Chương 2 TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONGt 2.1. Khái quát Một trong những nhiệm vụ của nhân viên phục vụ ĐCĐT tàu quân sự là khai thác các chế độ làm việc của chúng, loại trừ quá tải, hư hỏng các chi tiết và mài mòn nhanh chóng. Trước tiên phân tích các điều kiện làm việc ở trên tàu và những trường hợp có thể làm cho ĐCĐT quá tải, cần thiết phải hiểu các khái niệm quá tải của động cơ. 2.1.1. Tải trọng của động cơ 1. Khái niệm Tải của động cơ được xác định bằng giá trị của mô men cản tại mặt bích xuất lực. ở chế độ làm việc ổn định của động cơ (n = const) mô men cản của máy tiêu thụ công bằng mô men xoắn của động cơ (M C = M e ), vì vậy mô men xoắn cũng như mô men cản là chỉ số trực tiếp của tải động cơ. Ví dụ: P e - áp suất có ích trung bình và - công có ích của khí trong xi lanh động cơ sau một chu trình. Thể hiện trong các phương trình (2.1) và (2.2): (2.1) (2.2) N e - Công suất có ích của động cơ, cv; M e - Mô men xoắn có ích của động cơ. Z - Số xi lanh; V h - Thể tích công tác của xi lanh, dm 3 ; A, A 1 - Các hệ số không đổi. 2. Các chỉ tiêu của tải Tải của động cơ được đặc trưng bằng những chỉ tiêu sau: a, Mô men có ích và áp suất có ích trung bình (M e , P e ): Đúng nhất là đánh giá tải của động cơ theo các chỉ tiêu chỉ thị (M i , P i ), bởi vì công chỉ thị thể hiện trực tiếp được sự chuyển hoá nhiệt năng trong động cơ, nó dùng để thắng các lực bên trong cũng như bên ngoài. Các chỉ tiêu có ích (M e , P e ) được sử dụng các như là các chỉ tiêu tải là vì, trong các điều kiện khai thác động cơ trên tàu chúng dễ dàng đo đạc được. Ta hãy xem xét các chỉ tiêu khác của tải động cơ. b, Công suất có ích (N e ): Công suất có ích động cơ (N e ): là chỉ tiêu trực tiếp của tải trong điều kiện n = const, suy ra từ phương trình: N e = (2.3) c, Tiêu hao nhiên liệu cho chu trình và tiêu hao nhiên liệu giờ ( , ) Các chỉ tiêu gần đúng của tải là tiêu hao nhiên liệu cho chu trình và tiêu hao nhiên liệu giờ. N e = (2.4) N e = (2.5) Đặt vào phương trình mô men xoắn: ( 2.6) Liên kết các thành phần không đổi bằng các hệ số A 3 và A 4 , ta nhận được: M e = A 3 . .η e (2.7) (khi n đc = const) (2.8) Trong trường hợp đánh giá tải động cơ theo tiêu hao nhiên liệu nên xét đến sự thay đổi của hiệu suất có ích. Việc tải phụ thuộc vào tiêu hao nhiên liệu dùng để tìm công suất của động cơ trong các điều kiện khai thác của tàu quân sự. Việc xác định được tiến hành theo bảng thành lập theo công thức: N e = f( , n đc ) d, Áp suất cháy cực đại (P Z ): Áp suất cháy cực đại (P Z ) cũng là chỉ số gián tiếp và gần đúng của tải, bởi vì khi tải của động cơ tăng thì lượng cấp nhiên liệu cho chu trình tăng và áp suất cháy cực đại tăng. Khi nói về áp suất cháy cực đại giống như chỉ số gián tiếp của tải, cần phải lưu ý P Z còn phụ thuộc cả vào áp suất tăng áp, vào góc phun sớm nhiên liệu, các điều kiện ngoại cảnh và các yếu tố khác. Khi khai thác động cơ, giá trị P Z dùng để phân tích chất lượng trạng thái cân bằng đồng đều tải của các xylanh và của động cơ nói chung. e, Nhiệt độ khí xả của các xylanh và trong ống góp khí xả: Nhiệt độ khí xả của các xylanh và trong ống góp khí xả cũng là chỉ tiêu gián