Bài giảng Diesel tàu thủy (Phần 2)

164 trang ngocly 60

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Diesel tàu thủy (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_diesel_tau_thuy_phan_2.pdf

Nội dung text: Bài giảng Diesel tàu thủy (Phần 2)

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI BỘ MÔN ĐỘNG LỰC – DIESEL KHOA ĐÓNG TÀU BÀI GIẢNG DIESEL TÀU THUỶ TÊN HỌC PHẦN: DIESEL TÀU THUỶ 2 MÃ HỌC PHẦN: 14106 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH: MÁY TÀU THỦY HẢI PHÒNG – 2010
MỤC LỤC STT TÊN CHƯƠNG MỤC TRANG 1. Chương 1: Động học và động lực học của cơ cấu biên khuỷu 6 1.1 Động học của cơ cấu biên khuỷu 6 1.2 Động lực học của cơ cấu biên khuỷu 8 2. 2: Chương Sơ lược về kết cấu động cơ diesel 32 2.1 Một số yêu cầu đối với kết cấu động cơ diesel. 32 2.2 Một số thông số kỹ thuật của động cơ diesel. 32 2.3 Kết cấu của một số động cơ diesel 35 2.4 Các chỉ tiêu kỹ thuật sử dụng 35 3. Chương 3: Các chi tiết chuyển động chủ yếu của động cơ diesel 43 3.1 Piston 43 3.2 Chốt piston 51 3.3 Xéc măng 54 3.4 Biên và bạc biên 57 3.5 Bu lông biên 73 3.6 Trục khuỷu và bánh đà 74 4. Chương 4: Các chi tiết cố định chủ yếu của động cơ diesel 93 4.2 Cấu tạo chung của các chi tiết cố định 93 4.2 Bệ động cơ 94 4.3 Gối đỡ 95 4.4 Bạc đỡ 97 4.5 Thân xi lanh và ống lót xi lanh 98 4.6 Nắp xi lanh 100 4.7 Tính toán kết cấu các chi tiết cố định của động cơ 101 5. Chương 5: Các hệ thống phục vụ cho động cơ diesel 109 1 Hệ thống trao đổi khí 5.1 109
5.2 Hệ thống nhiên liệu 120 5.3 Hệ thống bôi trơn 135 5.4 Hệ thống làm mát 146 5.5 Hệ thống khởi động và đảo chiều 151 Đề thi kết thúc học phần 167 2
Chương 1 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU BIÊN KHUỶU Để nghiên cứu kết cấu và tính toán độ bền các chi tiết chủ yếu của động cơ diesel cần phải nắm vững qui luật chuyển động, tình trạng chịu lực của các chi tiết chủ yếu của nhóm piston, cơ cấu biên khuỷu. 1.1. Động học cơ cấu biên khuỷu c) a) b) lbp lb lb lb Hình 1.1. Sơ đồ cơ cấu biên khuỷu: a) Chính tâm; b) Lệch tâm; c) Biên khớp l, lp - chiều dài biên chính, biên phụ; r - bán kính khuỷu trục; s - hành trình piston; Sx, Sxp - độ dịch chuyển piston theo góc quay trục khuỷu; - góc quay trục khuỷu; , p - góc lắc của biên chính và biên phụ;  - độ lệch đường tâm biên;  - góc giữa hai đường tâm xi lanh; ĐCT, ĐCD - vị trí điểm chết trên, điểm chết dưới. Trong quá trình hoạt động của động cơ đốt trong kiểu piston (ĐCĐT), piston là là chi tiết trực tiếp chịu tác dụng của lực khí thể và truyền lực này cho cơ cấu biên khuỷu. Piston là một trong các chi tiết bao kín buồng cháy, đồng thời piston cùng với cơ cấu biên khuỷu biến lực tác động vô hướng của khí cháy thành thành chuyển động có hướng. Như vậy, nhiệt cháy của môi chất công tác được biến thành công cơ học thông qua nhóm piston và cơ cấu biên khuỷu (chuyển động tịnh tiến của piston được biến thành chuyển động quay của trục khuỷu). Vì thế, muốn nghiên cứu động lực học cơ cấu biên khuỷu cần phải nghiên cứu động học của piston. Trong quá trình khai thác, chế độ làm việc của hệ động cơ - phụ tải phụ thuộc chế độ tải và tác động của môi trường đến thiết bị, ví dụ: tác động của sóng gió đối với động cơ diesel tàu thuỷ, mức độ đóng cắt tải đối với động cơ diesel lai máy phát điện và đối với các thiết bị xây dựng, độ mấp mô mặt đường và sự thay đổi tốc độ đối với động cơ lắp trên phương tiện vận tải bộ vv Chế độ làm việc thay đổi sẽ làm thay đổi vòng quay hệ trục. Tuy nhiên, khi thiết kế, chế tạo động cơ người ta tính toán ứng với chế độ làm việc lâu dài là chế độ làm việc ổn định định mức. Ứng với các chế độ làm việc ổn định mức độ dao động vòng quay không lớn, vì thế giả thiết trong quá trình làm việc ổn định tốc độ góc hệ trục không thay đổi, đó là một trong các cơ sở để nghiên cứu qui luật chuyển động của piston. Đối với động cơ đốt trong có các sơ đồ cơ cấu biên khuỷu: chính tâm; lệch tâm; biên khớp (biểu diễn trên hình 1.1). Trong nội dung trình bày dưới đây chủ yếu nghiên cứu đối với sơ đồ cơ cấu biên khuỷu dạng chính tâm là loại được sử dụng phổ biến nhất đối với động cơ diesel tàu thuỷ dân dụng. 6
1.1.1. Độ dịch chuyển của piston Trong quá trình làm việc của động cơ, piston liên tục dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) đến điểm chết dưới (ĐCD), độ dịch chuyển của piston sx thay đổi theo góc quay trục khuỷu hay theo thời gian , vì thế trong quá trình nghiên cứu sau này ta qui ước tính toán 0 độ dịch chuyển của piston sx theo góc quay và góc quay = 0 TK ứng với piston nằm tại vị trí ĐCT. Nhìn vào hình vẽ 1.1. khi piston dịch chuyển từ ĐCT đến ĐCD độ dịch chuyển sx được tính: s x AA' OA OA' OA OC CA' r lb r cos lb cos  , (1.1) 0 x1 x1 S x2 x2 S S x2 x2 S Hình 1.2. Độ dịch chuyển của piston theo góc quay trục khuỷu 1. Sx1; 2. Sx2; 3. Sx = Sx1 + Sx2 lb - chiều dài biên, m; r - bán kính quay của khuỷu trục, m; - góc quay của khuỷu trục đang xét ứng với sx tính từ ĐCT;  - góc lắc của biên so với đường tâm xi lanh. Đặt r/lb = b - thông số kết cấu. Sau khi biến đổi công thức (15.1) có thể viết: 1 1 sx r 1 cos cos  , (1.2) b b Xét tam giác A'BO ta có mối quan hệ: lbsin = r sin , nên sin = bsin , từ đó: 2 2 2 2 2 1/ 2 cos  1 sin  1 b sin 1 b sin Triển khai vế phải của đẳng thức trên theo nhị thức Niutơn, ta có: 1 1 1 cos  1 2 sin 2 4 sin 4 6 sin 6 2 b 2.4 b 2.4.6 b 1 Bỏ qua các số hạng bậc thấp ta có: cos  1 2 sin 2 . Sau khi thay vào (1.2) và biến 2 b đổi thu được công thức gần đúng xác định độ dịch chuyển của piston là hàm của góc quay trục khuỷu: sx r 1 cos 0,25b 1 cos 2 , (1.3) 7
Như vậy, độ dịch chuyển sx có thể tính chính xác theo (1.2) hoặc tính gần đúng theo (1.3). Kết quả tính toán cho thấy sai số giữa hai công thức không lớn lắm, với b 270 . 1.1.3. Gia tốc của piston Gia tốc của piston được xác định bằng cách đạo hàm vận tốc theo thời gian. Đạo hàm công thức 15.4 ta có: dv dv d J p p  2 r cos  cos 2 (1.5) p d d d Đồ thị gia tốc piston thay đổi theo thời gian được biểu diễn trên hình 1.4. Từ kết quả tính toán và đồ thị trên hình 1.4 ta thấy gia tốc piston cũng là tổng của hai thành phần: thành phần 8
2 thứ nhất (ứng với chiều dài biên dài vô cùng) J1 =  r cos và thành phần thứ hai (ứng với 2 chiều dài biên hữu hạn) J2 =  r cos2 . Giá trị cực đại của gia tốc piston ứng với ĐCT. Đặc tính thay đổi gia tốc piston tại vùng ĐCD phụ thuộc vào giá trị b, nếu b 0,25 sẽ có hai cực tiểu tại vùng ĐCD. 1.2. Động lực học cơ cấu piston - biên khuỷu 1.2.1. Các lực và mô men tác dụng lên nhóm piston - biên khuỷu Nhóm piston - biên khuỷu chịu tác dụng của các lực: lực khí thể, lực P C M quán tính, trọng lực và lực j j ma sát. Đối với động cơ cao tốc và trung tốc thành phần p'k trọng lực có thể bỏ qua, do pkt Mc giá trị của chúng bé so với các thành phần lực khác, đối với động cơ diesel tàu Ml pj thuỷ có công suất lớn thành Mq phần trọng lực phải được đưa vào tính toán. Thành phần lực ma sát phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: trạng thái bề mặt làm việc, C loại dầu bôi trơn sử dụng, Hình 1.5. Lực và mô men tác dụng lên động cơ diesel nhiệt độ dầu bôi trơn, chiều Pkt, P'kt - lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston và nắp xi lanh; Pj, C, Pj, C, dầy lớp đầu bôi trơn , nên Mj, MC - lực và mô men quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tác dụng lên 1 xi lanh và toàn bộ động cơ; M , khó tính chính xác trị số lực q Ml - mô men quay và mô men lật tác dụng lên động cơ. này. Vì thế không đưa lực ma sát vào công thức tính, mà được đưa vào hiệu suất cơ giới. a. Lực khí thể Pkt Lực khí cháy là nguồn sinh ra công chỉ thị và công có ích. Lực khí thể Pkt (lực của môi chất công tác ứng với các quá trình, kể cả lực khí cháy) là lực vô hướng, lực này tác động lên nắp xi lanh (P'kt), thành ống lót xi lanh, đỉnh piston, nhưng chỉ có piston là chi tiết chuyển động, nên thông qua nhóm cơ cấu piston - biên - khuỷu tác dụng lên ổ trục và sau đó tác dụng lên bệ đỡ động cơ. Lực khí thể Pkt cân bằng với phản lực tác dụng lên nắp xi lanh P’kt. Lực khí thể thay đổi theo góc quay trục khuỷu, có thể xác định thông qua đồ thị chỉ thị hoặc tính theo chu trình công tác bằng phương pháp cân bằng năng lượng. Áp suất dư của khí thể trong xi lanh (MPa) được tính: pkt = p - p0 , (1.6) p - áp suất khí trong xi lanh (thay đổi theo góc quay trục khuỷu được tính theo phương pháp số hoặc đo trực tiếp bằng thiết bị chuyên dùng), Mpa; p0 - áp suất không khí môi trường, Mpa. Lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston có trị số: 2 Pkt = pkt d /4, (1.7) d - đường kính piston, m. 9
a) b) Mdn dn B l b l Mc Tâm biên C dt l r 0 Mdt Mct A Hình 1.6. Chi tiết biên khuỷu và mô hình động lực học hoá. a) Biên; b) khuỷu trục Lực khí thể có điểm đặt qui ước tại tâm chốt piston, có phương trùng với đường tâm xi lanh, có hướng phụ thuộc góc quay trục khuỷu. b. Lực quán tính Lực quán tính gồm: lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến Pj và lực quán tính quay của khối lượng chuyển động quay C, các lực này xuất hiện khi các cụm chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Lực quán tính của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến Pj có hướng trùng với đường tâm xi lanh, chiều Mtt phụ thuộc vào góc quay khuỷu trục, có điểm đặt qui ước tại tâm chốt piston. Thông qua cơ cấu biên khuỷu lực quán tính tác dụng lên ổ đỡ trục khuỷu và khung động cơ. Lực quán tính li tâm của khối lượng tham gia chuyển động quay C có phương trùng với đường tâm má khuỷu và hướng li tâm, có điểm đặt tại tâm cổ biên. Lực này sẽ gây nên dao động trục khuỷu. Mô men quay Mq do động cơ sinh ra truyền cho chong chóng (hay thiết bị tiêu thụ năng lượng). Mô men lật Ml có trị số bằng mô men quay, nhưng chiều ngược M lại, mô men này truyền cho bệ đỡ động cơ. Đối với động qk cơ nhiều xi lanh lực quán tính PJ và C có thể tạo ra mô men quán tính M và M , các mô men này cũng tác J C M dụng lên ổ đỡ và khung động cơ. ct c. Qui đổi khối lượng các chi tiết nhóm piston - biên khuỷu Hình 1.7. Mô hình động lực học của Để đơn giản hoá việc tính lực tác dụng lên cơ cấu cơ cấu biên khuỷu chính tâm. biên khuỷu, người ta thay thế cơ cấu này bằng mô hình động lực học, khi đó khối lượng các chi tiết được qui về tại các điểm tương ứng với qui luật chuyển động. 10
Khối lượng nhóm piston tham gia chuyển động tịnh tiến gồm có: piston, xéc măng, chốt piston và cán piston, guốc trượt (đối với động cơ hai kì có guốc trượt), được đặt tại tâm của chốt piston (Mp). Mô hình động lực học của khuỷu trục (hình 1.6, b) có thể biểu diễn bằng đoạn thẳng, chiều dài của đoạn thẳng này bằng chiều dài bán kính quay của khuỷu trục r, phần khối lượng của má khuỷu, cổ biên và cổ trục được đặt tại hai mút của đoạn thẳng. Để xác định giá trị của các khối lượng này ta phân khối lượng khuỷu trục thành 3 phần: - Phần A (Mct): gồm cổ trục và một phần vật liệu liền kề, có khối lượng Mct đặt tại tâm quay cổ trục; - Phần B (Mcb): gồm cổ biên và một phần vật liệu liền kề, có khối lượng Mcb đặt tại tâm cổ biên; - Phần C (Mmk): phần vật liệu má khuỷu nằm giữa cổ trục và cổ biên, khối lượng Mmk đặt tại tâm má khuỷu, cách tâm cổ trục một đoạn . Trong quá trình hoạt động Mmk tạo ra lực li tâm. Để thuận tiện tính toán Mmk được qui về tâm cổ biên, gọi là khối lượng qui dẫn má khuỷ 2 2 Mmqd. Theo phương trình cân bằng lực li tâm đối với cổ trục ta có: Mmk  = Mmqdr , nên Mmqd = Mmk /r. Từ đó xác định được khối lượng quay không cân bằng của khuỷu trục: Mk = Mcb + Mmk /r. Mô hình động lực học của biên cũng được biểu diễn bằng đoạn thẳng, có chiều dài bằng khoảng cách giữa hai lỗ tâm đầu nhỏ và đầu to biên: - Khối lượng phần đầu nhỏ biên Mdn được qui dẫn về tâm chốt piston và tham gia chuyển động tịnh tiến cùng nhóm piston Mp; - Khối lượng phần đầu to biên Mdt được qui dẫn về tâm cổ biên và tham gia chuyển động quay cùng nhóm cổ biên Mk. Khi thay thế biên thực bằng hai khối lượng tương đương tập trung tại hai điểm theo mô hình động lực học b t cần phải thoả mãn các điều kiện sau đây:  - Tổng hai khối lượng thay thế phải bằng khối lượng  thực của biên: Mdn + Mdt = Mb 1 - Trọng tâm của mô hình động lực thay thế phải trùng Z với trọng tâm biên thực: + Mdnldn = Mdtldt 1 - Mô men quán tính của hai khối lượng thay thế đối 1 với trọng tâm phải bằng mô men quan tính của biên thực đối với trọng tâm: b 2 2 Mdnldn + Mdtldt = 0 2 t1 b Mb - khối lượng toàn bộ biên, kg; Hình 1.8. Sơ đồ lực tác dụng lên Mdt - khối lượng tập trung vào đầu nhỏ biên, kg; cơ cấu biên khuỷu. Mdn - khối lượng tập trung vào đầu to biên, kg; ldn , ldt - khoảng cách từ tâm khối lượng phần đầu nhỏ và đầu to đến trọng tâm của biên, m. 11
