Коленчатый вал и антивибратор

На коленчатый вал действуют силы давления газов, силы инерции поступательно и вращательно движущихся масс и усилия, возникающие вследствие крутильных колебаний. Чтобы удовлетворить повышенные требования, предъявляемые к надежности и долговечности коленчатого вала, выбирают наиболее рациональную его конструкцию и соответствующий материал, применяют химико-термическую обработку и поверхностное упрочнение.

Коленчатый вал большинства тепловозных дизелей и дизель-генераторов типа Д49 отлит из высокопрочного чугуна с глобулярным графитом. Для стабилизации размеров при химико-термической обработке и повышения механических свойств чугун легирован медью (0,3-0,6 %). Использование литого вала значительно снижает трудоемкость изготовления и стоимость двигателя. У форсированных моделей дизелей (типа 1Д49) коленчатый вал из легированной стали. Для повышения износостойкости поверхностей трения и повышения усталостной прочности вал азотирован. Твердость азотированной поверхности НИС40. Рациональное распределение металла достигается определенной формой полостей шеек: в средней части каждой щеки имеется разгружающая выемка, внутренние полости шеек выполнены бочкообразными. Вал имеет относительно низкую изгибную жесткость, что обеспечивает умеренный рост дополнительных изгибных напряжений в галтелях при нарушении соосности постелей блока в эксплуата-

Рис. 25. Изменение конфигурации полостей шеек коленчатого валации. Повышение усталостной изгибной прочности вала достигается накаткой галтелей шеек. Поверхностные и внутренние дефекты коленчатых валов выявляют при гамма-графирова-нии и магнитном контроле.

Коленчатый вал восьмицилиндрового дизеля представлен на рис. 24. Валы двенадцати-и шестнадцатицилиндровых дизелей имеют аналогичную форму шеек и щек и отличаются числом колен и их относительным расположением (заклин-кой). Для уменьшения внутреннего изгибающего момента вблоке цилиндров и нагруженности коренных подшипников от сил инерции «деталей движения» вал имеет противовесы 1, отлитые заодно со щеками. Бурты а ограничивают осевое перемещение вала. Втулка 3 через шлицевый вал передает вращение шестерням привода насосов. Шестерня 2 передает вращение шестерням привода распределительного вала. Масло на смазку шатунных подшипников поступает по отверстиям в шейках и щеках. Подшипник, расположенный вне блока цилиндров, смазывается маслом, поступающим через отверстие в, полость к и отверстие б. Шлицы втулки 3 и детали трения (втулки грузов и пальцы) комбинированного антивибратора смазываются маслом, поступающим от первого коренного подшипника по двум отверстиям е.

В процессе доводки дизелей 16ЧН 26/26 конструкция вала была изменена (рис. 25). Увеличение толщины стенок шатунных шеек (на величину заштрихованного поля 1), изменение формы 2 полостей в шатунных и коренных шейках повысили усталостную прочность вала и устранили случаи изломов по шатунным шейкам.

Антивибратор предназначен для снижения напряжения в коленчатом вале, возникающего вследствие крутильных колебаний. В дизелях типа Д49 применяются антивибрационные агрегаты различной конструкции. На большинстве дизелей 8ЧН 26/26 антивибрационные агрегаты не устанавливают вследствие низкого уровня напряжений от крутильных колебаний. На дизель-генераторах 8ЧН 26/26, дизелях 12ЧН 26/26, кроме 1-2Д49, на части дизелей 16ЧН 26/26 устанавливается силиконовый демпфер, на форсированных моделях 16ЧН 26/26 и 20ЧН 26/26 устанавливается комбинированный агрегат, состоящий из силиконового демпфера и маятникового антивибратора. Выбор конструкции антивибрационного агрегата определяется уровнем и характером крутильных колебаний в коленчатом вале.