tiếp của tải động cơ, bởi vì nhiệt độ của tải sẽ thay đổi theo hướng thay đổi của tải. Mặt khác cũng giống như áp suất cháy cực đại thì nhiệt độ của khí thải cũng phụ thuộc vào góc phun sớm nhiên liệu, vào chế độ làm mát và vào một số yếu tố khác. Giá trị nhiệt độ của khí thải dùng để đánh giá chất lượng tải của các xylanh và của động cơ nói chung. Trong thời gian động cơ làm việc kết quả cháy nhiên liệu theo quá trình công tác và truyền mômen xoắn cho máy tiêu công, trong các chi tiết xuất hiện các ứng suất nhiệt và cơ khí; các chỉ tiêu của ứng suất nhiệt và ứng suất cơ khí dùng để xác định độ bền và tuổi thọ của các chi tiết. 2.1.2. ứng suất cơ khí ứng suất cơ khí của động cơ được đặc trưng bởi giá trị và đặc tính thay đổi của các ứng suất cơ khí, sự biến dạng và các áp suất riêng xuất hiện trong các chi tiết và ổ đỡ khí động cơ mang tải. Các ứng suất cơ khí, biến dạng và áp suất riêng được xác định bằng các giá trị và tính chất thay đổi của các lực tác dụng trong các chi tiết của động cơ trong thời gian động cơ làm việc. Khả năng làm việc của động cơ, các điều kiện bôi trơn và mài mòn, khẳ năng xuất hiện các ứng suất mỏi và những hư hỏng trong các chi tiết, cơ cấu dẫn động và trong các ổ đỡ đều phụ thuộc vào mức độ của cường độ cơ khí. Mức độ công tác theo cường độ cơ khí của động cơ thường được đảm bảo bằng hệ số dự trữ sức bền cao, mặt khác trong một số động cơ cường hoá có một số chi tiết hiện nay cường độ cơ khí của chúng đạt gần đến giới hạn. Nếu dưới sự ảnh hưởng của bất kỳ một yếu tố nào làm cho sự tác dụng của các lực hoặc thay đổi tính chất thì có thể dẫn đến làm hư hỏng các chi tiết, hư hỏng động cơ. Điều đó có thể chứng minh qua một số trường hợp hư hỏng của động cơ do gãy thanh truyền, trục khuỷu, nứt các chi tiết cố định và trong các chi tiết khác. 2.1.3. ứng suất nhiệt Nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sản ra trong xi lanh động cơ chuyển một phần thành công chỉ thị, phần còn lại thải cùng với khí thải ra ngoài môi trường và truyền cho nước làm mát. Các sản vật cháy tiếp xúc với chi tiết của động cơ nung nóng chúng đến nhiệt độ cao có thể làm phân giải và đốt cháy dầu bôi trơn trên các bề mặt của pít tông, xéc măng và mặt gương của xi lanh. Kết quả sẽ phá huỷ sự bôi trơn của các chi tiết kể trên, tăng nhanh độ mài mòn thậm chí làm kẹt pít tông. Kết quả của việc nung nóng còn làm giảm độ bền cơ khí của các vật liệu chi tiết. Để giữ nhiệt độ các chi tiết trong giới hạn tiêu chuẩn đảm bảo việc bôi trơn bền vững và để đảm bảo độ bền cơ khí cần thiết của các chi tiết động cơ cần phải làm mát chúng. Kết quả làm mát trong các chi tiết bị nung nóng do nhiên liệu cháy là có sự giáng nhiệt độ và xuất hiện các ứng suất nhiệt. Để đánh giá độ bền vững khai thác của các chi tiết diêzen nằm trong vùng trao đổi nhiệt mạnh, và có nhiệt độ cao, dựa vào hai tiêu chuẩn: Nhiệt độ và gradiên nhiệt giữa bề mặt nung nóng và bề mặt làm mát của các chi tiết. Các tiêu chuẩn này quy ước trạng thái nhiệt của các chi tiết. Trong tài liệu ĐCĐT, tiêu chuẩn cường độ toả nhiệt được sử dụng rộng rãi, đôi khi còn gọi là tải trọng nhiệt lên các chi tiết của động cơ, giống như là dòng nhiệt