Tuy nhiên, khi phân khối lượng không thể thoả mãn được cả 3 điều kiện nêu trên, mà chỉ thoả mãn được hai điều kiện đầu. Từ điều kiện thứ hai rút ra: Mdn = Mbldn/lb ; Mdt = Mbldt/lb. Để thuận tiện cho tính toán, cần phải đơn giản hoá, tuy nhiên việc đơn giản hoá gây ra sai số không lớn. Đối với động cơ đốt trong phần khối lượng tập trung tại đầu to và đầu nhỏ biên được chọn theo công thức kinh nghiệm sau: Mdn = (0,2  0,3) Mb; Mdt = (0,7  0,8) Mb Đối với động cơ diesel tàu thuỷ thường chọn: Mdn 0,3 Mb; Mdt 0,7 Mb. Trên hình 1.7 biểu diễn mô hình động lực học của cơ cấu biên khuỷu dạng chính tâm. Đây là cơ cấu giả định có các thông số động lực học, giống như cơ cấu thực, nhưng các khâu là cứng và không có khối lượng. Khối lượng của biên được chia ra tập trung tại hai điểm tính toán của mô hình: - Phần khối lượng tập trung tại tâm chốt piston, tham gia chuyển động tịnh tiến: Mtt = Mdn + Mp - Phần khối lượng tập trung tại tâm cổ biên, tham gia chuyển động quay: Mqk = Mdt + Mk Để thuận tiện cho việc tính toán, ta tính theo đơn vị khối lượng tương đối (chia các khối 2 lượng cho diện tích đỉnh piston Fp ), kg/m : mtt = Mtt/Fp; mq = Mqk/Fp. d. Lực quán tính tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu Trong quá trình hoạt động cơ cấu biên khuỷu chịu tác dụng của lực quán tính của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến mtt và chuyển động quay mq. Lực quán tính của khối lượng tương đối tham gia chuyển động tịnh tiến, MN/m2: 2 pJ mtt J p mtt r cos  cos 2 , (1.8) Thành phần thứ nhất của phương trình 15.8 gọi là lực quán tính cấp I: 2 pJ1 mtt r cos p1 cos , (1.9) Thành phần thứ hai gọi là lực quán tính cấp II: 2 pJ 2 mtt r cos 2 p2 cos 2 , (1.10) Từ đó: pJ = pJ1 cos + pJ2 cos2 , (1.11) Lực quán tính li tâm của khối lượng tương đối tham gia chuyển động quay, MN/m2: 2 C = - mq r , (1.12) Lực C có thể phân thành hai thành phần: thành phần thẳng đứng Ct = C cos và thành phần nằm ngang Cn = C sin . Tổng hợp lực quán tính của khối lượng tương đối tham gia chuyển động tịnh tiến và khối lượng tương đối tham gia chuyển động quay theo phương thẳng đứng có thể xác định, MN/m2: pJ = pJ1 cos + pJ2 cos2 + C cos , (1.13) Lực quán tính tương đối pJ có phương trùng với đường tâm xi lanh, có chiều và trị số phụ thuộc góc quay trục khuỷu. Chu kì của pJ1 ứng với 1 vòng quay trục khuỷu, còn pJ2 ứng với 1/2 vòng quay trục khuỷu. Ta qui ước pJ có trị số âm khi chiều li tâm trục khuỷu và có trị số dương khi chiều hướng tâm trục khuỷu, thì tại ĐCT pJ có trị số âm và tại ĐCD pJ có trị số dương. Để thuận tiện cho việc xét dấu đối với lực quán tính cấp 1 và cấp 2 ta dùng hình chiếu 12
2 lên đường tâm xi lanh của véc tơ C j và C j . Véc tơ Cj có trị số bằng mttr . C j quay 0 0 quanh tâm trục khuỷu với tốc độ , nên trong phạm vi = 0  90 và = 270  360 pJ1 có 0 chiều li tâm, nên giá trị mang dấu âm, trong phạm vi = 90  270 pJ1 có chiều hướng tâm nên giá trị mang dấu dương. Tương tự như vậy, C j quay quanh tâm trục khuỷu với tốc độ 0 0 0 2, nên trong phạm vi = 0  45 , = 135  225 và = 315  360 PJ2 có chiều li tâm nên giá trị mang dấu âm; phần còn lại PJ2 có chiều hướng tâm nên giá trị mang dấu dương. 1.2.2. Tổng hợp lực và mô men tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu Pkt x2 Pkt S Pt Pj Pt S S x S Pj ĐCT ĐCT ĐC ĐC Z T Z T Hình 1.9. Đồ thị lực khí thể Pkt, lực quán tính Pj, tổng hợp lực Pt, lực tiếp tuyếnTvàlực pháp tuyếnZtheo góc quay trụckhuỷu đốivới động cơ Ta tiến hành phân tích lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu đối với cơ cấu chính tâm. Sơ đồ lực tác dụng biểu diễn trên hình 1.8. Lực khí thể và lực quán tính đều tác dụng lên piston, có phương trùng với đường tâm piston, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu, có điểm đặt tại tâm chốt piston. Sau khi cộng lại ta có trị số tổng hợp lực: Pt = Pkt + PJ, (15.14) Khi lượng nhiên liệu cấp cho chu trình không đổi, thì quan hệ giữa Pkt và PJ phụ thuộc vào vòng quay động cơ, vòng quay càng lớn thì PJ càng lớn. Đặt lực Pt tại tâm chốt piston và phân nó thành hai thành phần: Pt N Pb - Thành phần lực thứ nhất N gọi là lực đẩy ngang, có điểm đặt tại tâm chốt piston, có phương vuông góc với đường tâm xi lanh, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu, có trị số: N = Pt/cos, (1.15) 13
Trong quá trình động cơ hoạt động lực đẩy ngang N gây nên va đập giữa piston với thành ống lót xi lanh, lực đẩy ngang N là một trong các yếu tố dùng để xác định chiều dài phần dẫn hướng piston. - Thành phần lực thứ hai P có điểm đặt tại Pkt b Pj tâm chốt piston, có phương trùng với đường Pkt tâm biên, có hướng phụ thuộc vào góc quay P trục khuỷu, có trị số: Pb=Pt/cos, (15.16) Pt b Pb Pj Hình 1.11. Đồ thị thay đổi lực đẩy ngang N, lực tác dụng Hình 1.10. Đồ thị thay đổi lực khí thể Pkt, lực lên biên Pb theo góc quay trục khuỷu đối với động cơ 4 quán tính Pj,tổng hợplựcPt theo góc quay trục kì cao tốc. Thành phần Pb tác dụng lên thân biên, giá trị Pb là một trong các cơ sở tính độ bền thân biên. Chuyển lực Pb đến tâm cổ biên và phân thành hai thành phần Pb T Z : - Thành phần lực tiếp tuyến T có điểm đặt tại tâm cổ biên, có phương tiếp tuyến với bán kính quay khuỷu trục, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu, có trị số: T Pbsin  Pt sin  cos  , (1.17) - Thành phần lực pháp tuyến Z có điểm đặt tại tâm cổ biên, có phương trùng với tâm má khuỷu, có hướng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu, có trị số: Z Pb cos  Pt cos  cos  (15.18) Khi chuyển song song lực T vào tâm cổ trục (điểm O), khi đó sẽ tạo thành một ngẩu T , T1 (do chuyển lệch tâm) và một lực T2 . Lực T1 và T2 có điểm đặt tại tâm cổ trục, có phương song song với lực T và có chiều ngược nhau. Cặp lực T , T1 tạo nên mô men quay Mq truyền cho trục khuỷu, có trị số : M q Tr Pb rsin  Pt r sin  cos (15.19) Mq - mô men quay chỉ thị. 14
Chuyển lực Z vào tâm cổ trục (chuyển chính tâm), tạo thành lực Z1 . Hợp Z và T tạo thành P , có phương 1 2 b1 Z song song với Pb , trị số và chiều tác T dụng như Pb . Lực này tác dụng lên ổ đỡ trục khuỷu. Lực Pb1 cũng là hợp lực của hai lực thành hai thành phần: Pb1 N1 Pt1 . Từ sơ đồ lực trên hình 1.8 ta thấy, thành phần N1 song song với N , cùng trị số, nhưng ngược chiều, cách nhau một khoảng H, nên sẽ tạo ra mô men Ml, gọi là Hình 1.12. Đồ thị thay đổi lực tiếp tuyến T, lực mô men lật. Mô men lật có giá trị bằng pháp tuyến Z theo góc quay trục khuỷu đối với mô men quay, nhưng ngược chiều. Mô động cơ 4 kì cao tốc. men lật tác dụng lên bệ đỡ, gây rung động động cơ, giá trị Ml là một trong các cơ sở dùng để tính bệ đỡ và bu lông bệ động cơ. Để giảm mô men lật cần phải giảm khoảng cách H. M l NH Pt tgH Pb r sin  Tr M q (1.20) ' ' Từ sơ đồ lực ta cũng xác định được Pt1 : Pt1 Pkt PJ . Lực Pt1 có điểm đặt tại tâm cổ ' trục, tác dụng lên ổ đỡ và bệ động cơ. Lực Pkt cùng phương, ngược chiều và có trị số bằng lực Pkt , nên hai lực này cân bằng và ngược chiều nhau, nên kéo giãn khung T ' Mq động cơ. Lực PJ là lực quán tính không cân bằng, thông qua ổ đỡ trục khuỷu lực này tác dụng lên khung bệ và gây rung động động cơ. Ngoài các lực đã phân tích trên, cơ cấu biên khuỷu còn chịu tác dụng của 18 24 30 36 60 12 18 lực quán tính li tâm C của khối lượng tham gia chuyển động quay. Lực này cũng là lực không cân bằng, có điểm đặt tại tâm cổ biên, có phương trùng với đường tâm má khuỷu, có chiều li tâm. Thông qua khuỷu trục và ổ đỡ trục Hình 1.13. Đồ thị T (Mq) thay đổi theo góc khuỷu, lực C tác dụng lên khung bệ và quay trục khuỷu động cơ diesel 2 kì gây ra dao động động cơ. Lực T , Z cũng có thể viết thành tổng của lực khí thể và lực quán tính: T Pt sin  cos  Pkt PJ sin  cos  Tkt TJ Z Pt cos  cos  Pkt PJ cos  cos  Z kt Z J 15
Như vậy, lực tác dụng lên cổ biên gồm có: T , Z và một phần lực quán tính li tâm của 2 khối lượng đầu to biên (Mdt) tham gia chuyển động quay. Lực pháp tuyến và C' (C'= Mdtr ) có cùng điểm đặt lực và phương tác dụng, nên ta có tổng đại số: Z'' = Z + C' hay: '' 2 Z Pt1 cos  cos  M dt r . Để thuận tiện cho việc theo dõi trực quan và tính toán ta biểu diễn các lực phân tích trên ở dạng đồ thị khai triển. Trên hình 15.9 biểu diễn đồ thị các lực Pkt , PJ , Pt , T , Z đối với động cơ diesel 4 kì trung và thấp tốc thay đổi theo góc quay trục khuỷu. Đối với động cơ cao tốc, tốc độ góc lớn nên trị số lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến lớn hơn nhiều so với lực khí thể trong quá trình nạp và thải, ngay cả trong quá trình cháy và giãn nở do ảnh hưởng lực này làm giảm tổng hợp lực và các thành lực thành phần T, Z tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu. Điều đó thấy rõ trên các đồ thị các hình 1.10, 1.11, 1.12. Đồ thị T - của động cơ hai kì được biểu diễn trên hình 1.13. Đường cong mô men quay của động cơ diesel một xi lanh Mq = T r cũng có thể xây dựng tương tự như T = f( ), chỉ khác hệ số tỉ lệ r (bán kính khuỷu trục). Sự thay đổi góc lắc của biên  phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu và tỉ số kết cấu = r/l được tra trên bảng 1.3. Với động cơ đốt trong tỉ số kết cấu  thường thay đổi trong khoảng từ 1/3,2 đến 1/5. Cần lưu ý khi góc quay trục khuỷu thay đổi từ 00 đến 1800 góc  mang dấu (+) và khi góc quay trục khuỷu thay đổi từ 1800 đến 3600 góc  mang dấu (-). Sau khi nghiên cứu hệ lực tác dụng lên động cơ trong quá trình hoạt động có thể rút ra một số nhận xét: - Lực khí thể là lực vô hướng, tác dụng lên nắp xi lanh, thân động cơ và đỉnh piston. - Lực quán tính Pj của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến, có điểm đặt qui ước tại tâm chốt piston, có phương tác dụng trùng với đường tâm xi lanh, có chiều phụ thuộc góc quay trục khuỷu. Lực quán tính C của khối lượng tham gia chuyển động quay có giá trị không đổi, có điểm đặt qui ước tại tâm cổ biên, có phương tác dụng trùng với đường tâm má khuỷu, có chiều li tâm. - Tổng hợp lực khí thể và lực quán tính Pt của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến, có điểm đặt qui ước tại tâm chốt piston, có phương tác dụng trùng với đường tâm xi lanh, có chiều phụ thuộc góc quay trục khuỷu. Hợp lực này tác dụng lên thân biên để tạo nên mô men quay (phân lực tiếp tuyến T của nó tạo nên mô men quay Mq = Tr), đồng thời Pt cũng tác dụng lên thân động cơ và ổ đỡ trục khuỷu. - Trong quá trình khai thác động cơ mô men quay Mq cân bằng với mô men cản do thiết bị tiêu thụ năng lượng tạo ra và mô men quán tính của hệ chuyển động qui về tâm trục khuỷu j. Nếu hệ chuyển động với gia tốc góc , thì mô men quán tính là j. Khi đó ta có: d M M j hay M M j (1.21) q c q c dt 1.2.3. Lực và mô men tác dụng lên trục khuỷu động cơ một hàng xi lanh chính tâm a. Góc công tác Động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel tàu thuỷ nói riêng đang sử dụng phổ biến hiện nay là động cơ một hàng xi lanh thẳng đứng, chính tâm, có nhiều xi lanh. Trục khuỷu động cơ nhiều xi lanh có nhiều khuỷu trục, số khuỷu trục bằng số xi lanh. Khi thiết kế và chế tạo trục khuỷu, người ta sắp xếp các khuỷu trục lệch một góc đều nhau gọi là góc công tác. Đây là góc quay của trục khuỷu bằng khoảng thời gian giữa hai lần làm việc kế tiếp nhau của 16
