Общие понятия о крутильных колебаниях коленчатого вала дизеля. Антивибраторы

/ Литература / Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт / Общие понятия о крутильных колебаниях коленчатого вала дизеля. Антивибраторы

26. Общие понятия о крутильных колебаниях коленчатого вала дизеля. Антивибраторы

Чтобы ответить на вопрос, что такое крутильные колебания вала дизеля, представим себе стальной стержень, один конец которого жестко закреплен, а на другом находится маховик. Стержень возле маховика опирается на подшипник. Если к маховику приложить вращающий момент, то благодаря упругой деформации скручивания стержня маховик повернется на некоторый угол ф (рис. 66, а). Если отпустить маховик, произойдет упругое его раскручивание. Маховик, обладая некоторой массой и моментом инерции, начнет колебаться. Частота колебаний (число колебаний в секунду) маховика будет зависеть от массы, от распределения массы в зависимости от удаления ее от центра вращения, от жесткости стержня при кручении. Колебательная система — маховик — стержень, обладая определенными моментом инерции и жесткостью, будет иметь вполне определенную частоту колебаний (собственную частоту колебаний). Такие колебания системы, вызванные единичным приложением вращающего момента, называют свободными или собственными крутильными колебаниями. Если к системе (к стержню и маховику) не прикладывать повторно вращающий момент, то колебания бу дут постепенно затухать и маховик наконец остановится, заняв первоначальное свое положение в состоянии покоя. Затухание колебаний происходит вследствие трения стержня в подшипнике, маховика о воздух, а также из-за внутримолекулярного трения в стержне. При колебаниях маховик поворачивается относительно своего первоначального положения на некоторый угол ф в ту и другую сторону и при затухающих колебаниях этот угол будет непрерывно уменьшаться. Отклонение маховика от первоначального положения называют амплитудой колебаний. При затухании колебаний независимо от уменьшения амплитуды частота колебаний остается постоянной. Очевидно, что для поддержания колебаний маховика нужно периодически прикладывать к нему внешний (возмущающий) момент.

Крутильные колебания, возникающие под влиянием внешних сил, называются вынужденными. Частота вынужденных колебаний равна частоте приложения возмущающих сил. Если частота вынужденных крутильных колебаний совпадает с частотой собственных, то возникает явление резонанса. При этом амплитуда колебаний будет возрастать до максимального размера, что может привести систему к разрушению. Рассмотренная выше система стержень—маховик имеет только одну частоту собственных колебаний и называется простой одномассовой системой. Если на длинном валу закрепить через определенные промежутки несколько маховиков и повернуть их на некоторый угол, закрутив тем самым участки вала между маховиками, а затем отпустить, то получим сложные крутильные колебания такой уп-

26. Общие понятия о крутильных колебаниях коленчатого вала дизеля. Антивибраторы

Рис 66. Одномассовая (а) и многомассовая (б) системы крутильных колебанийругой многомассовой системы. Система будет иметь не одну частоту собственных колебаний, а несколько (на единицу меньше числа закрепленных маховиков).

Коленчатый вал дизеля можно также представить себе состоящим из упругих участков, между которыми закреплены массы, представляющие собой кривошипы с присоединенными к ним шатунами и поршнями. К этой системе добавляется также вращающаяся масса якоря генератора, присоединенного к коленчатому валу через дизель-генераторную муфту.

Во время работы дизеля на коленчатый вал действуют усилия от давления газов на поршни и инерционные усилия от движущихся частей. Воздействия эти регулярно повторяются в определенной последовательности и с частотой, пропорциональной частоте вращения коленчатого вала. Благодаря переменному характеру приложения вращающего момента массы, закрепленные на валу, будут совершать крутильные колебания, при которых происходит периодическое закручивание и раскручивание упругих участков вала. Крутильные колебания накладываются на установившееся вращение вала. Так как коленчатый вал дизеля имеет несколько вращающихся масс, то он имеет и несколько собственных частот крутильных колебаний. Например, коленчатый вал дизеля ПД1М, несущий шесть цилиндровых масс и массу генератора, имеет шесть собственных частот колебаний 5100, 13 700, 22 000 кол/мин и т. д. При работе дизеля частота изменения возмущающих сил — сил инерции и сил от давления газов — пропорциональна частоте вращения вала. Частоту возмущающей силы, равную частоте вращения вала дизеля (яд), называют основной частотой, или 1-й гармоникой. Возмущаю щие силы в дизелях обычно состоят из нескольких гармоник. Если частота какой-либо гармонической составляющей совпадает с одной из собственных частот валопровода, то наступает резонанс. Частота вращения вала, при которой возникает резонанс, называется критической. Работа дизеля при критической частоте недопустима, так как при этом наблюдается тряска его, быстрый износ и разрушение подшипников, а иногда поломка коленчатого вала и других деталей.