đi qua bề mặt của các chi tiết trong một đơn vị thời gian. Kcal/m 2 h (2.8) Q - Dòng nhiệt đi qua bề mặt chi tiết, Kcal/h; F - Bề mặt chi tiết, m 2 . Dòng nhiệt có thể cho phép đánh giá được nhiệt độ của bề mặt. Mặt khác bản thân của dòng nhiệt không thể đánh giá được trạng thái nhiệt, các ứng suất nhiệt và các yếu tố khác quy ước độ bền và khả năng làm việc của các chi tiết. Độ bền, khả năng làm việc và tuổi thọ trong các điều kiện thay đổi chế độ nhiệt độ của diêzen chỉ có thể được đặc trưng bằng một tập hợp các chỉ tiêu: 1. Nhiệt độ trong các vùng đặc trưng của các chi tiết T i hoặc các thông số không thứ nguyên tạo bởi tỷ số của các nhiệt độ này với nhiệt độ giới hạn cho phép trong vùng cho trước, 2. Các ứng xuất nhiệt δ Ti do các chênh lệch nhiệt độ, là tổng đại số với các ứng suất do tải trọng cơ khí, hoặc các thông số không thứ nguyên tạo bởi các thông số của các ứng suất này với ứng suất giới hạn. 3. Giá trị của các khe hở trong các chi tiết liên kết của động cơ hoặc các thông số không thứ nguyên tạo bởi tỉ số của các khe hở này với giới hạn cho phép. 2.2. Cường độ cơ khí và các chỉ tiêu của ứng suất cơ khí trong các chi tiết động cơ ứng suất cơ khí của động được đặc trưng bằng ứng suất biến dạng và áp suất riêng xuất hiện trong các chi tiết khi động cơ mang tải. Do trực tiếp các ứng suất hoặc các chi tiêu trực tiếp của cường độ cơ khí động cơ rất khó phân tích, vì vậy để đánh giá chúng ở các tải khác nhau trong điều kiện khai thác có thể sử dụng các chỉ tiêu gián tiếp, dựa vào đó có thể dự đoán về sự thay đổi đạt đến giới hạn nguy hiểm của các ứng suất cơ khí. Để xác lập các chỉ tiêu gián tiếp ta xem các lực tác dụng lên các chi tiết cơ bản của động cơ trong thời gian hoạt động. 2.2.1. Cường độ cơ khí của các chi tiết cố định Các chi tiết cố định của động cơ trong thời gian làm việc chịu các lực tác dụng của áp suất khí thể trong xi lanh. Lực cực đại tác dụng lên chi tiết cố định được xác định bằng giá trị áp suất cháy cực đại (áp suất cực đại của chu trình) P Z , là chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí của chi tiết cố định. Ngoài lực P Z ra còn có tác dụng của lực xiết ban đầu lên các chi tiết lắp ghép của chi tiết cố định, các liên kết neo, nắp xi lanh và các gu jông lực. Hệ số dự trữ sức bền của các chi tiết này sẽ tỉ lệ nghịch với P Z . Để không nguy hiểm cho các chi tiết lắp ráp chi tiết cố định, việc xiết chúng phải thực hiện hết sức chính xác theo tài liệu hướng dẫn với sử dụng cần xiết có đồng hồ đo lực đặc biệt, các kích thuỷ lực hoặc bằng cách kiểm tra độ giãn dài của các gu jông. Ngoài các tải trọng lắp ráp thông thường, trong các chi tiết có thể xuất hiện các ứng lực phụ do sự sai sót cho phép trong khi lắp ráp. Đặc biệt nguy hiểm là bề mặt đai ốc không vuông góc với tấm gu jông hoặc đến bề mặt tựa, làm xuất hiện thêm các ứng suất ứng phụ. Các ứng suất phụ trong các chi tiết cố định, trong liên kết neo và nắp xi lanh có thể xuất hiện cả trong chấn động của các chi tiết này hoặc khi biến dạng của vỏ tàu. 2.2.2. Cường độ cơ khí của cơ cấu tay quay thanh truyền Cơ cấu quay thanh truyền của động cơ chịu tác dụng của các tải trọng có chu kỳ biến