hai xi lanh. Việc chọn góc lệch khuỷu phải dựa vào tải tác dụng lên ổ trục và lượng khí sạch nạp vào xi lanh, sao cho tải tác dụng bé, nhưng hiệu suất nạp cao. Góc công tác được xác định dựa vào số xi lanh i và số kì z của động cơ: kt = 180 z/i. 1-8 3-6 7-2 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-0 1 2 3 4 5 6 7 8 5-4 Hình 1.14. Sơ đồ kết cấu trục khuỷu động cơ diesel 4 kì 8 xi lanh có thứ tự nổ 1 - 3 - 5 - 7 - 8 - 6 - 4 - 2 Khi thiết kế trục khuỷu có thể chọn các thứ tự nổ khác nhau, tuy nhiên phải chọn sao cho thoả mãn các yêu cầu về động học, động lực học, mức độ cân bằng và các yếu tố khác đảm bảo động cơ làm việc hiệu quả nhất. Cần Ti Mqi phải lưu ý, góc lệch khuỷu và góc công tác có thể không Ti=f( ) trùng nhau. Đối với động cơ một hàng xi lanh, 4 kì có F2 số xi lanh chẵn và động cơ hai kì thì góc lệch khuỷu trùng với góc công tác, nhưng động cơ 4 kì có số xi qtb M lanh lẻ thì góc lệch khuỷu không trùng với góc công tác  , (xem bảng 1.4, mục 1.2.9). tb T Ví dụ: đối với động cơ 4 kì 8 xi lanh có thể chọn thứ  tự nổ của các xi lanh như sau: 1 – 6 – 2 – 4 – 8 – 3 – 7 – 5 2 1 – 3 – 5 – 7 – 8 – 6 – 4 – 2 1 , 0TK 1 – 6 – 2 – 5 – 8 – 3 – 7 – 4 900 1800 1 – 3 – 7 – 5 – 8 – 6 – 2 – 4 F1 1 – 3 – 7 – 4 – 8 – 6 – 2 – 5 Đối với một trục khuỷu người ta chọn một thứ tự nổ hợp lí nhất. Đối với động cơ đang nghiên cứu ta chọn Hình 1.15. Đồ thị thay đổi Ti, Mqi, thứ tự nổ 1 - 3 - 5 - 7 - 8 - 6 - 4 - 2. Sơ đồ kết cấu trục Ttb , Mqtb của động cơ diesel 4 kì, 4 khuỷu được biểu diễn trên hình 1.14. xi lanh theo góc quay trục khuỷu. b. Lực và mô men tác dụng lên trục khuỷu Trong quá trình làm việc mỗi khuỷu trục chịu tác dụng của các lực: lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực quán tính của khối lượng chuyển động quay C, tổng mô men tác dụng lên các khuỷu phía trước Mqi-1, mô men tác dụng lên chính khuỷu đó Mqi và tổng mô men tác dụng lên các khuỷu phía sau Mqi. Mqi thay đổi theo góc quay trục khuỷu, chu kì thay đổi phụ thuộc vào số xi lanh và số kì động cơ. Để tính toán trục khuỷu cần phải xác định tổng mô men tác dụng lên trục khuỷu Mqi bằng cách lập bảng các hành trình của chu trình công tác trong xi lanh động cơ, nhằm xác định góc quay i của các khuỷu so với khuỷu thứ nhất khi nó nằm ở vị trí điểm chết trên. 17
Ví dụ: xét động cơ 4 kì 8 xi lanh đang nghiên cứu trên, có thứ tự nổ 1 - 3 - 5 - 7 - 8 - 6 - 4 - 2. Dựa vào số xi lanh, số kì và thứ tự nổ đã chọn, lập được bảng các hành ứng với một chu trình công tác trong xi lanh động cơ, biểu diễn trên bảng 1.1. 0 0 Từ bảng 1.1 ta thấy: khi khuỷu trục của xi lanh thứ nhất nằm ở vị trí 0 (khi i = 0 ) thì góc lệch của các khuỷu trục khác so với khuỷu trục thứ nhất như sau: 0 0 Khuỷu trục của xi lanh thứ 2 nằm ở vị trí 90 , nên 2 = 90 0 0 Khuỷu trục của xi lanh thứ 3 nằm ở vị trí 630 , nên 3 = 630 0 0 Khuỷu trục của xi lanh thứ 4 nằm ở vị trí 180 , nên 4 = 180 0 0 Khuỷu trục của xi lanh thứ 5 nằm ở vị trí 540 , nên 5 = 540 0 0 Khuỷu trục của xi lanh thứ 6 nằm ở vị trí 270 , nên 6 = 270 0 0 Khuỷu trục của xi lanh thứ 7 nằm ở vị trí 450 , nên 7 = 450 0 0 Khuỷu trục của xi lanh thứ 8 nằm ở vị trí 360 , nên 8 = 360 Bảng 1.1. Các hành trình của một chu trình công tác trong xi lanh động cơ 4 kì, 8 xi lanh 00 1800 3600 5400 7200 Xi lanh 1 Nạp Nén Nổ Xả Xi lanh 3 Xả Nạp Nén Nổ Xả Xi lanh 5 Xả Nạp Nén Nổ Xi lanh 7 Nổ Xả Nạp Nén Nổ Xi lanh 8 Nổ Xả Nạp Nén Xi lanh 6 Nén Nổ Xả Nạp Nén Xi lanh 4 Nén Nổ Xả Nạp Xi lanh 2 Nạp Nén Nổ Xả Nạp Để xác định lực tác dụng lên cổ trục và ổ trục cần phải biết được tình hình chịu lực của chúng. Trên cơ sở đó ta chỉ cần xây dựng đồ thị lực tác dụng lên các cổ trục và ổ trục đặc biệt. Muốn vậy, ta xác định thời gian ngắn nhất tính theo góc quay trục khuỷu giữa hai lần nổ trong hai xi lanh kề nhau: Giữa xi lanh thứ 1 và xi lanh thứ 2: 900 Giữa xi lanh thứ 2 và xi lanh thứ 3: 1800 Giữa xi lanh thứ 3 và xi lanh thứ 4: 2700 Giữa xi lanh thứ 4 và xi lanh thứ 5: 3600 Giữa xi lanh thứ 5 và xi lanh thứ 6: 2700 Giữa xi lanh thứ 6 và xi lanh thứ 7: 1800 0 Giữa xi lanh thứ 7 và xi lanh thứ 8: 90 Như vậy, tình hình chịu lực của các cổ trục 1 - 2, 7 - 8 giống nhau; cổ 2 - 3, 6 - 7 giống nhau; cổ 3 - 4, 5 – 6 giống nhau, còn cổ 4 - 5 khác các cổ kia, cổ trục 0 - 1 chịu lực tác dụng của xi lanh thứ 1, cổ trục 8 - 0 chịu lực tác dụng của xi lanh thứ 8 và bánh đà.Để làm cơ sở cho việc tính sức bền hay nghiệm độ bền trục khuỷu, ngoài các lực T, Z, C tác dụng lên các khuỷu trục đã tính toán, cần phải xác định thêm mô men tích luỹ tác dụng lên cổ trục và tổng mô men tác dụng lên cổ cuối cùng (cổ 8 - 0), sát với bích nối đầu ra lai thiết bị tiêu thụ năng lượng. 18
Muốn xác định mô men có thể sử dụng phương pháp lập bảng, phương pháp cộng đồ thị T - hay phương pháp số bằng cách lập chương thuật toán và chương trình tính trên máy tính. T T Mq Mq ma tb ma tb T T T T     0 0 30 60 90 120 0 0 30 60 Hình 1.16. Đồ thị T - động cơ diesel 4 kì 6 Hình 1.17. Đồ thị T - động cơ xi lanh diesel 4 kì 8 xi lanh Trên cơ sở đồ thị T - đã xây dựng, dựa vào góc công tác, ta chia đồ thị thành 180.z/kt đoạn, sau đó cộng đại số các đồ thị với nhau, sẽ thu được đồ thị Ti - , từ đó tính được 0 Mqi. Đồ thị T - ứng với góc kt công tác (kt =180 ) của động cơ 4 kì, 4 xi lanh xây dựng bằng phương pháp cộng đồ thị được biểu diễn trên hình 1.15. Dựa vào bảng số liệu T - đã xây dựng, có thể tính Mqi thông qua Ti theo phương pháp lập bảng với chu kì kt độ trục khuỷu. Ví dụ: với động cơ 4 kì 8 xi lanh, chu kì tính là 0 0 90 TK, với động cơ 4 kì 6 xi lanh, chu kì tính là 120 TK. Bảng tính Ti đối với động cơ 4 kì 8 xi lanh, chu kì tính là 900TK được trình bày trên bảng 1.2, từ đó cũng xây dựng được đồ thị T - . Đồ thị Ti - đối với động cơ 4 kì và hai kì có số xi lanh khác nhau biểu diễn trên các hình 1.15 đến hình 1.20. T T T Mq Mq Mq max tb tb T max T max T  T  T  tb   T  0 0 0 30 60 0 30 0 15 30 0 Hình 1.18. Đồ thị T - động cơ Hình 1.19. Đồ thị T - động cơ Hình 1.20. Đồ thị T - động diesel 2 kì 4 xi lanh diesel 2 kì 6 xi lanh cơ diesel 2 kì 8 xi lanh Với đồ thị Ti - đã xây dựng, sẽ xác định được giá trị của tổng lực tiếp tuyến trung bình Ttb Tmax, từ đó có thể tìm áp suất chỉ thị trung bình ứng với một chu trình thông qua công thức tính công chỉ thị, ví dụ: đối với động cơ diesel 4 kì: ptb(2r Fp) = 4 (Ttbr), nên ptb = 2 Ttb/ Fp hay: 19
ptb = 2 ttb , (1.22a) Bảng 1.2. Bảng tính Ti - của một chu trình công tác trong xi lanh động cơ 4 kì, 8 xi lanh i 2 i 8 i 3 i 4 i 7 1 2 T 3 4 7 8 T 0 0  0 T 0 T 0 T 0  i 1 T 2 T i 1 3 T  i 4 T  i 7 T  i 8 T i 1 i 1 i 1 i 1 0 90 630 180 450 360 10 100 640 190 460 370 20 110 650 200 470 380 30 120 660 210 480 390 40 130 670 220 490 400 50 140 680 230 500 410 60 150 690 240 510 420 70 160 700 250 520 430 80 170 710 260 530 440 90 180 720 270 540 450 2 ttb - lực tiếp tuyến tổng trung bình ứng với một đơn vị diện tích đỉnh piston, N/m . Đối với động cơ diesel hai kì: ptb = ttb , (1.22b) Từ Ttb xác định được mô men quay chỉ thị: Mqi = Ttbr , (1.23) Mô men quay có ích có thể xác định thông qua Mqi: Mq = Mqim. m - hiệu suất cơ giới của động cơ. 1.2.4. Đồ thị véc tơ lực tác dụng lên cổ biên Hình 1.21. Đồ thị lực T - Z tác dụng lên cổ biên Đồ thị véc tơ lực tác dụng lên cổ biên có thể xây dựng bằng phương pháp lập bảng hoặc lập chương trình tính trên máy tính. max Với phương pháp lập bảng, ta tính giá trị lực T, Q Q Z ứng với góc quay trục khuỷu thay đổi từ 0  7200 đối với động cơ 4 kì và 0  3600 đối với động cơ 2 kì theo các công thức đã trình bày mục 1.2. Với bảng giá trị lực T, Z đã được tính toán, ta đặt lên hệ toạ độ T - Z, sau đó nối liên tb tục các điểm đã đánh dấu, thu được đồ thị T - Z Q (hình 1.21). , 0TK Với phương pháp tính bằng máy tính ta sử Hình 1.22. Đồ thị lực Q - tác dụng lên cổ dụng sơ đồ thuật toán như hình 1.28. Thông số biên đầu vào là các thông số kết cấu, thông số phối khí, thông số cấp nhiên liệu và khối lượng các chi tiết chủ yếu của động cơ. Kết quả thu được 20
là các đồ thị theo yêu cầu như: đồ thị Pkt , PJ , Pt , T , Z thay đổi theo góc quay trục khuỷu và đồ thị T - Z tác dụng lên cổ trục, cổ biên. Các đồ thị T - Z dùng để xác định lực tác dụng lên cổ biên ứng với mỗi vị trí của khuỷu trục. Từ đồ thị này tìm được giá trị trung bình của lực tác dụng lên cổ biên và lực lớn nhất, bé nhất. Từ đó có thể tìm được vị trí chịu lực bé nhất trên cổ trục, cổ biên để khoan lỗ dầu bôi trơn, đồng thời xác định được giá trị của lực khi tính sức bền khuỷu trục. Để xác định hệ số tải trung bình và tải cực đại tác dụng lên cổ biên hoặc bạc biên, cũng như đầu to biên phải xác định véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ biên. Sau khi có đồ thị lực tác dụng lên cổ biên, muốn xác định lực tác dụng lên cổ biên ứng với một góc nào đó, ta nối điểm O (tâm cổ biên tượng trưng) với điểm trên đồ thị ứng với góc cần tìm lực tác dụng. Lực tác dụng vừa tìm được có điểm đặt tại bề mặt cổ biên ứng với giao điểm của véc tơ lực vừa vẽ kéo dài về phía gốc với đường tròn cổ biên, có hướng từ điểm đặt lực đến tâm cổ biên, có trị số bằng khoảng cách từ tâm cổ biên đến điểm ứng với lực tác dụng trên cổ biên nhân với hệ số tỉ lệ. Ví dụ: muốn xác định lực tác dụng lên cổ biên ứng với góc 5850, 3900, 4800 ta nối điểm O với các điểm ứng với các lực này như hình vẽ. Cần phải lưu ý: các góc ứng với lực T, Z mang giá trị âm thì chiều đặt ngược với chiều dương. Từ hình vẽ xác định được tổng hợp lựcQ tác dụng lên cổ biên: Q C' T Z C' Pb , (1.24) Giá trị của Q được xác định bằng cách đo trực tiếp trên đồ thị rồi nhân với hệ số tỉ lệ hoặc tính bằng công thức: Q C'2 T 2 Z 2 , (1.25) Từ đồ thị hoặc từ bảng tính xác định được Q = f( ), trên cơ sở đó vẽ được đồ thị triển khai Q - (hình 15.22) và từ đây xác định được Qmax, Qtb. Hệ số tải trung bình và tải cực đại tác dụng lên bề mặt cổ biên và bạc biên, đầu to biên được tính theo công thức, MN/m2: Ktb = Qtb/(dcblcb) ; Kmax = Qmax/(dcblcb), (15.26) dcb , lcb - đường kính và chiều dài cổ biên, m. Sau khi có giá trị Ktb, Kmax tiến hành so sánh với giá trị cho phép đối với các loại động cơ và vật liệu chế tạo bạc, cổ biên. Giá trị cho phép Ktb được đưa ra dựa vào kết cấu khung bệ động cơ, loại vật liệu làm bạc, bề mặt cổ biên, còn Kmax dựa vào khả năng làm việc của bạc, đầu to biên và khả năng chịu tải của màng dầu bôi trơn. Để đánh giá mức độ va đập của lực tác dụng Hình 1.23. Đồ thị lực T - Z tác dụng lên cổ thường sử dụng hệ số va đập : = Kmax/Ktb. Đối biên khi thay đổi vòng quay và phụ tải. với động cơ hình thùng  4, đối với động cơ a) n = ndm/2; b) n = nmax ; c) Có tăng áp. chữ V dạng biên khớp  1,5. Tuy nhiên có những trường hợp  > 4, nhưng giá trị Kmax nhỏ hơn nhiều so với giá trị cho phép thì vẫn có thể sử dụng. Để điều chỉnh hệ số va đập  có thể điều chỉnh khối lượng tham gia chuyển động quay, hợp lí nhất là điều chỉnh khối lượng nửa dưới đầu to biên. 21
Trong quá trình khai thác động cơ, khi thay đổi vòng quay trục khuỷu nếu không thay đổi lượng nhiên liệu cấp chu trình thì Pj thay đổi theo làm cho lực tác dụng lên cổ biên, bạc biên cũng thay đổi. Khi thay đổi tải động cơ hoặc tăng áp suất tăng áp cũng làm thay đổi lực tác dụng lên cổ biên, bạc biên. Đồ thị lực tác dụng lên cổ biên ứng với vòng quay khai thác bằng 1/2 vòng quay định mức được biểu diễn trên hình 1.23a, ứng với vòng quay cực đại đồ thị biểu diễn trên hình 1.23b và đồ thị lực tác dụng lên cổ biên đối với động cơ tăng áp được biểu diễn trên hình 1.23.c. Từ đồ thị hình 1.23a và hình 1.23b ta thấy: khi tăng vòng quay động cơ do lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến tăng lên, trong khi lực khí thể không thay đổi nên phần đuôi đồ thị (ứng với giai đoạn cháy) rút ngắn lại, còn phần đầu đồ thị tăng lên, khi đó lực cực đại T tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu giảm xuống, đồng thời cũng làm giảm mô men quay của động cơ. Từ đồ thị hình 1.23c ta thấy: mức độ tăng áp càng cao phần đuôi đồ thị Z càng dài thêm, do đó phụ tải lực đối với cơ cấu biên khuỷu tăng lên, điều đó lí giải vid sao phải sử dụng bạc lót đồng chì đối với đối với động cơ tăng áp. Hình 1.24. Đồ thị lực T - Z tác dụng lên bạc biên (đầu to biên) 1.2.5. Đồ thị lực tác dụng lên bạc biên (đầu to biên) Trên cơ sở đồ thị lực tác dụng lên cổ biên ta xây dựng lực tác dụng lên bạc biên (đầu to biên). Để xây dựng đồ thị ta có một số nhận xét sau: - Lực tác dụng lên bạc biên có trị số bằng lực tác dụng lên cổ biên, cùng phương, nhưng ngược chiều, có điểm đặt lệch một góc +  so với điểm đặt lực trên cổ biên. - Chiều quay đầu to biên ngược với chiều quay cổ biên. Theo nguyên tắc trên ta xây dựng được đồ thị lực tác dụng lên đầu to biên bằng cách thủ công hoặc lập trình trên máy tính. Có thể xây dựng được đồ thị lực tác dụng lên đầu to biên bằng cách thủ công theo các bước như sau: - Vẽ dạng đầu to biên có tâm 0 lên tờ giấy bóng mờ, vẽ đường tròn tâm 0 có bán kính lớn hơn. Đánh dấu trên đường tròn theo chiều kim đồng hồ các điểm 00,150,300, 450, tương 0 0 ứng với các góc ( + ) , kể từ điểm 0 là giao điểm của đường tròn với đường tâm thân biên. Góc ( + )0 thay đổi theo phụ thuộc hành trình công tác có thể tra bảng. - Đặt tờ giấy bóng mờ lên đồ thị lực T - Z tác dụng lên cổ biên, sao cho tâm 0 trên tờ giấy trùng với tâm 0 trên đồ thị, lần lượt xoay tờ giấy cho các điểm 00,150,300, 450, trùng với chiều dương trục Z của đồ thị và đánh dấu các điểm lực tác dụng tương ứng. Sau đó nối các điểm đó lại ta có đồ thị lực tác dụng lên bạc biên. Đồ thị thu được biểu diễn trên hình 1.24. 1.2.6. Lực tác dụng lên cổ trục động cơ nhiều xi lanh Lực tác dụng lên cổ trục là hợp lực các phản lực tác dụng lên hai khuỷu có chung cổ trục, nên nó phụ thuộc vào góc lệch giữa hai khuỷu trục và lực tác dụng lên hai cổ biên có chung cổ trục. Tình trạng chịu lực của cổ trục phụ thuộc vào góc lệch khuỷu, thứ tự nổ của động cơ, vị trí của cổ nằm trong trục khuỷu. Nói chung, chỉ có cổ trục phía đầu và phía đuôi và cổ nằm giữa (đối với số khuỷu trục chẵn) trục khuỷu chịu lực khác, các cổ trục còn lại chịu lực giống 22