В отверстиях ступицы 1 антивибратора (рис. 26) на пальцах 2 подвешены шесть маятников (грузов) 3, из них четыре маятника обеспечивают настройку антивибратора на гармоники 2,5 порядка и два — на гармоники 3,5 порядка. Для смазки деталей антивибратора масло поступает из полости коленчатого вала. Демпфер вязкого трения состоит из маховика 6, корпуса 5 с крышкой 4. Пространство между маховиком и корпусом заполнено жидкостью высокой вязкости (силиконовая жидкость).

Использование на дизелях мощностью 2200 кВт и выше конструктивно более сложных комбинированных антивибраторов оправдано, поскольку их использование обеспечивает более низкий уровень напряжений от крутильных колебаний. Так, установка на дизель-генератор 16ЧН 26/26 мощностью 2200 кВт комбинированного антивибратора вместо силиконового демпфера снижает напряжения от крутильных колебаний в 1,5 раза.

3 назначение устройство антивибратора дизельного двигателя д49

Для борьбы с крутильными колебаниями коленчатых валов дизелей используют динамические маятниковые антивибраторы, демпферы вязкого трения либо комбинированные антивибраторы. Антивибратор (рис.25) состоит из стальной ступицы, имеет в двух дисках отверстия с запрессованными втулками, в которые вставлены с зазором пальцы.

Рис. 25 – Принципиальное устройство антивибратора

1 – ступица; 2 – грузы; 3 – втулка; 4 – планка; 5 – пальцы; А и Б – крайние диски ступицы.

Пальцы в осевом направлении застопорены планками. На пальцах подвешены, также с зазором, шесть грузов, четыре из которых настроены на одну частоту, а два других на другую. Крутильные колебания коленчатого вала вызывают колебания грузов в пределах зазоров между пальцами и втулками, что приводит к изменению собственной частоты колебаний коленчатого вала и предупреждает совпадение собственной и вынужденной частот.

Рассмотрим случай, когда коленчатый вал вращается с частотой вращения ниже или выше критической. Тогда при ускорении грузы под действием центробежных сил переместятся от центра в крайнее положение в пределах зазора между пальцами и стенками отверстий, но как только коленчатый вал начнёт работать на критической частоте вращения, то одна пара грузов, рассчитанная для гашения этих резонансных колебаний, придёт 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 частота вращения грузов будет, наоборот, превышать частоту его вращения, а следовательно, препятствовать закручиванию вала в другую сторону.

Демпфер вязкого трения (рис.20) представляет собой корпус, заполненный вязкой силиконовой жидкостью (жидким каучуком). Внутри корпуса размещён маховик, направляемый двумя боковыми кольцами. Действие демпфера основано на поглощении энергии колебаний за счёт трения между инерционной массой и вязкой жидкостью.

Когда коленчатый вал дизеля вращается равномерно, маховик за 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 (рис.26), установленный на дизеле 1А-5Д49 исп.2, — это антивибрационный агрегат, предназначенный для уменьшения напряжений, возникающих вследствие крутильных колебаний в коленчатом вале и связанных с ним механизмов, состоящий из маятникового антивибратора и установленного на нём демпфера вязкого трения.

Комбинированный антивибратор установлен на переднем фланце коленчатого вала и крепится болтами и штифтами.

Рис. 26 – комбинированный антивибратор

1, 9 – болты; 2 – штифт; 3 – замочная пластина; 4, 8 – гайки, 5 – палец; 6 – ступица; 7 – маятник; 10 – демпфер; 11 – крышка; А – кольцевая полость для смазки; Б – соединение крышки с корпусом; В – поверхность расположения отверстия под рым-болт

Для смазывания антивибратора масло подводится из полости коленчатого вала в кольцевую полость, из которой под действием центробежной силы по каналам поступает на смазывание пальцев и втулок.

После разборки антивибратора необходимо:

1. Промыть и очистить все детали антивибратора;

2. Осмотреть втулки, пальцы, маятники, ступицу и крышки;

3. Обмерять диаметры пальцев трем поясам;

4. Произвести визуально с помощью лупы контроль трещин.