đổi, và do đó việc phá huỷ các chi tiết mang đặc tính mệt mỏi. Các trị ứng suất mệt mỏi trong các chi tiết phu thuộc vào biên độ lực tác dụng lên các chi tiết chuyển động. Để xác định chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí cơ cấu tay quay thanh truyền cần thiết phải xét các lực tác dụng lên chi tiết của nó và sự ảnh hưởng của tải và chế độ làm việc của động cơ đến đặc tính thay đổi theo chu kỳ của các lực. Lực động P tác dụng lên các chi tiết chuyển động là tổng các lực: P = P kc + P j + P 0 + P ms + P p (2.12) P kc - Áp suất khí cháy; P j - Lực quán tính của các khối lượng chuyển động pít tông và thanh truyền; P 0 - Lực áp suất khí quyển tác động lên pít tông; P ms - Lực ma sát; P p - Lực của khối lượng pít tông. Các lực P 0 , P ms , P p có thể bỏ qua vì giá trị thực tế và sự phụ thuộc của chúng vào chế độ làm việc của động cơ ít. Như vậy, với mức độ chính xác tương đối có thể xác định P theo phương trình: P = P kc + P j (2.13) Ngoài ra trên các chi tiết chuyển động còn có tác dụng của các lực quán tính ly tâm của các khối lượng quay thanh truyền và trục khuỷu, cả các lực xuất hiện trong các dao động xoắn của trục khuỷu. Mặt khác sự thay đổi của cường độ cơ khí các chi tiết tay quay thanh truyền trong khi khai thác động cơ chủ yếu phụ thuộc vào lực áp suất khí cháy và lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến. Ta xét đồ thị thay đổi của các lực này trong một chu kỳ của động cơ diêzen hai kỳ và bốn kỳ. Trên hình 2.1 biểu diễn các đồ thị thay đổi của các lực tác dụng trong một chu kỳ lên pít tông của cơ cấu quay tay thanh truyên động cơ. Các đồ thị cho phép xác định biên độ của lực động P. Từ các đồ thị ta có: - Đối với động cơ bốn kỳ: (2.14) - Đối với động cơ hai kỳ: (2.15) Độ dự trữ bền trong má trục khuỷu (tay quay) theo các ứng suất pháp tuyến được xác định bằng phương trình: (2.16) σ a - biên độ các ứng suất pháp tuyến; σ -1 - giới hạn mỏi các ứng suất pháp tuyến; K σ - hệ số tập trung của các ứng suất pháp tuyến; ε σ - hệ số ảnh hưởng của các kích thước tuyệt đối. Do biên độ của các ứng suất pháp tuyến tỷ lệ với biên độ của lực động, công thức cho độ dự trữ bền có dạng: - Đối với động cơ bốn kỳ: P kc P j P mi n P 2π 3ππ 0 P max P 2ππ P max P mi n 0 P j P kc P a) b) Hình 2.1. Sự thay đổi các lực tác dụng lên pít tông trong quá trình công tác của chu kỳ (2.17) - Đối với động cơ hai kỳ: (2.18) a - hệ số tính đến các số hạng không đổi; Z - số xylanh của động cơ. Lực tiếp tuyến tổng t Σ là hàm số chu kỳ của góc quay của trục. Chu kỳ thay đổi của lực này đối với động cơ bốn kỳ bằng , động cơ hai kỳ bằng . Tính chất thay đổi của lực tiếp tuyến tổng t Σ quy định biên độ của các ứng suất tiếp tuyến. Sự thay đổi lực t Σ về giá trị thể hiện sự không đồng đều của mômen xoắn, là nguyên nhân gây ra dao động xoắn của trục khuỷu. Trên hình 2.2 biểu diễn sự thay đổi của lực tiếp tuyến trong một chu kỳ. Như trên hình vẽ: (2.19) (2.20) Từ tính toán và các kinh nghiệm cho thấy rằng: (2.21) K i - hệ số phụ thuộc vào số xylanh và số kỳ của động cơ. Như vậy, biên độ của các lực tiếp tuyến và suy ra ứng suất tiếp cũng tỷ lệ với áp suất cháy cực đại P Z . Độ dự trữ bền cho các