nhau. Thông thường ta chỉ tính toán và kiểm nghiệm cho cổ trục chịu lực và mô men lớn nhất. Ci Cổ biên i Ti Zi Ci+1 Zi Zi+1  Z''i Ti+1 T'i C'i Ci T i T''i T'i+1 Cổ biên i+1 C''i T''i M'qi M''qi Z'i+1 l'i l''i C'i+1 Z'i Z''i C''i l'i Cổ trục i, i+1 a) b) Hình 1.25. Sơ đồ lực tác dụng lên cổ biên và cổ trục a) Sơ đồ lực tác dụng lên khuỷu trục thứ i; b) Sơ đồ lực tác dụng lên cổ trục thứ i, i+1. Ta xét sơ đồ lực tác dụng lên cổ trục nằm giữa hai cổ biên thứ i và thứ i + 1, lệch nhau góc , biểu diễn trên hình 1.25. Lực tác dụng lên cổ biên là tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực quán tính li tâm của khối lượng tham gia chuyển động quay C. Để xây dựng sơ đồ lực ta qui ước đối với cổ biên thứ i có phản lực của cổ trục phía đầu trục khuỷu là Ti’, Zi’ , Ci’; phản lực của cổ trục phía đuôi trục khuỷu là Ti’’, Zi’’, Ci’’. Từ đó ta xét phản lực của các lực Ti, Zi , Ci ứng với cổ biên thứ i lên các cổ trục thứ  (i-1), i và i, (i+1) như sau: '' ' ' Z ili '' Z ili  Z i ; Z i li li '' ' ' Tili '' Tili Ti ; Ti  (1.27) li li '' ' ' Cili '' Cili Ci ; Ci li li  Tương tự như trên, phản lực của các lực Ti+1, Zi+1 , Ci+1 ứng với cổ biên thứ i+1 lên các cổ trục thứ  i, (i+1) và (i+1), (i+2) như sau: '' ' ' Z i 1li 1 '' Z i 1li 1  Z i 1 ; Z i 1 l l i 1 i 1 '' ' ' Ti 1li 1 '' Ti 1li 1 Ti 1 ; Ti 1  (1.28) li 1 li 1 '' ' ' Ci 1li 1 '' Ci 1li 1 Ci 1 ; Ci 1 li 1 li 1  Dựa vào sơ đồ lực tác dụng lên cổ trục i, (i+1) và giá trị các lực tính theo 1.27, 1.28 ta xây dựng được phương trình lực pháp tuyến, tiếp tuyến tác dụng lên cổ trục này (lực quán tính Ci,i+1 tính sau vì giá trị lực này là một hằng số): 23
'' ' ' Z i,i 1 Z i Z i 1 cos Ti 1 sin  (1.29) '' ' '  Ti,i 1 Ti Ti 1 cos Z i 1 sin  Để thuận tiện cho việc xây dựng đồ thị lực tác dụng lên cổ trục ta lập bảng tính giá trị Zi,i+1, Ti,i+1 theo góc quay trục khuỷu. Việc tính lực tác dụng lên cổ trục có thể Z tính bằng máy tính bỏ túi hoặc xây dựng thuật toán, lập chương trình và tính trên máy tính bằng các ngôn ngữ khác nhau. Đối với cổ trục nằm giữa hai cổ biên có góc lệch khuỷu 3600 thì khi lập bảng tính chỉ cần tính ứng với 1 vòng quay trục khuỷu. Với giá trị lực đã xác định sẽ vẽ được đồ thị lực tác dụng lên cổ trục (hình 1.26). Để tìm gốc đồ thị ta đặt lực Ci’’, C’i+1 lên đồ thị lực tác dụng lên cổ trục hình 1.26. '' ' Zoi,i 1 Ci Ci 1 cos  (1.30) '  Toi,i 1 Ci 1 sin  Sau khi có đồ thị lực tác dụng lên cổ trục sẽ xây dựng được đồ thị Q - , tương tự như tính đối với cổ biên ta xác định được ktb, kmax. Trong quá trình hoạt động khe hở dầu giữa cổ và bạc biên được tự chỉnh thông qua khe hở giữa bạc và chốt đầu nhỏ biên, trong khi đó khe hở dầu giữa cổ và bạc trục không thể tự chỉnh. Do điều kiện làm việc của cổ trục khắc nghiệt hơn cổ biên, nên giá trị ktb lấy 375 nhỏ hơn so với cổ biên 20% và kmax lấy nhỏ hơn so với cổ biên 40%. Từ kết quả Hình 1.26. Đồ thị lực T - Z tác dụng lên cổ trục có góc 0 thu được, nếu giá trị ktb lớn hơn giá trị lệch khuỷu 240 . cho phép, thì phải hiệu chỉnh bằng cách tăng khối lượng đối trọng để cân bằng, đồng thời giảm phụ tải tác dụng lên ổ trục và khung bệ động cơ. 1.2.7. Đồ thị lực tác dụng lên bạc trục Dựa vào đồ thị lực tác dụng lên cổ trục ta xây dựng đồ thị lực tác dụng lên bạc trục (ổ trục). Tương tự như lực tác dụng lên bạc biên, lực tác dụng lên bạc trục cũng cùng trị số, điểm đặt lực, cùng phương, nhưng ngược chiều tác dụng. Đồ thị lực tác dụng lên bạc trục cũng có thể xây dựng bằng cách thủ công hoặc lập trình trên máy tính. Bằng phương pháp thủ công có thể vẽ theo các bước sau: 24
- Vẽ đường tròn có tâm 0 tượng trưng cho ổ trục trên tờ giấy bóng mờ; - Vẽ đường tròn tâm 0 lớn hơn, có bán kính tuỳ ý và chia thành nhiều phần đều nhau (thường chia thành 24 phần, mỗi phần 150). Điểm 00 là giao điểm của đường tâm má khuỷu khi cổ biên nằm ở ĐCT với đường tròn lớn và đánh số các phần chia theo chiều kim đồng hồ 150, 0 0 30 , 45 - Đặt tờ giấy bóng mờ này lên đồ thị lực tác dụng lên cổ trục sao cho tâm 0 trên tờ giấy bóng mờ trùng với tâm 0 trên đồ thị lực tác dụng lên cổ trục, lần lượt xoay cho 0 0 0 các điểm 15 , 30 , 45 trùng với chiều dương trục Z, lần lượt đánh dấu điểm tương ứng các lực tác dụng lên cổ trục, sau đó nối các điểm lại với nhau ta có đường cong lực tác dụng lên bạc trục (ổ trục). Hình 1.27. Đồ thị lực T - Z tác dụng lên bạc trục Đồ thị lực tác dụng lên bạc trục (ổ trục) biểu diễn trên đồ thị hình 1.27. 1.2.8. Đồ thị mài mòn Mục đích của việc xây dựng đồ thị mài mòn cổ trục, cổ biên là để nhìn thấy bức tranh tổng thể về tình trạng chịu lực tại các điểm trên bề mặt cổ trục, cổ biên, từ đó tìm được khu vực chịu lực nhỏ nhất. Ứng với vị trí này có thể khoan lỗ dầu bôi trơn. Tuy nhiên, không nhất thiết phải khoan lỗ dầu tại vị trí chịu lực bé nhất, vì để phân bố lớp dầu đều trên bề mặt ma sát người ta đã phay rãnh dầu trên bề mặt bạc trùng với lỗ dầu trên cổ trục hay cổ biên, do đó lỗ dầu bôi trơn được khoan tại vị trí thuận tiện cho công nghệ gia công và giảm ứng suất tập trung. Có thể xây dựng đồ thị mài mòn bằng cách lập bảng với giả thiết lực tác dụng lên một vị trí nào đó sẽ ảnh hưởng trong khoảng 1200 TK. 1.2.9. Xác định hệ lực và mô men tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu bằng phương pháp số a. Sử dụng số liệu để tính toán và trình tự tính hệ lực và mô men tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu Mục đích của việc tính toán là lập bảng số liệu và xây dựng các đồ thị về các lực tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu, trên cơ sở đó biết rõ tình hình chịu lực của các chi tiết, nhằm tính sức bền hay nghiệm bền và dự đoán độ hao mòn các chi tiết. Các thông số này giúp cho việc lập kế hoạch khai thác động cơ diesel và đề xuất các giải pháp nâng cao tuổi thọ các chi tiết. Để phục vụ cho việc tính toán hệ lực và mô men tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu ta sử dụng các số liệu, công thức và tính theo trình tự như sau: - Các thông số kinh tế, kĩ thuật và thông số kết cấu của động cơ diesel: loại động cơ diesel, số xi lanh, suất tiêu hao nhiên liệu, vòng quay, công suất có ích, kích thước xi lanh, hành trình piston, góc phối khí, góc cấp sớm nhiên liệu, kích thước và khối lượng nhóm piston - cơ cấu biên khuỷu; 25
- Các công thức tính chu trình công tác động cơ diesel; - Trên cơ sở lí thuyết động cơ diesel xây dựng thuật toán và đồ thị thay đổi áp suất pkt và các thông số công tác theo góc quay trục khuỷu ứng với một chu trình làm việc của động cơ bằng phương pháp cân bằng năng lượng; - Công thức (1.7) tính P = f( ); Vào số liệu kt ban đầu - Công thức (1.1  1.5) và (1.8  1.13) tính các thông số trung gian và Pj = f( ); Tính Pkt theo phương pháp - Công thức (1.14  1.18) tính Pt, N, Pb, T, Z, cân bằng năng lượng C, Cb theo góc quay trục khuỷu; - Xây dựng bảng số liệu P , N, P , T, Z, C, C t b b Tính m , j, P , P , N, P , T, theo góc quay trục khuỷu; tt j t b Z, C, Cb - Dựa vào số xi lanh, số kì và thứ tự nổ đã chọn, tính góc công tác, góc làm việc và lập bảng các hành của chu trình công tác trong xi lanh Tính = 1 + ct động cơ (bảng 1.1); - Tính Ptb, Pmax, P’tb, P’max và xây dựng các Tính Pkt = Pkt theo ( 1 + ct) đồ thị Pkt - , Pj - , Pt - , T - , Z - , Pb - , + N - , T - , Z-T tác dụng lên cổ biên , bạc = Tính P , P , P , N, P , T , biên, cổ trục, bạc trục. kt j t b 2 Z2, C, Cb b. Xây dựng thuật toán Tính C , C , Dựa vào sơ đồ hệ lực và mô men tác dụng lên cb dt Px, Py ngóm piston - cơ cấu biên khuỷu; kết cấu trục khuỷu và số liệu, các công thức tính toán xây dựng được sơ đồ thuật toán, biểu diễn trên hình S 1.28. >720 c. Lập chương trình tính trên máy vi tính Đ Trên cơ sở sơ đồ thuật toán tính hệ lực và mô men tác dụng lên nhóm piston - cơ cấu biên Tính Ptb, Pmax, P’tb, P’max khuỷu, cũng như các công thức và số liệu trình Xây dưng các đồ thị Pkt - , bày trên mục a, tiến hành lập trình để tính toán. Pj - , Pt - , T - , Z - , Đây là một bài toán đơn giản nên có thể sử dụng Pb - , N - , Z-T, T - các ngôn ngữ khác nhau để lập trình. d. Kết quả tính Kết thúc Kết quả tính được nạp vào bảng số liệu và xây dựng các đồ thị theo nhu cầu ngưới lập trình. Kết Hình 1.28. Sơ đồ thuật toán tính hệ lực quả xây dựng đồ thị tương tự như các hình đã và mô men tác dụng lên nhóm piston - cơ cấubiênkhuỷu. trình bày. 26
Bảng 1.3. Giá trị góc  phụ thuộc vào góc và  u  u ấ ấ D 1/3,2 1/3,4 1/3,6 1/3,8 1/4,0 1/4,2 1/4,4 1/4,6 1/4,8 1/5,0 D 00 + 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' - 3600 100 + 3007' 2056' 2046' 2037' 2029' 2022' 2016' 2010' 2004' 1059' - 3500 200 + 6008' 5046' 5027' 5010' 4054' 4040' 4027' 4016' 4005' 3055' - 3400 300 + 8059' 8027' 7059' 7034' 7011' 6050' 6031' 6014' 5059' 5044' - 3300 400 + 11035' 10054' 10017' 9044' 9015' 8048' 8024' 8002' 7042' 7024' - 3200 500 + 13051' 13001' 12017' 11038' 11002' 10031' 10002' 9035' 9011' 8049' - 3100 600 + 15042' 14045' 13055' 13010' 12030' 11054' 11021' 10051' 10024' 9058' - 3000 700 + 17005' 16003' 15008' 14019' 13035' 12056' 12020' 11047' 11017' 10050' - 2900 800 + 17055' 16050' 15053' 15001' 14015' 13034' 12056' 12022' 11050' 11022' - 2800 900 + 18013' 17006' 16008' 15015' 14029' 13047' 13008' 12033' 12001' 11032' - 2700 1000 + 17055' 16050' 15053' 15001' 14015' 13034' 12056' 12022' 11050' 11022' - 2600 1100 + 17005' 16003' 15008' 14019' 13035' 12056' 12020' 11047' 11017' 10050' - 2500 1200 + 15042' 14045' 13055' 13010' 12030' 11054' 11021' 10051' 10024' 9058' - 2400 1300 + 13051' 13001' 12017' 11038' 11002' 10031' 10002' 9035' 9011' 8049' - 2300 1400 + 11035' 10054' 10017' 9044' 9015' 8048' 8024' 8002' 7042' 7024' - 2200 1500 + 8059' 8027' 7059' 7034' 7011' 6050' 6031' 6014' 5059' 5044' - 2100 1600 + 6008' 5046' 5027' 5010' 4054' 4040' 4027' 4016' 4005' 3055' - 2000 1700 + 3007' 2056' 2046' 2037' 2029' 2022' 2016' 2010' 2004' 1059' - 1900 1800 + 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' 0000' - 1800 27
1.2.10. Sơ đồ bố trí khuỷu trục và thứ tự làm việc của các xi lanh Bảng 1.4. Đối với một số động cơ 4 kì, 1 hàng xi lanh Số xi Sơ đồ vị trí khuỷu Góc lêch Góc công Thứ tự làm việc của lanh trục khuỷu () tác (k) các xi lanh 1-2 2 3600 3600 1-2 1 2 1800 1800 và 5400 1-2 2 1 3 1200 1200 1 - 2 - 3 2 1-4 1 - 3 - 4 - 2 4 1800 1800 1 - 2 - 3 - 4 2-3 1 5 5 4 720 1440 1 - 2 - 4 - 5 - 3 2 3 1-6 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 6 1200 1200 1 - 4 - 2 - 6 - 3 - 5 1 - 3 - 5 - 6 - 4 - 2 5-2 3-4 1-8 1 - 6 - 2 - 5 - 8 - 3 - 7 - 4 6 4 1 - 6 - 2 - 4 - 8 - 3 - 7 - 3 5 5 8 900 900 2-7 1 - 3 - 7 - 5 - 8 - 6 - 2 - 4 1 - 3 - 7 - 4 - 8 - 6 - 2 - 5 1-10 1 - 6 - 2 - 8 - 4 - 10 - 5 - 9 - 3 - 7 10 6-5 4-7 720 720 1 - 6 - 9 - 3 - 7 - 10 - 5 2-9 3-8 - 2 - 8 - 4 1-6 10-3 6-7 12 600 600 9-4 5-8 1 - 6 - 9 - 2 - 8 - 3 - 12 2-11 - 7 - 4 - 11 - 5 – 10 28
Đối với một số động cơ 2 kì, 1 hàng xi lanh Sơ đồ vị trí khuỷu Góc lệch Góc công tác Thứ tự làm việc của các Số xi lanh trục khuỷu () (k) xi lanh 1 2 1800 1800 1-2 2 1 3 1200 1200 1 - 2 - 3 2 3 1 0 0 1 - 3 - 2 - 4 4 3 32 90 90 1 - 2 - 4 - 3 4 1 0 0 1 - 4 - 2 - 3 4 4 3 90 90 1 - 3 - 2 - 4 2 1 5 5 4 720 720 1 - 5 - 2 - 3 - 4 3 2 1 5 4 1 - 5 - 3 - 6 -2 - 4 6 600 600 1 - 4 - 2 - 6 - 3 - 5 3 2 6 1 6 5 1 - 6 - 2 - 4 - 3 - 5 6 600 600 1 - 5 - 3 - 4 - 2 - 6 2 3 4 1 7 6 7 51026’ 51026’ 1 - 7 - 2 - 5 - 4 - 3 - 6 2 3 5 4 1 6 7 0 0 8 4 32 45 45 1 - 6 - 4 - 5 - 3 - 8 - 2 – 7 5 8 3 29
