, 2009 г.416с.

5. Парфеновская Н. Г., Самоходский А. И. «Технология термической обработки металлов». Филлинов С. А., Фиргер И. А. «Справочник термиста». М.: Машиностроение, 2008 г.

7. Башнин Ю. А., Ушаков Б. К., Секей А. Г. «Технология термической обработки стали». М.: Металлургия, 2007.424с.