ứng suất tiếp tuyến: t Σmin t Σmax t Σtb t Σ Hình 2.2. Sự thay đổi của lực tiếp tuyến tổng + - - (2.22) τ -1 - Giới hạn mỏi khi xoắn đối với chu kỳ đối xứng; τ a - Biên độ của các ứng suất tiếp; K τ - Hệ số tập trung ứng suất tiếp; ε τ - Hệ số ảnh hưởng của các kích thước tuyệt đối. Độ dự trữ bền theo ứng suất tiếp của trục khuỷu cũng sẽ tỷ lệ nghịch với áp suất cháy cực đại P Z . (2.23) b - Hệ số tính đến các giá trị không đổi. Có thể rút ra kết luận là giá trị áp suất cháy cực đại P Z là chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí của các chi tiết nhóm tay quay thanh truyền và cả động cơ nói chung. Không cho phép tăng P Z cao hơn giá trị quy định. Đối với đa số các chế độ làm việc của động cơ điều này đảm bảo cho động cơ khỏi quá tải về ứng suất cơ khí. Việc sử dụng thuận tiện áp suất cháy cực đại với tính chất là chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí là vì trong điều kiện tàu quân sự có thể xác định bằng đo đạc một cách dễ dàng nhờ đồng hồ đo áp suất cực đại và máy đo công cơ khí. Khi phân tích cường độ cơ khí không những chỉ xét giá trị tuyệt đối của áp suất cháy cực đại mà còn xét đến tính chất động học của nó. Tính chất động học của P z được đặc trưng bằng tốc độ tăng áp suất (độ cứng làm việc của động cơ) ∆P/∆α và mức độ tăng áp suất. Các động cơ tàu quân sự được thiết kế sao cho bảo đảm được sự làm việc mềm, do đó chúng được sử dụng nhiên liệu động cơ có chất lượng cao, đặc biệt là lựa chọn góc phun sớm nhiên liệu ϕ s tối ưu. Nếu do tác dụng của bất kỳ một yếu tố nào, tốc độ tăng áp suất vượt quá các giá trị cho phép thì ảnh hưởng trước hết đến độ bền của các ổ đỡ cơ cấu tay quay thanh truyền. Nguyên nhân hư hỏng của động cơ có thể do việc tăng cường độ cơ khí do việc tăng rất lớn lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và quay P j và P R , giá trị của chúng được xác định bằng các phương trình: [...]... MJR 2( cosα + λcos2α) (2. 24) PR = MRR 2 (2. 25) Trong đó: MJ , MR - Khối lượng của những chi tiết chuyển động thẳng và chuyển động quay; R - Bán kính quay; ω - Tốc độ góc quay của trục khuỷu; λ - Tỷ số bán kính tay quay với chiều dài thanh truyền; α - Góc quay của trục khuỷu Rõ ràng từ các công thức (2. 24), (2. 25), giá trị lực quán tính các chi tiết của cơ cấu tay quay thanh truyền của một động cơ cụ... đổi của các chỉ tiêu gián tiếp kể trên 2. 2.4 Sự quá tải về mặt cơ khí của động cơ Việc quá tải về phương diện ứng suất cơ khí làm giảm độ bền và tuổi thọ của động cơ Sự phức tạp của vấn đề này lừ ở chỗ, việc quá tải về phương diện cơ khí trong rất nhiều trường hợp có thể không xuất hiện tức thời mà trải qua một khoảng thời gian Điều đó đòi hỏi nhân viên phục vụ động cơ phải hiểu biết bản chất vật lý của. .. tra tải của động cơ theo các chỉ tiêu gián tiếp của cường độ cơ khí, trong đó theo áp suất cháy cực đại Pz có thể đo được trên tàu bằng các thiết bị đồng hồ đo áp suất cực đại hoặc máy đo công chỉ thị Việc kiểm tra áp suất cháy cực đại đặc biệt quan trọng ở các tải của động cơ gần với tải toàn bộ 2. 