1 8 7 8 2 3 450 450 1 - 8 - 2 - 6 - 4 - 5 - 3 – 7 6 5 4 1 9 8 1 - 9 - 2 - 7 - 4 - 9 2 3 400 400 3 5 - 6 - 3 - 8 7 6 4 5 1 9 8 1 - 9 - 4 - 3 - 7 - 9 4 6 400 400 3 5 - 2 - 6 - 8 3 2 7 5 1 9 10 2 3 0 0 1 - 10 - 2 - 8 - 4 - 10 3 36 36 8 7 - 6 - 5 - 7 - 3 - 9 4 5 6 1 12 11 2 3 1 - 12 - 2 - 10 - 4 - 12 10 9 300 300 3 8 - 6 - 7 - 5 - 9 - 3 - 11 4 5 8 6 7 Đối với một số động cơ 4 kì hình chữ V Số xi Sơ đồ vị trí    Thứ tự nổ lanh khuỷu trục k  1 90 - 150 - 1T - 3T - 2T - 2P - 1P- 3P  900 1200 90 - 150 - 1T - 1P - 2T - 2P - 3T- 3P 90 - 150 6 2 90 - 150 - 1200 1200 90 - 150 - 1T - 3T - 2T - 3P - 1P- 2P 90 - 150  1 0 0 0 1T - 3T - 3P - 2T - 2P- 1P - 8 32 90 90 90 4T - 4P 4 1-6  90 - 150 - 1T - 6P - 5T - 2P - 3T- 4P 12 600 1200 90 - 150 - 6T - 1P - 2T - 5P - 4T- 3P 90 - 150 2-5 3-4  1-8 1T - 8P - 3T - 6P - 4T - 5P - 16 450 900 450 2T - 7P - 8T - 1P - 6T - 3P - 3-6 7 5T - 4P - 7T - 2P 2 30
1T - 7P - 3T - 8P - 4T - 6P- 0 0 0 4-5 135 90 45 2T - 5P - 8T - 2P - 6T - 1P - 5T - 3P - 7T - 4P Đối với một số động cơ 2 kì hình chữ V Số xi Sơ đồ vị trí    Thứ tự nổ lanh khuỷu trục k  1 0 0 1T - 1P - 2T - 2P - 3T- 90 120 90 và 30 3P 6 1T - 1P - 2T - 2P - 3T- 600 1200 60 2 3P 1 1T - 4P - 3T - 1P -  900 900 450 và 0 2T - 3P - 4T - 2P 8 3 4 3 1T - 1P - 3T - 3P - 2T - 450 900 450 2P- 4T - 4P 2 1T - 5P - 6T - 1P - 2T - 0 0 0 90 60 30 6P- 4T - 2P - 3T - 4P - 5T - 3P  1 1T - 5P - 6T - 1P - 2T - 0 0 0 0 12 6 5 60 60 60 và 0 6P- 4T - 2P - 3T - 4P - 5T - 3P 2 3 1T - 1P - 6T - 6P - 2T - 0 0 0 0 4 45 60 45 và 15 2P- 4T - 4P - 3T - 3P - 5T - 5P  1T - 7P - 8T - 1P - 2T - 8P - 6T - 2P - 4T - 6P - 1 450 450 450 và 00 8 7 5T - 4P - 3T - 5P - 7T 2 3 - 3P 16 3 6 5 1T - 7P - 8T - 1P - 2T - 8P - 6T - 2P - 4T - 6P - 4 67,50 450 22,50 5T - 4P - 3T - 5P - 7T - 3P  - góc lệch giữa hai hàng xi lanh của động cơ chữ V  - góc lệch giữa hai khuỷu trục liên tiếp k - góc giữa hai hai lần nổ liên tiếp của hai xi lanh CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 1. Vẽ các dạng sơ đồ cơ cấu biên khuỷu của động cơ đốt trong và biểu diễn các thông số đặc trưng? 2. Viết công thức độ dịch chuyển, vận tốc, gia tốc của piston theo góc quay trục khuỷu? 3. Giải thích qui luật thay đổi gia tốc của piston theo góc quay trục khuỷu? 4. Khi động cơ hoạt động cơ cấu biên khuỷu chịu tác dụng của các lực và mô men nào? 5. Xác định lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston? 6. Vẽ và giải thích qui luật thay đổi áp lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston theo góc quay trục khuỷu? 31
7. Viết và giải thích công thức tính lực quán tính theo góc quay trục khuỷu? 8. Giải thích qui luật thay đổi lực quán tính theo góc quay trục khuỷu? 9. Xác định lực quán tính tác dụng lên bạc chốt piston? 10. Xác định lực quán tính tác dụng lên cổ biên? 11. Giải thích qui luật thay đổi lực quán tính tác dụng lên cổ biên theo góc quay trục khuỷu động cơ? 12. Xác định tổng hợp lực tác dụng lên chốt piston? 13. Xác định tổng hợp lực tác dụng lên cổ biên? 14. Xác định tổng hợp lực tác dụng lên cổ trục? 15. Xác định tổng hợp lực tác dụng lên bạc trục? 16. Vẽ và giải thích qui luật thay đổi lực pháp tuyến, lực tiếp tuyến tác dụng lên khuỷu trục theo góc quay trục khuỷu động cơ 4 kỳ? 17. Vẽ và giải thích qui luật thay đổi lực đẩy ngang N và lực chính tâm tác dụng lên thân biên theo góc quay trục khuỷu động cơ 4 kỳ? 18. Vẽ và giải thích qui luật thay đổi lực tiếp tuyến T tác dụng lên cổ biên theo góc quay trục khuỷu đối với động cơ 2 kỳ? 19. Trình bày các nhận xét sau khi nghiên cứu hệ lực tác dụng lên động cơ? 20. Thế nào là góc công tác, cách xác định? 21. Thế nào là thứ tự nổ? Cơ sở để chọn thứ tự nổ của động cơ? 22. Kết cấu của bộ phận hay thiết bị nào trên động cơ quyết định thứ tự nổ của động cơ? 23. Động cơ có trục khuỷu quay theo chiều phải chuyển sang khai thác theo chiều quay trái có được không? Giải thích? 24. Biểu diễn hệ lực tác dụng lên cổ biên và cổ trục của động cơ nhiều khuỷu trục? 25. Giải thích nguyên nhân gây ra mô men quay của động cơ không đồng đều? 26. Viết công thức độ không đồng đều mô men quay của động cơ và đề xuất giải pháp khắc phục? 27. Viết công thức mức độ không đồng đều vòng quay của trục khuỷu động cơ và cho biết mức độ không đồng đều vòng quay cho phép của các loại động cơ diesel nằm trong khoảng bao nhiêu? 28. Viết công thức tính bánh đà động cơ và giải thích vì sao động cơ càng ít xi lanh thì kích thước và khối lượng bánh đà càng lớn? 29. Viết các điều kiện để động cơ đốt trong kiểu piston cân bằng trong quá trình hoạt động? 30. Trình bày trình tự xác định bu lông bệ động cơ? 31. Xác định vùng chịu lực lớn nhất của bạc trục, bạc biên và cổ trục, cổ biên động cơ? 32. Đề xuất giải pháp giảm lực tác dụng lên ổ đỡ động cơ? 33. Giải thích hiện tượng rung động động cơ trong quá trình làm việc? 34. Vì sao động cơ 2 kỳ công suất lớn phải dùng kết cấu có guốc trượt? 35. Trên piston tại mặt cắt nào chịu lực kéo lớn nhất? vì sao? 32
Chương 2 SƠ LƯỢC VỀ KẾT CẤU ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1. Một số yêu cầu đối với kết cấu động cơ diesel - Tính tin cậy trong quá trình công tác: là khả năng động cơ diesel làm việc lâu dài trong các điều kiện khai thác khác nhau, không gián đoạn và không chết đột ngột, có khả năng hoạt động ổn định ở chế độ vòng quay thấp (25-30% vòng quay định mức) và có khả năng quá tải 10-15% công suất. - Tính kinh tế cao: khi khai thác động cơ diesel ứng với các đường đạc tính thì suất tiêu hao nhiên liệu và suất tiêu hao dầu nhờn phải bé. - Tuổi thọ động cơ dài: thời gian giữa hai kì sữa chữa dài, khoảng thời gian này do tính cao tốc và giá trị phụ tải tác dụng lên động cơ quyết định. - Khởi động dễ dàng: bất kỳ trục khuỷu nằm ở vị trí nào, động cơ ở trạng thái nóng hay nguội đều khởi động được; năng lượng dùng để khởi động bé, áp suất khởi động không cao. - Khi làm việc không gây rung động mạnh đối với thiết bị lắp động cơ: toàn bộ lực quán tính và mô men quán tính của động cơ phải cân bằng. - Đối với động cơ diesel thấp tốc có khả năng sử dụng các loại nhiên liệu nặng khác nhau. - Bảo đảm tháo lắp các chi tiết chủ yếu của động cơ dễ dàng. - Bộ điều tốc hoạt động linh động, đảm bảo động cơ nhanh chóng hồi phục khi tải tác động, đặc biệt là đối với động cơ diesel lai máy phát điện. 2.2. Một số thông số kĩ thuật chủ yếu của động cơ diesel Với mỗi động cơ diesel sau khi chế tạo đều có hồ sơ kĩ thuật, trong hồ sơ ghi đầy đủ các thông số kĩ thuật và kinh tế của động cơ, bảng danh mục các chi tiết, ký hiệu, khối lượng và vật liệu chế tạo. Ngoài ra còn có bản hướng dẫn sử dụng. Nhờ vậy mà người khai thác có cơ sở để khai thác động cơ diesel đạt hiệu quả cao. Sau đây là một số thông số chủ yếu của động cơ diesel. 2.2.1. Công suất và vòng quay động cơ diesel - Công suất động cơ diesel Trong hồ sơ kĩ thuật chỉ đưa ra công suất và vòng quay chế độ định mức được đo tại mặt bích đầu ra của động cơ diesel, ứng với điều kiện khí hậu môi trường nơi chế tạo. Công suất và vòng quay của động cơ diesel ứng với các chế độ làm việc khác nhau, đặc biệt ứng với chế độ làm việc định mức, được nhà máy chế tạo qui định, dựa trên kết quả thử nghiệm và được ghi vào hồ sơ kĩ thuật của động cơ. Số liệu thử nghiệm đo trên bệ sau khi chế tạo động cơ ứng với điều kiện môi trường tại nơi chế tạo: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và đối áp trên đường ống xả. Đối với động cơ diesel tàu thuỷ có thể dựa vào công suất động cơ để phân ra thành các nhóm: Công suất nhỏ: Ne 10000 mã lực (≈ 7353 kW) Công suất một xi lanh của động cơ diesel có giới hạn rất rộng từ 1÷2500 kW. Công suất có ích của động cơ diesel có thể tính theo nhiều công thức khác nhau. Đối với động cơ chính tàu thuỷ lai chong chóng định bước thì công suất dùng để đẩy tàu đi tỉ lện với bậc 3 vòng quay hệ trục. Khi khai thác ở nơi có điều kiện môi trường khác với nơi chế tạo cần phải tính đổi để điều chỉnh chế độ khai thác hợp lí tránh quá tải cho động cơ. Đối với động cơ diesel không tăng áp có thể xác định công suất nơi khai thác theo công thức: 32
760 530 + t N = N ' 0 e e B 545 Ne' - công suất đo được khi thử nghiệm tại nơi chế tạo, kW; B - áp suất không khí môi trường nơi khai thác, mmHg; 0 t0 - nhiệt độ không khí môi trường nơi khai thác, C. Trong quá trình khai thác, công suất và vòng quay động cơ diesel thay đổi trong giới hạn rộng, phụ thuộc vào phụ tải và tác động môi trường hoạt động. Công suất có mối quan hệ với vòng quay thuỳ thuộc vào đặc tính khai thác (xem thêm phần lí thuyết động cơ diesel). - Vòng quay động cơ diesel Đối với động cơ diesel tàu thuỷ, đặc biệt động cơ có công suất lớn truyền động trực tiếp, người ta mong muốn vòng quay nhỏ để tăng hiệu suất chong chóng. Đối với tàu thuỷ trọng tải lớn thường sử dụng động cơ chính là động cơ diesel thấp tốc, với mục đích giảm lực quán tính tác dụng lên các chi tiết chuyển động chủ yếu của động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu, tăng độ cứng vững, tăng tuổi thọ động cơ. Dựa vào vòng quay trục khuỷu và tốc độ trung bình của piston có thể xác định tính cao tốc động cơ. Tốc độ trung bình của piston xác định theo công thức: Cm = Sn/30, m/s. Đây là một trong các chỉ tiêu quan trọng của động cơ diesel. Chỉ tiêu này quyết định tính cao tốc, mức độ hao mòn của động cơ diesel. - Động cơ diesel có vòng quay và tốc độ trung bình của piston thấp thường được trang bị cho tàu biển: 100 ≤ n 8,5 m/s, thường được sử dụng cho nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Loại động cơ này có công suất khoảng 20 ≤ Ne < 600 kW, thường là kết cấu dạng động cơ bốn kì,có thể tuyền động trực tiếp hoặc gián tiếp qua hộp số chothiết bị tiêu thụ năng lượng. 2.2.2. Áp suất có ích trung bình Áp suất có ích trung bình đặc trưng cho mức độ hoàn thiện về kết cấu của động cơ. Áp suất có ích trung bình phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là mức độ tăng áp, chất lượng quá trình nạp, cấp nhiên liệu, chất lượng quá trình hoà trộn hỗn hợp và cháy, cũng như các thông số hiệu chỉnh. Áp suất có ích trung bình được tính thông qua công suất có ích và vòng quay của động cơ (thông số này được xác định thông qua kết quả thử bệ). Đối với động cơ diesel tàu thuỷ giá trị áp suất có ích trung bình pe (kPa) ứng với công suất và vòng quay định mức nằm trong giới hạn sau: Động cơ diesel 4 kì không tăng áp: 500 ÷ 600 Động cơ diesel 4 kì tăng áp: 1200 ÷ 2500 Động cơ diesel 2 kì không tăng áp: 450 ÷ 650 Động cơ diesel 2 kì tăng áp: 750 ÷ 1600 2.2.3. Chỉ tiêu về cường hoá động cơ Khi kích thước, số kì và vòng quay trục khuỷu động cơ đã xác định, công suất xi lanh có thể tăng lên nếu tăng pe và Cm, nghĩa là động cơ được cường hoá theo pe và Cm. Tích số (peCm) đặc trưng cho mức độ hoàn thiện của chu trình công tác của động cơ, mức độ tăng áp và mức độ cao tốc của động 33
cơ. Một chỉ tiêu khác cũng đặc trưng cho mức độ cường hoá động cơ là công suất ứng với một đơn vị 2 2 diện tích đỉnh piston Np = Nex/i (kW/dm ). Đối với động cơ bốn kì Np = peCm /3 (kW/dm ), đối với 2 động cơ hai kì Np = peCm /1,5 (kW/dm ). Giá trị Np đối với động cơ diesel tàu thuỷ 4 kì không tăng 2 2 áp nằm trong khoảng 7 ÷ 20 kW/dm , động cơ hai kì khoảng 10 ÷ 27 kW/dm . Khi tăng áp Np tăng lên gần như tỷ lệ với tỷ số tăng áp. 2.2.4. Số xi lanh Khi thiết kế và chế tạo số xi lanh trên một động cơ thường được lựa chọn dựa vào các yêu cầu sau: - Trục khuỷu nằm ở bất kì vị trí nào cũng có thể khởi động được, đối với động cơ 4 kì số xi lanh i ≥ 6, đối với động cơ 2 kì số xi lanh i ≥ 4; - Lực và mô men quán tính của các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay phải được cân bằng; - Đảm bảo động cơ làm việc ổn định; - Kích thước động cơ nhỏ gọn. Tuỳ thuộc công dụng và loại động cơ diesel mà số xi lanh trong một hàng có thể lựa chọn từ 1 ÷ 12. Thực tế thường chế tạo nhiều nhất là động cơ bốn kì có 6 xi lanh trở lên và động cơ hai kì có 4 xi lanh. 2.2.5. Đường kính xi lanh Đối với trang bị cho ngành đóng tàu có đường kính xi lanh nằm trong khoảng rộng: - Động cơ diesel dạng hình thùng (không có con trượt) D = 65÷600 mm; - Động cơ diesel hai kì (có con trượt) D = 440÷1060 mm. Động cơ có đường kính xi lanh nhỏ thì diện tích bề mặt làm mát tường đối lớn (tỷ số giữa diện tích bề mặt xung quanh và thể tích buồng cháy) nên khó khởi động, đặc biệt là khi nhiệt độ không khí môi trường thấp. Nếu đường kính xi lanh lớn thì ứng suất nhiệt tăng lên (cả đối với ống lót xi lanh, nắp xi lanh và đỉnh piston). Khi đó khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến tăng lên, phụ tải tác dụng lên bề mặt các chi tiết chuyển động tương đối cũng tăng lên (bề mặt bạc biên, bạc trục, bạc chốt piston), đồng thời chăm sóc bảo quản khó khăn hơn. 2.2.6. Hành trình piston và tỷ số S/D Tỷ số S/D có quan hệ với hình thức động cơ và tốc độ trung bình của piston. Tỷ số S/D của các loại động cơ diesel đã chế tạo có giá trị như sau: - Động cơ thấp tốc 100 ≤ n < 350 v/ph có tỷ số 1,4 ≤ S/D < 3,0 - Động cơ trung tốc 350 ≤ n < 750 v/ph có tỷ số 1,2 ≤ S/D < 1,6 - Động cơ cao tốc 750 ≤ n < 2500 v/ph có tỷ số 0,85 ≤ S/D < 1,2 Đối với các động cơ diesel có tỷ số S/D lớn (đường kính xi lanh giảm khi cùng thể tích công tác) thì tải trọng tác dụng lên các chi tiết chuyển động cũng giảm xuống, chiều cao buồng đốt tăng lên nên quá trình cháy hoàn hảo hơn. Tuy nhiên khi đó chiều cao chung của động cơ tăng lên một ít. 2.2.7. Kích thước động cơ Kích thước động cơ phụ thuộc vào số kì, công suất, số xi lanh, mức độ cao tốc và mức độ tăng áp. Kích thước động cơ diesel tàu thuỷ dao động trong gới hạn rộng, tuỳ thuộc vào loại và công dụng của tàu. Nói chung động cơ có 3 kích thước cơ bản sau đây: L - chiều dài động cơ đo theo bệ đỡ chính (không tính ổ đỡ chặn hệ trục); B - chiều rộng động cơ, đo trên bệ đỡ chính; H - chiều cao động cơ, đo trên bệ đỡ chính. Ngoài ra người ta còn dùng các kích thước phụ khác trình bày trên hình vẽ. 34