Чтобы предотвратить эти явления, изменяют размеры вала, маховые массы, расположение их, увеличивают жесткость вала, уменьшают массу поршневой группы, с тем чтобы рабочий диапазон вращения вала удалить от критической частоты. Однако часто бывает и этого недостаточно, тогда для гашения резонансных крутильных колебаний применяют демпферы (гасители) или маятниковые антивибраторы. Устанавливают их обычно на конце вала.

Демпферы создают сопротивления крутильным колебаниям и гасят их энергию и при резонансных частотах снижают амплитуду углов поворота масс. Антивибраторы изменяют частоты собственных колебаний вала так, чтобы они не совпадали с гармоническими составляющими возбуждающих моментов. Поясним работу маятникового антивибратора на простой схеме, показанной на рис. 67, а, б, в.

Прохождение груза из одного крайнего положения в другое, а затем возвращение его в первоначальное крайнее положение называется полным колебанием, а время прохождения грузов указанного расстояния — периодом колебания. На схеме (см. рнс. 67, а) груз А подвешен на стержне и при приложении силы совершает свободные колебания с определенной

26. Общие понятия о крутильных колебаниях коленчатого вала дизеля. Антивибраторы

угловой амплитудой, максимальное значение которой составляет фь Подвесив к системе дополнительный груз Б (см. рис. 67, б) и приложив ту же силу, что и в первом случае, мы заметим, что амплитуда колебаний грузов будет меньше, о чем можно судить по углу ф2, и частота свободных колебаний будет другой чем частота колебаний груза А.

На этом принципе устроены и тепловозные антивибраторы маятникового типа. К диску / вала по периметру подвешиваются с ограниченной подвижностью дополнительные грузы 3 (см. рис. 67, в), положение которых при вращении вала определяет частоту и амплитуду свободных колебаний вала. При равномерном вращении вала (ускорение е = 0) грузы 3 остаются в среднем положении. Если по какой-либо причине частота вращения вала начинает возрастать (е>0), приближаясь к критической, грузы 3 в силу своей инерционности будут сохранять первоначальную частоту вращения, отклоняясь назад и препятствуя закручиванию вала. При этом изменяется частота собственных его колебаний. Таким образом, колебательная система в резонанс не войдет вследствие изменения частоты собственных колебаний. И, наоборот, при уменьшении

26. Общие понятия о крутильных колебаниях коленчатого вала дизеля. Антивибраторы

Рис. 68. Антивибратор:

/ - ступица; 2 груш; 3 - втулка; 4 — планка; "> пяльцычастоты вращения (е<0) грузы 8, сохраняя свою первоначальную частоту вращения, сместятся вперед, закручивая вал и предупреждая совпадение вынужденной частоты с собственной.

Антивибраторы. Для борьбы с крутильными колебаниями коленчатых валов дизелей используют динамические маятниковые антивибраторы (у дизелей типа 1 ОД 100), демпферы вязкого трения (у некоторых дизелей типа Д49) либо комбинированные антивибраторы (у дизелей 2А-5Д49), представляющие собой комбинацию маятникового антивибратора с гасителем вязкого трения. На рис. 68 представлена конструкция антивибратора дизеля 10Д100. Стальная ступица 1, напрессованная на коленчатый вал дизеля, имеет во всех трех дисках по периметру отверстия с запрессованными втулками 3, в которые вставлены с зазором пальцы 5 (16 шт.). Пальцы в осевом направлении застопорены планками 4. На пальцах в два ряда подвешены также с зазором восемь одинаковых сегментообразных грузов 2.