При наличии трещин детали заменить, незначительные забоины и сколы кромок на втулках и пальцах, выходящие на цилиндрическую поверхность не более 1 мм — зачистить. Очаги контактной коррозии на пальцах и крышках зачистить. Пальцы, имеющие концентрический износ более 0,1 мм — заменить.

Все втулки ступицы и маятников выпрессовать, и повернув их на 120º от прежнего положения, вновь запрессовать. При перезапрессовке втулок

обмерить отверстия в ступице или маятнике и наружный диаметр втулок.

Натяг должен быть при диаметре втулки 80 мм — 0,07–0,1 мм, 90 мм — 0,09–0,12 мм. Если натяг не обеспечивается, втулки заменить и прошлифовать наружный диаметр новой втулки по отверстию с обеспечением натяга.

После шлифовки наружный диаметр втулок рекомендуется омеднить (толщина слоя 0,003–0,009 мм).

Запрессовку втулок производить за счет разности температур сопрягаемых деталей: охлаждением втулок в жидком азоте или равномерным подогревом маятников до температуры не выше 200ºС, а ступицы не выше 150ºС.

Демпфер, отработавший ресурс, подлежит ремонту в условиях специализированного производства, поэтому его меняют.

3 назначение устройство антивибратора дизельного двигателя д49

КРУТИЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ДИЗЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА. МЕРЫ БОРЬБЫ

АНТИВИБРАТОРЫ ДИЗЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ

Неудивительно, что конструкторы машин, в которых возможны подобные крайне опасные колебания, ищут способы избежать резонанса. Чтобы устранить явление резонанса в современных дизелях, применяются специальные устройства — антивибраторы. Широкое распространение получил один из видов такого устройства — маятниковый антивибратор. Чтобы понять работу этого антивибратора, обратимся к принципиальным схемам. Подвесим к маховику (валу) на роликах (рис. 63) груз (типа маятника) так, чтобы при вращении маховика (вала) ролики позволяли грузу отклоняться относительно вертикальной оси (радиуса) на некоторый угол в ту и другую сторону подобно маятнику.

Предположим, что вал вращается с постоянной частотой вращения, но меньшей или большей критической. В этом случае подвеска груза направлена по радиусу маховика (положение I). При этом груз антивибратора не оказывает воздействия на систему, вращаясь вместе с маховиком (валом) с равномерной скоростью.
Допустим теперь, что частота вращения коленчатого вала увеличилась до резонансной критической, например достигла 470 об/мин (дизель типа Д100). В этом случае маховик (вал), вращаясь, начнет также совершать и колебательные движения (крутильные колебания), направленные то в сторону вращения, то в противоположную вращению вала сторону. При этом амплитуды колебания будут расти. Как поведет себя в этом случае груз антивибратора? В тот момент, когда движение маховика во время каждого его колебания будет ускоряться, груз анти-вибратора по закону инерции будет стремиться сохранить свое движение с прежней скоростью, т. е. начнет отставать на некоторый угол от участка вала, к которому антивибратор прикреплен (положение II). Груз (вернее, его инерционная сила) будет как бы «притормаживать» вал. Когда
угловая скорость маховика (вала) во время этого же колебания начнет
уменьшаться, груз, подчиняясь закону инерции, будет стремиться как бы «тянуть» за собой вал (поло-
жение III),

Таким образом, инерционные силы подвешенного груза во время каждого колебания будут периодически воздействовать на вал в направлении, противоположном ускорению или замедлению вала, и тем самым изменять частоту его собственных колебаний.

Для того чтобы воздействие антивибратора (груза) было достаточно эффективным, массу груза и длину его подвески подбирают («настраивают») так, чтобы частота соб-
ственных колебаний груза соответствовала частоте колебаний вала, которые нужно погасить. Тогда чем больше станет амплитуда крутильных колебаний вала, тем больше вырастет гасящая эти колебания амплитуда колебаний груза, работающего в резонансном режиме. Так как во время колебаний груза он то приближается (см. рис. 63), то удаляется от вала (от оси вала), то благодаря этому непрерывно изменяется в определенной степени и частота собственных колебаний всей системы, что помогает устранению резонанса.