Số liệu kích thước động cơ dùng để thiết kế trang trí động lực buồng máy. 2.3. Hình thức kết cấu của động cơ Hình thức kết cấu của động cơ phụ thuộc vào công dụng, công suất và tính cao tốc của động cơ. Về kết cấu có thể phân thành các loại động cơ sau: 2.3.1. Động cơ hình thùng Đây là loại động cơ được sử dụng phổ biến nhất. Với kiểu kết cấu này chốt piston được nối trực tiếp với biên. Trong quá trình hoạt động piston chịu lực đẩy ngang và đuôi piston làm bộ phận dẫn hướng, trượt trong xi lanh. Động cơ có công suất vừa và nhỏ thường dùng loại kết cấu này. Động cơ hình thùng có nhiều loại, trong đó phổ biến nhất là loại một hàng xi lanh thẳng đứng (hình 2.1), động cơ hai hàng xi lanh hình chữ V (hình 2.2), động cơ hai hàng xi lanh hình chữ H (hình 2.3), động cơ hình sao (hình 2.4). Thường dùng cho tàu thuỷ là động cơ một hàng xi lanh thẳng đứng. 2.3.2. Động cơ có guốc trượt Đối với động cơ có công suất lớn, bắt buộc thể tích buồng cháy và bán kính quay trục khuỷu phải lớn, nên hành trình công tác của piston cũng tăng theo tương ứng. Để loại bỏ phụ tải do lực đẩy ngang từ piston tác dụng lên xi lanh, đồng thời giảm mô men lật của động cơ người ta chế tạo động cơ có guốc trượt. Khi đó, phần guốc trượt (đầu chữ thập) nhận lực đẩy ngang từ chốt piston. Kết cấu động cơ có guốc trượt được biểu diễn trên hình 2.5 và 2.6. 2.3.3. Các hệ thống phục vụ động cơ Để đảm bảo tính tin cậy và ổn định cho quá trình làm việc của động cơ diesel người ta thường dùng các hệ thống sau đây: - Hệ thống nhiên liệu: dùng để chuẩn bị nhiên liệu và cấp vào xi lanh đúng thời điểm với lượng xác định và đảm bảo độ mịn, cũng như độ đồng đều cho phép trong toàn bộ thể tích buồng cháy, để có thể hoà trộn tốt với không khí nạp. - Hệ thống dầu nhờn: cấp dầu bôi trơn cho bề mặt làm việc các chi tiết chuyển động tương đối với nhau, làm mát và làm sạch các chi tiết này. Với các động cơ công suất lớn còn sử dụng hệ thống dầu bôi trơn xi lanh riêng. - Hệ thống làm mát: dùng để nhận nhiệt của các chi tiết và các cơ cấu có nhiệt độ cao, đồng thời truyền cho môi trường xung quanh hoặc truyền cho công chất vòng ngoài. Tuỳ thuộc loại động cơ có thể bố trí hệ thống làm mát gián tiếp và hệ thống làm mát trực tiếp. - Hệ thống khí nén: dùng để khởi động và hãm động cơ đối với động cơ diesel có công suất vừa và lớn. - Hệ thống đảo chiều: dùng để đảo chiều quay trục khuỷu đối với động cơ chính tàu thuỷ khi lai chong chóng định bước nhưng không bố trí hộp số hoặc thiết bị đảo chiều. - Hệ thống nạp, thải: dùng để đảm bảo lượng không khí cấp vào xi lanh động cơ tương ứng với lượng nhiên liệu cấp và xả sạch sản vật cháy. - Hệ thống tăng áp: dùng để tăng khối lượng riêng không khí nạp vào xi lanh động cơ. Với động cơ diesel công suất vừa và nhỏ thường dùng hệ thống tăng áp tua bin khí xả, đối với động cơ hai kì công suất lớn thường sử dụng hệ thống tăng áp hỗn hợp: tăng áp tua bin khí xả và tăng áp cơ giới. 2.4. Các chỉ tiêu kĩ thuật sử dụng Để đánh giá chất lượng và hình thức kết cấu động cơ thường dùng các chỉ tiêu đặc trưng cho tính hoàn thiện quá trình công tác, hiệu quả của thể tích công tác, tính kinh tế và thông số kích thước ngoài của động cơ. 2.4.1. Chỉ tiêu phụ tải Chỉ tiêu phụ tải được đánh giá thông qua tích số áp suất có ích trung bình, tốc độ trung bình của piston và công suất ứng với một đơn vị diện tích bề mặt xi lanh công tác: 35
Công suất có ích của xi lanh (xem phần lí thuyết động cơ diesel) có thể xác định theo công thức (kW): 2 Nexl = AD (Cmpe)z A - hệ số qui đổi; Tích số (Cmpe)z = (Cmpi)zηm , (kPa.m/s) - chỉ tiêu phụ tải của xi lanh, đặc trưng cho tính cao tốc của động cơ (Cm = sn/30), cường độ nhiệt của xi lanh (Cmpe) và điều chỉnh các thông số điều chỉnh. Ngoài ra, còn sử dụng thông số công suất ứng với một đơn vị diện tích bề mặt xi lanh công tác: 2 NF = Nexl/Fxl , (kW/cm ) Thông số này đặc trưng cho khả năng chịu tải ứng với một đơn vị diện tích bề mặt xi lanh công tác. Khi điều kiện công tác giống nhau, nếu tăng cường độ công tác của xi lanh sẽ làm giảm tuổi thọ động cơ. 2.4.2. Chỉ tiêu kinh tế Chỉ tiêu kinh tế chủ yếu của động cơ là suất tiêu hao nhiên liệu định mức ge và suất tiêu hao dầu nhờn định mức ged, có quan hệ với các thông số của chu trình công tác cũng như trạng thái kĩ thuật của động cơ. 2.4.3. Tuổi thọ động cơ Tuổi thọ động cơ là thời gian làm việc liên tục giữa hai kì sửa chữa lớn, là chỉ tiêu chung quan trọng nhất của động cơ và là tiêu chuẩn chất lượng chế tạo động cơ. Trong quá trình khai thác động cơ phải tiến hành các dạng sửa chữa sau: - Sửa chữa nhỏ: kiểm tra nhóm piston, khe hở giữa các chi tiếy chuyển động tương đối với nhau, hệ thống nhiên liệu, hệ thống phối khí và thay thế xéc măng. - Sửa chữa vừa: kiểm tra và doa lại ống lót xi lanh, có thể thay piston (nếu doa lại ống lót xi lanh), thay thế bạc trục, bạc biên và các chi tiết đã bị mài mòn. - Sửa chữa lớn: phục hồi lại các chi tiết chủ yếu của động cơ và thay thế các chi tiết, các bộ phận phụ. Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ: công suất tương đối (công suất lít), tính cao tốc, mức độ cưỡng tải, trọng lượng riêng, chất lượng và vật liệu chế tạo, chất lượng hai thác động cơ, chất lượng nhiên liệu và dầu bôi trơn. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 1. Nêu một số yêu cầu đối với kết cấu của động cơ diesel. 2. Nêu các thông số kỹ thuật của động cơ diesel. 3. Nêu các dạng kết cấu của động cơ diesel. 4. Nêu các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ. 36
Hình 2.1. Kết cấu động cơ diesel hình thùng – kiểu một hàng xi lanh thẳng đứng (động cơ NVD 48 A-U). 37
Hình 2.2. Kết cấu động cơ diesel hình thùng - kiểu chữ V (động cơ 12ЧH18/20). 38
Hình 2.3. Kết cấu động cơ diesel hình thùng - kiểu chữ H (động cơ 16ДKH23/2x30). 39
Hình 2.4. Kết cấu động cơ diesel hình thùng - kiểu hình sao (động cơ 42ЧHC16/17). 40
Hình 2.4. Kết cấu động cơ diesel có guốc trượt (động cơ KSZ 105/180. 41
Hình 2.5. Kết cấu động cơ diesel có guốc trượt (động cơ 1060S). 42
Chương 3 CÁC CHI TIẾT CHUYỂN ĐỘNG CHỦ YẾU CỦA ĐỘNG CƠ Các chi tiết chuyển động chủ yếu của động cơ đốt trong kiểu piston gồm có nhóm piston, nhóm biên và nhóm trục khuỷu. Các chi tiết chuyển động chủ yếu có tác dụng biến nhiệt năng của môi chất công tác thành cơ năng. Nhóm piston nhận lực tác dụng của môi chất công tác truyền cho biên và trục khuỷu, thông qua cụm cơ cấu này, mà chuyển động tịnh tiến của nhóm piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Các chi tiết chuyển động chủ yếu chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính, tự trọng của chúng và lực ma sát sinh ra khi chúng chuyển động tương đối với các chi tiết cố định. Vì thế, các chi tiết này phải có độ cứng vững lớn, vật liệu chế tạo phải phù hợp để chịu được ứng suất nhiệt và ứng suất cơ phát sinh trong quá trình khai thác. Trong quá trình động cơ hoạt động các chi tiết chuyển động chủ yếu chịu nhiệt độ cao không chỉ do nhận nhiệt từ môi chất công tác, mà còn do ma sát khi chuyển động với các chi tiết cố định. Để đảm bảo độ tin cậy và giảm hao mòn trong quá trình khai thác, thì phải bôi trơn và làm mát tốt, đồng thời vật liệu chế tạo phải có khả năng truyền, dẫn nhiệt tốt. 3.1. PISTON 3.1.1. Điều kiện làm việc Trong quá trình làm việc piston làm nhiệm vụ: - Bao kín buồng cháy; - Truyền áp lực khí thể đến biên, biến lực tác động vô hướng của khí thể thành lực có hướng; - Tuyền nhiệt từ phần đầu piston ra môi trường xung quanh; - Ngăn dầu bôi trơn lọt vào buồng cháy. Do vậy, piston chịu tác dụng tải trọng cơ do lực khí thể và lực quán tính gây ra, chịu tải trọng nhiệt cao, ngoài ra còn chịu ma sát mài mòn do chuyển động tương đối so với các chi tiết khác như xi lanh, xéc măng gây nên. Lực khí thể, lực quán tính tác dụng và nhiệt độ cao gây nên ứng suất cơ và ứng suất nhiệt trong piston, ngoài ra còn chịu va đập với xi lanh, xéc măng do vận tốc piston thay đổi khi thay đổi chế độ tốc độ. Đối với động cơ cao tốc, tăng áp cao, đặc biệt là động cơ hai kì thì điều kiện làm việc của piston nặng nề hơn. 3.1.2. Yêu cầu cơ bản đối với piston - Đảm bảo bao kín buồng cháy; - Truyền nhiệt tốt; - Có khối lượng nhỏ để giảm lực quán tính, nhưng phải đảm bảo độ cứng vững để chịu được tải trọng cơ. 3.1.3. Vật liệu sử dụng Do điều kiện làm việc như trên, nên vật liệu sử dụng để chế tạo piston thường dùng: gang, thép, hợp kim nhôm. Gang thường dùng để chế tạo piston là gang xám và gang hợp kim. Chúng có ưu điểm: 43
- Chịu tải nhiệt và cơ tương đối lớn, chịu mòn tốt; -6 0 - Hệ số giãn dài αl bé, αl = 11÷12.10 / K; - Tính công nghệ chế tạo tốt; - Giá thành rẻ. Có nhược điểm: - Trọng lượng riêng lớn, γ = 70 ÷ 80 N/dm3; - Hệ số dẫn nhiệt λ bé, λ = 38 ÷ 55W/m0K; - Ở nhiệt độ cao quá giá trị cho phép dễ bị rạn nứt. Thép cũng thường dùng chế tạo đỉnh piston động cơ diesel có công suất lớn, cường hoá, nó có ưu điểm: - Chịu tải nhiệt và cơ lớn, chịu mòn tốt; -6 0 - Hệ số giãn dài αlg bé, αlg = 11÷12.10 / K. Có nhược điểm: - Trọng lượng riêng lớn; - Hệ số dẫn nhiệt bé. Vật liệu hợp kim nhôm thường dùng chế tạo piston động cơ cao hoặc trung tốc. Nó có ưu điểm: - Có trọng lượng riêng thấp, γ = 18 ÷30 N/dm3; - Hệ số dẫn nhiệt tốt, λ = 126 ÷175W/m0K; - Tổn thất ma sát giữa piston bằng nhôm hợp kim với ống lót xi lanh nhỏ; - Tính công nghệ của nhôm hợp kim tốt: dễ đúc và gia công. Có nhược điểm: - Chịu tải trọng cơ và nhiệt kém, sức bền giảm nhanh khi nhiệt độ cao; -6 0 - Hệ số giãn dài lớn, αlg = 17 ÷25.10 / K; - Chịu mòn kém; - Giá thành cao. Đối với động cơ diesel thấp tốc, công suất lớn sử dụng làm máy chính tàu thuỷ, điều kiện làm việc nặng nề, nên piston được chế tạo rời thành phần đỉnh và phần dẫn hướng, vật liệu chế tạo thường dùng gang và thép. Phần đỉnh piston chịu ứng suất cơ và nhiệt lớn nên thường được chế tạo bằng thép, phần dẫn hướng phải có khả năng chịu mài mòn tốt nên được chế tạo bằng gang. Để giảm hệ số ma sát giữa piston và ống lót xi lanh trên phần dẫn hướng người ta thường bố trí các vành chống mòn bằng đồng thanh thiếc. Đối với động cơ diesel trung tốc, piston được chế tạo liền, vật liệu chế tạo là gang xám hoặc gang hợp kim cao. Các động cơ diesel không tăng áp hoặc tăng áp thấp nhiệt độ đỉnh piston dưới 4500c thường sử dụng gang xám để chế tạo, còn động cơ diesel tăng áp cao nhiệt độ đỉnh piston khoảng 500 ÷ 6000c thường được chế tạo bằng gang hợp kim. Loại gang này ít nhạy cảm đối với hiện tượng nở gang. Đối với động cơ cao tốc, điều kiện làm việc nhẹ nhàng hơn so với hai loại động cơ trên, mặt khác để giảm lực quán tính của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến, nên thường dùng nhôm hợp kim để chế tạo piston. Tuy nhiên, do hệ số giãn dài của nhôm hợp kim lớn, nên khe hở nhiệt giữa piston và ống 44