Комплект пальцев антивибратора состоит из четырех их типов, отличающихся только наружным диаметром. Диаметр пальцев определяет настройку антивибратора на определенный порядок (гармонику) относительно собственной частоты крутильных колебаний коленчатых валов дизеля. Число пальцев каждого типа (одной настройки)— 4 шт. Для обеспечения правильной установки пальцев в отверстия ступицы на наружной цилиндрической поверхности крайних дисков ступицы А и Б против каждого отверстия выбиты цифры, соответствующие номеру (типу) того пальца, который должен стоять в этом отверстии. На торцах пальцев также выбиты соответствующие цифры. Крутильные колебания коленчатого вала вызывают колебания грузов 2 в пределах зазоров между пальцами и втулками, что приводит к изменению собственной частоты колебаний коленчатого вала и предупреждает совпадение собственных и вынужденных частот.

Рассмотрим случай, когда коленчатый вал вращается с частотой вра щения ниже или выше критической. Тогда грузы под действием центробежных сил переместятся от центра в крайнее положение в пределах зазора между пальцами 5 и отверстиями, но как только коленчатый вал начнет работать на критической частоте вращения, например при 550 об/мин, то одна пара грузов, рассчитанная для гашения этих резонансных колебаний, придет в действие, а именно: при увеличении частоты вращения коленчатого вала грузы в силу инерции будут стремиться сохранить прежнюю частоту вращения, а следовательно, отставать на некоторый угол и препятствовать закручиванию вала. При уменьшении частоты вращения вала, наоборот, частота вращения грузов будет опережать частоту его вращения, а следовательно, препятствовать закручиванию вала в другую сторону.

В эксплуатации вследствие каких-либо нарушений крутильные колебания могут возникать и в рабочем диапазоне частоты вращения. Появление крутильных колебаний можно обнаружить, изменяя частоту вращения вала дизеля. При приближении к критической частоте увеличивается шум в дизеле, отмечается неустойчивая его работа. Крутильные колебания будут проявляться только на определенной частоте вращения; при увеличении или уменьшении частоты они прекращаются.

Значительное усиление крутильных колебаний может произойти при увеличении подачи топлива в один или несколько цилиндров. Крутильные колебания валов на дизелях 1 ОД 100 в эксплуатации могут возникать при большом износе валиков антивибратора, нарушениях в сборке антивибратора, при заклинивании его грузов.

Маятниковый антивибратор дизеля 2А-5Д49 принципиально устроен одинаково с антивибратором дизеля 1 ОД 100. Его ступица имеет два диска, между которыми на пальцах подвешены с зазором в соединении шесть грузов, четыре из которых настроены на одну частоту, а два других — на другую.

Антивибратор (демпфер) вязкого трения (см. рис. 58, поз. /) состоит из корпуса, заполненного вязкой силиконовой жидкостью (жидким каучуком). Внутри корпуса размещен маховик, направляемый двумя боковыми кольцами. Действие демпфера основано на поглощении энергии колебаний за счет трения между инерционной массой и вязкой жидкостью. Когда коленчатый вал дизеля вращается равномерно, то маховик за счет сил трения между ним и жидкостью также будет вращаться с равномерной скоростью. Если возникают крутильные колебания на валу дизеля, то благодаря наличию вязкого трения энергия колебаний будет поглощаться.

Комбинированный антивибратор состоит из маятникового антивибратора и демпфера вязкого трения, присоединенных друг к другу.

Комбинированные антивибраторы снижают напряжение от крутильных колебаний в 1,5 раза по сравнению с силиконовыми демпферами.

На коленчатых валах дизелей ПД1М антивибраторы не применяют, поскольку критическая частота вращения находится вне зоны рабочей частоты вращения коленчатого вала. Это достигнуто благодаря применению алюминиевых поршней вместо чугунных и увеличению жесткости коленчатого вала.

Предыдущая глава Оглавление Следующая глава