3 Trạng thái nhiệt và các chỉ tiêu gián tiếp của trạng thái nhiệt trong động cơ Trạng thái nhiệt của. .. bằng giá trị tốc độ góc của trục khuỷu Các lực quán tính của các khối lượng chuyển động thẳng của động cơ hai kỳ làm giảm biên độ của lực động, còn ở động cơ bốn kỳ thì ngược lại Nên ở các điều kiện như nhau, động cơ bốn kỳ có tải trọng cơ khí lớn hơn Các ứng suất cơ do các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và quay có thể vượt quá các giá trị cực đại cho phép, và thậm chí dẫn đến hư... cháy cực đại Pz; - Tốc độ tăng áp suất (độ cứng làm việc của động cơ) : ; - Tốc độ góc ω hay số vòng quay của trục khuỷu n đc; - Mức độ dao động xoắn và chấn động của trục Động cơ có thể hư hỏng do việc tăng lâu dài một trong những chỉ số trên hoặc do kết quả xuất hiện vùng cộng hưởng của các dao động xoắn Khi phân tích sự thay đổi ứng suất cơ khí của động cơ do tác dụng của các yếu tố khai thác bất kỳ,... bị dẫn hướng và cánh của máy nén, và cả các miệng phun và cánh của tua bin khí; - Sử dụng động cơ khi có xy lanh không làm việc, bầu làm mát khí trung gian và máy tăng áp hỏng 2 Những hậu quả của sự quá tải nhiệt động cơ Hậu quả của việc quá tải nhiệt của động cơ là không tránh khỏi sự hư hỏng trước thời hạn Quá trình phá vỡ sự làm việc của động cơ diễn ra như sau: - Việc tăng nhiệt độ của pít tông... các hiện tượng và thấy trước sự nguy hiểm của chúng hoặc các trường hợp quá tải cơ khí khác Việc quá tải có thể dẫn đến làm tăng nhanh chóng cường độ hư hỏng các chi tiết và nhanh chóng phá huỷ động cơ, nếu như các ứng suất cơ khí trong một số chi tiết vượt quá giới hạn bền hoặc áp suất riêng trong các ổ đỡ trở nên lớn hơn khả năng chịu đựng của chúng Việc quá tải động cơ về mặt ứng suất cơ khí có thể... kinh nghiệm nhận được trên cơ sở các thực nghiệm trên động cơ Kcal/m2h.độ , (2. 27) a,b - Các hệ số lựa chọn qua thực nghiệm; Pkh - Áp suất của khí trong xi lanh; Tkh - Nhiệt độ của khí trong xi lanh; Cm - Tốc độ trung bình của pít tông , Kcal/m2h.độ , (2. 28) Kcal/m2h.độ (2. 29) n1, n2 - Các hệ số xác định bằng thực nghiệm; γkh - Khối lượng riêng của khí trong xi lanh 4 Sự truyền nhiệt qua vách xi lanh Nhiệt... xy lanh phụ thuộc vào áp suất cục bộ của hơi nước trong không khí nạp vào xy lanh động cơ, hơi nước tạo ra trong khi đốt cháy nhiên liệu (cứ 1kg nhiên liệu đốt cháy, trung bình tạo ra gần 1, 7g hơi nước) và vào áp suất cục bộ bão hoà hơi tương ứng với nhiệt độ trên bề mặt lót xy lanh Trong thời gian của quá trình nén không khí nạp, cháy và giãn nở của sản vật cháy, áp suất cục bộ của hơi nước tăng... nhiên liệu về phía tăng đột ngột áp suất cháy cực đại và làm tăng độ cứng làm việc của động cơ ở các tải gần với toàn tải, các ứng suất cơ khí có thể vượt quá các giới hạn cực đại cho phép - Khi có sự ảnh hưởng của các điều kiện bên ngoài có liên quan đến việc giảm tương đối lớn nhiệt độ không khí ở cửa nạp của động cơ Việc tăng áp suất cháy cực đại và độ cứng làm việc trong trường hợp này cần phải được . các ứng suất nhiệt và cơ khí; các chỉ tiêu của ứng suất nhiệt và ứng suất cơ khí dùng để xác định độ bền và tuổi thọ của các chi tiết. 2. 1 .2. ứng suất cơ. số của các khe hở này với giới hạn cho phép. 2. 2. Cường độ cơ khí và các chỉ tiêu của ứng suất cơ khí trong các chi tiết động cơ ứng suất cơ khí của động