lót xi lanh lớn, vì thế khó khởi động động cơ từ trạng thái nguội, dễ rò lọt khí cháy xuống hộp trục khuỷu và bị gõ máy khi khởi động. Để khắc phục hiện tượng này, có thể dùng giải pháp kết cấu như xẻ rãnh trên thân piston, hoặc dùng buzi sấy đối với động cơ diesel có buồngcháy xoáy lốc. 3.1.4. Kết cấu piston Kết cấu piston chia thành 3 phần chính (hình 3.1): - Đỉnh: là phần trên cùng của piston, cùng với mặt 1 dưới nắp xi lanh và một phần vách ống lót xi lanh tạo e δ 2 thành buồng cháy. d l 3 - Đầu piston: bao gồm đỉnh và phần đai lắp xéc 7 măng có nhiệm vụ bao kín buồng cháy (đoạn ld). - Thân piston: phần phía dưới xéc măng cuối cùng 4 của đầu piston, làm nhiệm vụ dẫn hướng piston (đoạn p lt). l t 0 d 6 5 l Nói chung, kết cấu piston phụ thuộc loại động cơ. d Căn cứ vào cấu tạo piston được chia thành hai loại: piston của động cơ hình thùng và piston của động cơ c p l có guốc trượt. Tuỳ thuộc vào loại động cơ diesel: số 7 kì, công suất xi lanh, mức độ tăng áp, mà có thể làm mát hoạc không làm mát cho đỉnh piston. Chất làm mát cho đỉnh piston thường dùng dầu hoặc nước. D Kích thước chủ yếu của piston là đường kính, Hình 3.1. Kết cấu piston gang đúc liền của chiều dài và chiều dầy thành piston. Đường kính và động cơ diesel 4 kì hình thùng. chiều dầy thành piston phụ thuộc vào công suất, vòng 1. Lỗ dùng để tháo lắp piston; 2. Xéc măng quay và tổng hợp lực tác dụng lên piston. Đối với khí; 3. Xéc măng dầu; 4. Chốt piston; 5. Bạc chốt; 6 Nắp đậychốt; 7. Lỗ thoát dầubôitrơn động cơ diesel hình thùng chiều dài phần dẫn hướng phụ thuộc vào lực đẩy ngang và điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn giữa piston và ống lót xi lanh, cũng như khả năng đóng kín cửa khí đối với động cơ diesel hai kì. Đối với động cơ công suất vừa và nhỏ piston được chế tạo liền bằng gang hoặc hợp kim nhôm. Đối với động cơ diesel trung và thấp tốc, đặc biệt là động cơ diesel hai kì thấp tốc piston được chế tạo rời thành hai hoặc 3 đoạn. t a. Đỉnh piston l Đỉnh piston là nơi tiếp xúc trực tiếp với khí thể, nên nó chịu áp lực lớn, nhiệt độ cao và chịu ăn mòn hoá học. Đối với động cơ tăng áp cao áp lực khí cháy cực đại có thể lên tới 12 ÷ 15 MPa và Hình 3.2. Kết cấu piston nhôm của động cơ diesel 4 kì cao tốc. 45
nhiệt độ khí cháy cực đại có thể lên tới 2000 ÷ 22000K. Với piston bằng hợp kim nhôm bề mặt đỉnh có thể chịu được nhiệt độ cho phép khoảng 573 ÷ 6230K, với piston gang khoảng 623 ÷ 7730K. Nhiệt độ thành xi lanh tại nơi đặt xéc măng thứ nhất không nên vượt quá 273 ÷ 2930K. Với điều kiện làm việc như vậy, nên đỉnh piston có nhiều loại. Phụ thuộc loại động cơ mà đỉnh piston có các dạng khác nhau. Tuy nhiên, nói chung đỉnh piston sau khi chế tạo thường thoả mãn các yêu cầu sau đây: - Có dạng phù hợp với chùm tia nhiên liệu, tạo nên xoáy lốc mạnh để hoà trộn hỗn hợp tốt. Đối với động cơ hai kì đỉnh piston còn phải tạo ra khả năng quét khí thuận lợi; - Để dễ khởi động, giảm tổn thất nhiệt cần phải có tỉ số giữa diện tích bề mặt đỉnh với thể tích buồng cháy nhỏ; - Cần phải hạn chế các góc nhọn để giảm nhiệt độ tập trung và có góc lượn tương đối lớn để dẫn nhiệt tốt. Đỉnh piston có các dạng sau đây: - Đỉnh bằng: loại đỉnh này thoả các yêu cầu nêu trên, có diện tích chịu nhiệt bé, kết cấu đợn giản, dễ chế tạo, nên thường được sử dụng rộng rãi cho nhiều loại động cơ (hình 3.5). Hình 3.3. Kết cấu piston rời của động - Đỉnh lõm: dạng hình ω thường dùng đối với động cơ trung và cơ diesel hai kì trung tốc. cao tốc, có buồng cháy thống nhất (hình 3.2, 3.3). Loại đỉnh này tạo ra xoáy lốc mạnh trong quá trình nén và cháy, nên hòa trộn hỗn hợp tốt. Đối với động cơ diesel bốn kì có phương pháp tạo hỗn hợp kiểu màng - thể tích thì hầu như toàn bộ buồng đốt nằm trên đỉnh piston. Tuy nhiên, các dạng đỉnh lõm kiểu này có diện tích chịu nhiệt lớn, khối lượng đầu piston tăng lên và nhiệt độ của xéc măng trên cùng lớn. - Đỉnh lõm: kiểu dạng chõm cầu hoặc lõm không đối xứng phụ thuộc vị trí bố trí vòi phun hay buồng cháy phụ, thường dùng đối với động cơ diesel có buồng cháy phân cách. Kiểu kết cấu đỉnh dạng này tạo nên xoáy lốc nhẹ, kết hợp với buồng cháy phụ làm tăng chất lượng hoà trộn hỗn hợp và cháy kiệt nhiên liệu. Đỉnh lõm kiểu dạng chõm cầu cũng thường dùng cho động cơ diesel hai kì (hình 3.6). - Đỉnh lồi: dạng đỉnh có thể lồi đối xứng hoặc lồi không đối xứng, kiểu kết cấu này thường dùng cho động cơ diesel hai kì (hình 3.4). b. Đầu piston Phần đầu piston được tính từ đỉnh đến xéc măng dầu thứ nhất, Hình 3.4. Kết cấu piston rời, đỉnh lồi phía trên bệ chốt piston (Đoạn ld trên hình 3.1). Đầu piston làm của động cơ diesel hai kì thấp tốc có nhiệm vụ bao kín buồng cháy, truyền nhiệt từ môi chất công tác đến guốc trượt. các chi tiết tiếp xúc với nó và truyền lực xuống chốt piston. 1. Đầu piston; 2. Vành đồng thanh chóng mòn; 3. Phần dẫn hướng; 4. Guzông lắp Đối với động cơ diesel tàu thuỷ có công suất lớn phần đầu cán với piston; 5,8. Ống dẫn và xả công piston được làm bằng thép và chế tạo rời so với phần thân. Kiểu kết chất làm mát đình piston; 6. Cán piston 7. cấu này có thể giảm được giá thành của vật liệu chế tạo và thay thế Xéc măng khí. từng phần nếu bị hư hỏng (hình 3.3, 3.4,3.5). 46
Động cơ diesel hai kì có guốc trượt phần đầu và thân piston không chịu tác dụng của lực đẩy ngang, nên có thể để khe hở gữa piston và ống lót xi lanh lớn hơn, do đó tránh được hiện tượng kẹt piston làm làm việc ở chế độ quá tải. Đối với động cơ diesel hai kì quét thẳng qua xu páp, phần đầu piston được lắp trực tiếp vào cán piston (hình 3.4, 3.5). Nếu động cơ bố trí quét vòng, để che kín các cửa lúc piston nằm ở điểm chết trên thì ngoài phần đầu cần phải bố trí thêm phần dẫn hướng dài (hình 3.5). Đối với động cơ diesel có công suất vừa và nhỏ phần đầu piston được chế tạo liền với phần thân. Để bao kín tốt, người ta dùng các giải pháp sau: - Chọn số xéc măng khí và xéc măng dầu hợp lí phụ thuộc vào tính cao tốc của động cơ. Phần đầu piston được chế tạo các rãnh xéc măng khí và một xéc măng dầu. Số xéc măng khí thường chọn: đối với động cơ cao và trung tốc dùng 3 ÷ 4 xéc măng, còn động cơ thấp tốc có thể sử dụng 5 ÷ 7 chiếc. Số xéc măng nhiều đảm bảo bao kín và truyền nhiệt tốt, tuy nhiên làm tăng chiều dài phần đầu piston và tăng khối lượng chuyển động tịnh tiến. Trong quá trình làm việc xéc măng trên cùng chịu nhiệt cao, bôi trơn kém, vì thế nên bố trí càng gần vùng nước làm mát của ống lót xi lanh càng tốt. Để giảm nhiệt cho xéc măng trên cùng, đối với động cơ diesel tăng áp cao người ta bố trí thêm rãnh chắn nhiệt phía trên xéc măng trên cùng; - Đầu piston được chế tạo có dạng hình hơi côn, đường kính tăng dần về phía thân piston; - Đảm bảo khe hở giữa rãnh và xéc măng, chiều sâu rãnh thường sâu hơn chiều dầy xéc măng khoảng 0,5 ÷ 1,5 mm. Đối với piston bằng hợp kim nhôm, để đảm bảo độ bền cho rãnh xéc măng, người ta chế tạo vành đai rãnh xéc măng và cố định vào phần đầu piston. Để tản nhiệt tốt, người ta dùng các giải pháp sau: - Để tăng tuổi thọ và tính tin cậy cho piston thì tản nhiệt cho phần đầu piston là vấn đề quan trọng. Trong quá trình cháy và giãn nở sinh công sản vật cháy trực tiếp truyền nhiệt lên đỉnh, đồng thời đỉnh piston còn bị nung nóng cục bộ do nhiên liệu phun trục tiếp lên bề mặt đỉnh, nên nhiệt độ bề mặt đỉnh rất cao, đặc biệt đối với động cơ diesel tăng áp cao, nhưng thiếu không khí nạp do trạng thái kĩ thuật của hệ tăng áp xuống cấp. Nếu phần nhiệt này bị tích lại quá lớn sẽ làm rạn nứt và cháy đỉnh piston, làm biến dạng, dẫn tới kẹt piston và nhiều hậu quả khác không lường được. Vì thế, phần nhiệt này cần phải được tuyền nhanh cho nước làm mát thông qua phần đầu piston. Hình 3.5. Kết cấu piston động cơ diesel hai kì thấp tốc có Giải pháp truyền nhiệt đơn giản nhất là dùng xéc măng. Đây là guốc trượt. phương pháp sử dụng phổ biến đối với động cơ có công suất vừa và nhỏ, 1. Đầu piston; 2. Ống xả dầu làm piston không được làm mát. Khi đó nhiệt lượng từ đầu piston truyền cho mát; 3. Xéc măng khí; 4. Vành nước làm mát thông qua xéc măng đối với piston không làm mát khoảng chống mòn; 5. Gu zông lắp ghép cán với đầu piston ; 6. Đoạn nối 60 ÷ 70%, còn phần dẫn hướng chỉ truyền khoảng 25 ÷ 40%. piston; 7.Phần dẫn hướng; 8. Đối với động cơ diesel có công suất lớn, nhiệt lượng từ phần đầu Mặt bích nối; 9. Cán;10. Ống xả piston ngoài truyền qua xéc măng, người ta còn dùng giải pháp làm mát đỉnh piston bằng công chất có áp lực như dầu hoặc nước. Một số động cơ diesel có công suất trung bình, piston không được làm mát bằng công chất, nhưng người ta bố trí thêm một vách chắn nhiệt phía dưới đỉnh piston hoặc sử dụng dầu bôi trơn có áp lực cao, sau khi bôi trơn chốt piston dầu phun vào phía dưới đỉnh piston để làm mát. Đối với động cơ diesel có guốc trượt và động cơ có công suất lớn, piston được làm mát theo kiểu ống lồng. Công 47
chất làm mát được đưa vào đầu piston thông qua cán piston hoặc trực tiếp. Kết cấu khoang làm mát được biểu diễn trên hình 3.4, 3.5. - Bố trí các gân phía dưới đỉnh piston vừa tăng độ cứng vững, vừa tăng cường tản nhiệt. c. Thân piston tz pz N N β1 β2 Hình 3.6. Biểu đồ phân bố áp lực trên thân piston a) b) c) khi piston tác dụng lên Hình 3.7. Mô hình biểu diễn sự biến dạng của piston khi chịu ống lót xi lanh tác dụng của áp lực khí thể, lực đẩy ngang N và nhiệt độ cao. Kết cấu thân piston phụ thuộc loại động cơ. Đối với động cơ diesel hai kì công suất lớn, xả qua xu páp thường là loại động cơ có guốc trượt. Tác dụng dẫn hướng và chịu lực đẩy ngang do bản dẫn hướng tiếp nhận, nên người ta chỉ chế tạo phần đầu và lắp trực tiếp vào cán piston, mà không chế tạo phần thân. Động cơ có guốc trượt, nhưng bố trí quét vòng qua cửa, người ta chế tạo thêm phần thân để đóng mở cửa quét (hình 3.5). Đối với động cơ không có guốc trượt, phần thân piston làm nhiệm vụ dẫn hướng và chịu tác dụng của lực đẩy ngang. Để đảm bảo dẫn hướng tốt và ít bị va đập trong quá trình hoạt động, thì khe hở giữa piston với ống lót xi lanh phải bé. Dưới đây ta xét kết cấu phần thân piston. - Chiều dài thân piston: được xác định trên cơ sở áp lực tác dụng lên bề mặt ống lót xi lanh, sao cho duy trì màng dầu bôi trơn. Riêng đối với động cơ hai kì, thân piston phải đủ dài để khi piston nằm ở điểm chết trên vẫn đủ đóng kín cửa khí. Đối với động cơ cao tốc, vòng quay động cơ càng lớn, chiều dài phần dẫn hướng phải càng ngắn (hình 3.2) để giảm lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến, vì thế áp lực riêng lên thân càng cao, do đó tốc độ mài mòn tăng lên. Trên thân piston có bố trí các rãnh xéc măng dầu, thường bố trí từ 1 đến 3 rãnh. Đối với động cơ diesel trung và thấp tốc để giảm ma sát và mài mòn với ống lót xi lanh trên phần dẫn hướng có lắp ép một hoặc hai đai bằng đồng thanh - chì hay thiếc (hình 3.4, 3.5). - Vị trí bệ chốt piston: thường được bố trí cao hơn trọng tâm để áp suất do lực đẩy nganhg N và lực ma sát gây ra phân bố đều hơn. Nếu vị trí bệ chốt chọn đúng sẽ giảm được mức độ va đập của thân piston lên thành ống lót xi lanh. - Dạng của thân piston: trên thân piston chỗ tập trung nhiều vật liệu nhất là hai bệ chốt. Để tránh hiện tượng biến dạng gây bó kẹt piston khi chịu lực đẩy ngang, lực khí thể và chịu nhiệt cao, thì thân piston tại tiết diện ngang ứng với bệ chốt được chế tạo có dạng hình ô van hoặc vát bớt phần vật liệu ở hai đầu bệ chốt. Trong quá trình hoạt động do tác dụng của lực đẩy ngang N thân piston tại vùng chốt tác dụng lên ống lót xi lanh trong mặt phẳng lắc với áp lực có biểu đồ phân bố như trên hình 3.6. Ngoài ra phần đầu và phần thân piston còn chịu tác dụng của áp lực khí thể pz và chịu tác dụng của nhiệt độ cao sẽ bị biến dạng như biểu diến trên hình 4.7. d. Chân piston 48