Таким образом, действие маятникового антивибратора дизелей типа Д100 состоит в том, что он создает на переднем конце нижнего коленчатого вала вращающий момент, примерно равный по величине, но противоположный по знаку моменту, возникающему в этом месте от крутильных колебаний. В результате передний конец коленчатого вала перестанет совершать крутильные колебания, что равнозначно постановке здесь маховика бесконечно больших размеров.

Нельзя ли использовать описанный в начале главы маятник для этих целей? Можно, но в другом конструктивном исполнении: вместо маятника, показанного я а рис. 59 и 63, применить маятник с двухточечным подвешиванием по схеме рис. 64. Благодаря этому отпадает необходимость в очень большом грузе, который было бы трудно разместить в габаритах дизеля.

Рис. 63. Схема антивибратора маятникового типа

Рассмотрим конструкцию маятникового антивибратора, установлеиного на валу дизелей типа Д100, в котором использовано двухточечное подвешивание. Этот антивибратор (настроен на устранение резонанса при четырех критических частотах вращения вала, а именно: 470, 550, 825 и 1100 об/мин. В связи с этим он имеет четыре пары оекторообразных грузов (см. рис. 64), подвешенных на пальцах, опирающихся )на ступицу антивибратора. Ступица жестко соединена с передним концом нижяего вала, диаметр отверстий в ступице и грузах больше диаметра пальца. Благодаря этому грузы подобно маятникам будут колебаться на своих пальцах при возникновении крутильных колебаний нижнего коленчатого вала определенной частоты, на которую они настроены.

Общий вид и детали антивибратора дизеля показаны на рис. 65. Мы видим (справа) ступицу, состоящую из трех неподвижных дисков с восемью отверстиями. В эти отверстия (точнее, во втулки, запрессованные в них) вставляются (с зазорами) пальцы, на которые в свою очередь также с зазорами надеваются грузы (по четыре между каждыми двумя дисками антивибратора).

Пальцы имеют разные диаметры, а отверстия (втулки) под пальцы — одинаковые диаметры. Благодаря разным зазорам, образуемым пальцами в отверстиях, каждая пара грузов реализует только на соответствующую ей частоту резонансных колебаний (470, 550, 825, 1100 об/мин), которые полностью «обезвреживаются». Вот собственно и все устройство антивибратора 10Д100. Аналогично сделаны и антивибраторы других дизелей, в частности дизелей 1 1Д45, 14Д40 и Д70.

Для гашения резонансных крутильных колебаний вала в дизелях применяются также демпферы, устройство которых основано на поглощении энергии колебаний путем трения между инерционной массой и вязкой жидкостью. Такие демпферы имеют двигатели внутреннего сгорания дизельных поездов постройки Венгерской Народной Республики, которые в большом количестве эксплуатируются на железных дорогах СССР.

На дизелях 5Д49 тепловозов 2ТЭ116 установлены силиконовые демпферы (рис. 66). Демпфер состоит из герметичного корпуса, внутри которого размещен маховик (масса) . Маховик может свободно вращаться относительно корпуса, укреп-
ленного на конце коленчатого вала. Пространство между корпусом и маховиком заполнено силиконовой жидкостью, имеющей большую вязкость. Когда коленчатый вал вращается равномерно, маховик за счет сил трения в жидкости приобретает ту же одинаковую с валом частоту (скорость) вращения. А если возникнут крутильные колебания коленчатого вала? Тогда их энергия передается корпусу и будет поглощена силами вязкого трения, возникающими между корпусом и инерционной массой маховика.

На дизелях Д49 тепловозов ТЭП70 применен комбинированный антивибратор, состоящий из маятникового антивибратора и силиконового демпфера. Маятниковый антивибратор по устройству и принципу действия аналогичен антивибратору, установленному на дизелях 2Д100 и 10Д 100.

Рис. 64. Схема подвески маятниковых грузов

Рис. 65. Общий вид антивибратора и его деталей