Để tăng độ cứng vững thường chế tạo thêm vành đai ở chân piston. Ngoài ra vành đai này còn dùng làm chuẩn gia công piston. Để điều chỉnh khối lượng piston có thể cắt bỏ một phần kim loại của vành đai này. 3.1.5. Tính sức bền của piston a. Chọn kết cấu piston Trước khi tính độ bền cần phải dựa vào bản vẽ thiết kế thi công lựa chọn kích thước phần kết cấu piston, khi lựa chọn kích thước có thể lựa chọn theo số liệu thực nghiệm phụ thuộc vào loại động cơ và vật liệu chế tạo. D Sau khi chọn kết cấu và kích thước cụ thể tiến hành tính nghiệm độ bền các phần của piston. Kết cấu piston dùng để S1 tính toán biểu diễn trên hình 3.7, các kích thước tính trong e 2 δ các công thức dưới đây đều lấy theo hình vẽ này. d1 L x - Đỉnh piston x Trong quá trình làm việc phần đỉnh piston chịu tác dụng p c L chủ yếu của lực khí thể và nhiệt độ khí cháy, như vậy đỉnh d nb chịu tác dụng của ứng suất cơ và ứng suất nhiệt. d t L + Ứng suất cơ: phần đầu piston động cơ diesel tàu thuỷ 3 phần lớn không có gân gia cường nên đỉnh thường giãn nở b L S tự do khi chịu tác dụng nhiệt, do đó khi tính sức bền giả thiết 2 đỉnh là một tấm tròn có chiều dày đồng đều được ngàm cứng ở xung quanh, ít bị uốn và áp suất cháy cực đại pzmax phân bố đều trên tấm. Hình 3.7. Kết cấu dùng để tính piston Lực khí thể và phản lực của nó gây uốn đỉnh piston. Ứng suất uốn lớn nhất tại đỉnh piston có thể xác định theo công thức, MPa: 2 ⎛ d1 ⎞ σ u = ()pz max + p j ⎜ ⎟ , (3.1) ⎝ 2δ ⎠ d1, δ - đường kính trong piston và chiều dày đỉnh piston, cm (xem hình 4.7). pzmax - áp lực khí thể tác dụng lên bề mặt đỉnh piston, MPa; pj - lực quán tính tịnh tiến ứng với 1 đơn vị diện tích đỉnh piston ứng với thời điểm áp lực khí thể đạt giá trị lớn nhất, MPa; Ứng suất uốn cho phép phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo piston và việc bố trí gân gia cường. + Ứng suất nhiệt: ứng suất nhiệt phát sinh trong phần vật liệu của đỉnh do độ chênh nhiệt độ giữa hai bề mặt của nó. Hiệu nhiệt độ có thể tính theo phương trình truyền nhiệt qua vách phẳng, 0K : ΔT = T1 - T2 = qδ/λ, (3.2) q - mật độ dòng nhiệt truyền qua đỉnh piston, kW/m2; λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu đỉnh piston, kW/(mK); δ - chiều dầy đỉnh piston, m. Khi đỉnh piston bị ngàm cứng ở chu vi, ứng suất hướng tâm và ứng suất tiếp tuyến (nén ở bề mặt ngoài và kéo ở bề mặt trong) do chênh lệch nhiệt độ theo hướng trục gây ra là không đổi và có giá trị bằng, MN/m2: 49
αE qδ σ = σ = , (3.3) rt tt 2()1− μ λ α - hệ số giãn dài của vật liệu chế tạo piston ứng với 1/K (tra bảng); μ - hệ số poát xông, đối với gang đúc và thép μ = 0,3; đối với nhôm μ = 0,26; E - mô đuyn đàn hồi của vật liệu chế tạo đỉnh piston. + Ứng suất nhiệt do độ chênh nhiệt độ hướng trục gây ra: Dưới tác dụng của độ chênh nhiệt độ hướng trục đỉnh piston bị giãn nở nên uốn cong lên, nếu mép của đỉnh bị ngàm cứng thì tại mép ngoài sinh ra mô men uốn hạn chế đỉnh uốn cong. Ứng suất nhiệt tại đỉnh piston ứng với mặt ngoài (z = 0): αEδ ⎛ q1 q2 ⎞ σ t = ⎜ + ⎟ , (3.4) λ()1− μ ⎝ 3 6 ⎠ q1 - nhiệt phân bố đều trên mặt ngoài đỉnh; q2 - nhiệt truyền từ mặt ngoài đỉnh theo hướng trục. Ứng suất nhiệt tại đỉnh piston ứng với mặt trong (z = 0): αEδ ⎛ q1 q2 ⎞ σ t = ⎜ + ⎟ , (3.4.a) λ()1− μ ⎝ 6 3 ⎠ + Ứng suất nhiệt do độ chênh nhiệt độ hướng kính gây ra (đối với piston không được làm mát): đối với trường hợp này khoảng 70 - 80% lượng nhiệt từ đỉnh truyền qua xéc măng tới nước làm mát xi lanh. - Nghiệm độ bền phần đai xéc măng: tại vùng đai xéc măng có khoan lỗ dầu thường là tiết diện bé nhất (Fx-x = Fmin) , đó là tiết diện x - x (trùng với rãnh xéc măng dầu). Tiết diện này chịu lực quán tính âm lớn nhất của khối lượng phía trên tiết diện này, ngoài ra còn chịu ứng suất nén của áp suất khí thể. Ứng suất kéo, nén tại tiết diện này được tính theo công thức: πD 2 p + p mtd jmax ( z max j ) σ k = và σ n = , (3.5) Fmin 4Fmin mtd - khối lượng phần đầu piston, kg; 2 jmax - gia tốc của piston, m/s ; 2 Fmin - tiết diện bé nhất tại vùng đai xéc măng có khoan lỗ dầu, m . - Nghiệm độ bền phần thân piston: phần thân chịu lực đẩy ngang, trong quá trình làm việc lực đẩy ngang N ép thân piston va đập lên vách ống lót xi lanh, tuy nhiên chỉ khoảng 1/3 chu vi piston ép lên xi lanh, nên có thể tính theo công thức: N max kmax = , (3.6) L1D - Nghiệm độ bền phần bệ chốt piston: PZ max + Pj kc = , (3.7) 2d c Lbc dn, Lbc - đường kính chốt và phần chiều dài chốt tựa lên bệ. c. Tính sơ bộ khe hở giữa piston và ống lót xi lanh 50
Khe hở hướng kính phần đầu Δdp và phần thân Δtp piston với ống lót xi lanh có thể xác định sơ bộ trong phạm vi sau: Piston bằng gang Δdp = (0,004 ÷ 0,006)D, Δtp = (0,001 ÷ 0,002)D; Piston bằng hợp kim nhôm Δdp = (0,006 ÷ 0,008)D, Δtp = (0,001 ÷ 0,003)D. Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải định mức, khe hở hướng kính có thể xác định theo công thức: Δpn = λ’ D, trong đó: Với phần đầu piston λ’ = 0,002 ÷ 0,0025; Với phần thân λ’ = 0,001 ÷ 0,0015. Khe hở giữa phần đầu và phần dẫn hướng với bề mặt ống lót xi lanh có thể tham khảo theo số liệu kinh nghiệm biểu diễn trên bảng 3.1. Bảng 3.1. Khe hở giữa phần đầu và phần dẫn hướng piston với bề mặt ống lót xi lanh Khe hở giới hạn phần đầu Δ Khe hở phần dẫn hướng Loại vật liệu piston dp Δtp Gang (1/175 ÷ 1/200)D (1/900 ÷ 1/1000)D Hợp kim nhôm (1/100 ÷ 1/125)D (1/350 ÷ 1/550)D 3.2. CHỐT PISTON 3.2.1. Điều kiện làm việc a) b) 1 2 c) 3 4 d) e) Hình 3.8. Một số kết cấu chốt 1 2 piston động cơ trung và thấp tốc. a), b), c) - các dạng kết cấu chốt;d), e) - phanh và nút định vị chốt. 1, 3 - lỗ cấp dầu bôi trơn; 2 -ống tạo ngăn chứa dầu; 4 - lỗ dẫn dầu. Chốt piston là chi tiết lắp ghép piston với đầu nhỏ biên trong động cơ hình thùng. Trong quá trình động cơ làm việc chốt piston chịu tác dụng của lực khí thể và lực quán tính, các lực này luôn luôn thay đổi cả trị số và hướng tác dụng. Đồng thời chốt làm việc trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao, bôi trơn xấu. 3.2.2. Vật liệu sử dụng Do điều kiện làm việc như trên, nên người ta sử dụng vật liệu và chọn kết cấu chốt thỏa mãn các yêu cấu sau: - Có độ bền và cường độ chịu mỏi cao; - Bề mặt có độ cứng và bóng cao để chịu lực tốt và giảm ma sát, phía trong có độ dẻo cao để chịu mỏi tốt; 51
- Có khối lượng nhỏ để giảm lực quán tính và ít bị biến dạng khi chịu lực. a) Vật liệu chốt piston thường dùng là thép hợp kim. 3.2.3. Kết cấu và cách lắp ghép chốt piston a. Kết cấu chốt piston b) Chốt piston có dạng hình trụ tròn, để giảm khối lượng chốt được làm rỗng ruột. Trong quá trình làm việc lực khí thể và lực quán tính tác dụng làm cho chốt chịu uốn, khi đó chốt giống như c) dầm đặt nằm ngang, hai gối đỡ là hai bệ chốt, ứng suất uốn lớn nhất tại gữa chốt. Kết cấu một số dạng chốt piston động cơ diesel thấp tốc và cao tốc biểu diễn trên hình 3.8, 3.9. Kích thước của chốt: đường kính, chiều dài và chiều dầy vật d) liệu chốt được xác định dựa vào tổng hợp lực tác dụng khi khai thác, kết cấu piston, đầu nhỏ biên và phương pháp lắp ghép chốt. b. Cách lắp ghép chốt piston e) Hình 3.9. Một số dạng kết cấu chốt piston động cơ cao tốc Chốt được lắp ghép với piston và đầu nhỏ biên theo 3 cách: chốt cố định với bệ chốt và quay tương đối với đầu nhỏ biên; chốt cố định với đầu nhỏ a) biên và quay tương đối với bệ chốt; chốt quay tự do với bệ chốt và đầu nhỏ biên. Kết cấu các kiểu lắp ghép chốt với đầu nhỏ biên được trình bày trên hình 3.10. Đối với động cơ diesel chủ yếu sử b) Nút bọc chốt dụng rộng rãi phương án lắp tự do. Với phương án này chốt quay tự do so với Hình 3.10. Một số kiểu lắp chốt piston a) Lắp chặt chốt piston với đầu nhỏ biên; b) Chối piston được lắp tự do với đầu nhỏ biên và bệ chốt, nên chốt mòn đầu nhỏ biên. đều trên cả chu vi và mặt chịu lực luôn thay đổi sẽ làm cho chốt ít bị mỏi, ngoài ra hiện tượng kẹt chốt ít khi xảy a) b) ra. Đối với piston làm bằng vật liệu nhôm hợp kim, để giảm hiện tượng gõ với bệ chốt khi làm việc, người ta lắp chặt chốt với bệ. Để lắp ráp chốt phải luộc piston trong dầu hoặc làm lạnh chốt. Như vậy ở trạng thái nguội chốt chỉ quay tự do với đầu nhỏ biên, khi Hình 3.11. Một số kiểu hãm chốt piston làm việc bình thường piston giãn nở a) Hãm bằng phanh; b) Hãm bằng nút chốt mới quay tự do với bệ chốt. 52
Để tránh cho chốt dịch chuyển dọc trục, người ta dùng vòng hãm, nắp đậy hoặc nút. Cụm chi tiết lắp ghép chốt, bệ và thiết bị hãm biểu diễn trên hình 3.11. Đối với động cơ diesel tàu thuỷ thấp tốc công suất lớn, để định vị chốt piston người ta dùng nắp đậy hai đầu chốt, nắp được lắp chặt với piston tại vùng bệ chốt bằng các bu lông. Khi đó trên thân piston được phay lõm xuống để lắp nắp đậy chốt, nhưng trong quá trình hoạt động nắp không tì vào thành ống lót xi lanh. c. Bôi trơn chốt piston Chốt được bôi trơn bằng phương pháp hứng dầu đối với động cơ công suất nhỏ. Đa số động cơ diesel chốt được bôi trơn bằng phương pháp cưỡng bức. Khi đó dầu bôi trơn áp lực cao được chuyển từ cổ biên đến chốt thông qua thân biên. Đối với động cơ công suất lớn thấp tốc, phụ tải tác dụng lên chốt lớn nên để bôi trơn tốt người ta bố trí các lỗ cấp dầu bôi trơn trên chốt như hình 3.8. Để bôi trơn phần bệ chốt có thể hứng dầu từ rãnh xéc măng dầu phía trên bệ chốt bằng cách khoan lỗ thông từ rãnh đến bệ chốt hoặc dùng dầu bôi trơn áp lực. Trên bệ và bạc đầu nhỏ biên được phay các rãnh chéo nhỏ để chứa dầu bôi trơn. 4.2.4. Tính sức bền của chốt piston L0 Pz a. Chọn kết cấu chốt piston b. Nghiệm độ bền c d Trong quá trình làm việc áp lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston, thông qua chốt truyền lực xuống thân biên, nên chốt bị uốn, cắt và bị biến dạng. Vì thế cần phải nghiệm uốn, cắt và biến dạng ô van của chốt. - Áp lực lớn nhất tác dụng lên bề mặt chốt, MPa: Pzmax + Pj kc max = , (3.8) 2d c L1 L1 L L Trị số [k ] cho phép phụ thuộc loại vật liệu chế tạo và loại 2 bc cmax Lc động cơ. Hình 3.12. Sơ đồ lực tác dụng lên Đối với động cơ diesel trị số [kcmax] nằm trong giới hạn sau: chốt piston. động cơ thấp tốc 15÷20 MPa; động cơ trung tốc 25÷50 MPa; động cơ cao tốc 50÷90 MPa. Bệ chốt piston (phần chốt lắp với bệ đỡ trên piston) chịu dập dưới tác dụng của lực Pz. Ứng suất dập được tính theo công thức, MPa: Pzmax + Pj kcd = , (3.9) 2d c Lbc Đối với piston bằng vật liệu gang và thép ứng suất dập kcd ≤ 35 ÷ 40 MPa; Đối với piston bằng vật liệu hợp kim nhôm ứng suất dập kcd ≤ 25 ÷ 30 MPa. Để tránh dập đối với piston bằng vật liệu hợp kim nhôm có thể bố trí bạc lót bằng đồng thanh lên bệ chốt. - Ứng suất uốn: giả thiết chốt như một dầm đặt tự do trên hai gối đỡ. Khi chốt bị uốn, lực tác dụng phân bố như sơ đồ hình 3.12. Mô men uốn tại tiết diện giữa chốt, là vị trí có độ võng lớn nhất, MNm : Pz max + Pj ⎛ L0 L1 ⎞ M u = ⎜ − ⎟ , (3.10) 2 ⎝ 2 4 ⎠ Pj - giá trị lực quán tính của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến tại góc ứng với lực khí thể đạt giá trị cực đại (Pzmax). Sau khi biến đổi ta có công thức cuối cùng tính ứng suất uốn, MPa: 53
M u Pz max + Pj ⎛ L0 L1 ⎞ (Pz max + Pj ) ()Lc + 2L2 −1,5L1 σ u = = ⎜ − ⎟ = 3 4 , Wu 2Wu ⎝ 2 4 ⎠ 1,2 d c ()1−α d (3.11) αd - tỉ số giữa đường kính ngoài (dc) và trong (d0) của chốt; 3 Wu - mô men chống uốn của chốt, m ; 3 4 Wu ≈ 0,1 d c (1−α d ); α d = d c d 0 , (3.12) - Ứng suất cắt: chốt chịu lực cắt lớn nhất tại tiết diện của chốt ứng với mép đầu nhỏ biên hoặc mép bệ chốt, ứng suất cắt được xác định theo công thức, MPa: Pz max + Pj τ c = , (3.13) 2Fnc 2 Fnc - tiết diện ngang của chốt, m . - Áp suất tiếp xúc trên đầu nhỏ biên: xác định áp suất tiếp xúc trên đầu nhỏ biên để kiểm tra điều kiện bôi trơn chốt piston: Pz max + Pj ktc = , (3.14) 2d c L1 - Ứng suất biến dạng: do lực phân bố trên chiều dài chốt không đồng đều nên ứng suất trên các tiết diện khác nhau cũng khác nhau. Ở khoảng giữa chốt chịu lực tác dụng lớn nhất nên pz bị biến dạng lớn nhất. 3.3. XÉC MĂNG Xéc măng là vòng kim loại có tính đàn hồi, được lắp vào rãnh xéc măng trên piston. Xéc măng được phân thành hai loại: xéc măng khí và xéc măng dầu, chúng có tác dụng : - Làm kín khe hở giữa piston và ống lót xi lanh để tránh môi chất công tác rò lọt xuống thùng trục, loại xéc măng này gọi là xéc măng khí; Hình 3.13. Biểu đồ lực khí thể tác dụng - Truyền nhiệt từ đầu piston đến ống lót xi lanh; lên các xéc măng khí - Tạo ra một lớp dầu mỏng trên bề mặt ống lót xi lanh để giảm ma sát khi các chi tiết chuyển động tương đối với nhau và ngăn cản dầu bôi trơn rò lọt từ thùng trục lên buồng cháy, loại xéc măng này gọi là xéc măng dầu. 3.3.1. Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo a) d) - Để bao kín tốt xéc măng luôn luôn nén lên bề mặt ống lót xi lanh, nên nó luôn làm việc ở trạng thái biến dạng - chịu phụ tải uốn; b) 300 e) - Điều kiện bôi trơn kém, chịu nhiệt độ cao, nhất là xéc măng khí trên cùng, nên bề mặt ngoài bị c) 450 mài mòn nhanh; - Mặt trên và dưới của xéc măng luôn bị va đập với bề mặt rãnh xéc măng do piston chuyển Hình 3.14. Kết cấu miệng một số loại xéc măng khí. động đổi hướng; 54