Введение, где мы определим актуальность, цели и задачи курсового проекта
Судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются основой современной транспортной системы, обеспечивая движение подавляющего большинства мирового флота. В современных условиях перед инженерами и конструкторами стоят особенно острые задачи по их совершенствованию. Это связано не только с необходимостью повышения экономической эффективности судов, но и с ужесточением экологических норм. Ключевыми направлениями исследований становятся повышение экономичности, то есть снижение расхода топлива, уменьшение удельной массы и стоимости двигателя, а также борьба с токсичными выбросами и уровнем шума.
В рамках данного курсового проекта объектом исследования выступает судовой шестицилиндровый дизельный двигатель 6Ч 18/22 «Хабаровец». Этот двигатель нашел широкое применение на судах различного назначения, в частности, в качестве главного двигателя на буксирах-толкачах проекта 81200. Тщательный анализ его рабочих процессов позволяет не только глубоко понять принципы работы ДВС, но и выявить потенциальные пути для его модернизации.
Основной целью данной курсовой работы является выполнение комплексного теплового и динамического расчета для определения ключевых эксплуатационных, термодинамических и прочностных характеристик двигателя 6Ч 18/22.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие конкретные задачи:
- Выполнить детальный тепловой расчет рабочих процессов и на его основе построить теоретическую индикаторную диаграмму двигателя.
- Провести полный кинематический и динамический анализ кривошипно-шатунного механизма (КШМ).
- Рассчитать и проанализировать все основные силы, действующие в КШМ, включая силы давления газов и силы инерции.
- Оценить степень уравновешенности двигателя как многоцилиндровой машины.
- Провести выборочный расчет на прочность наиболее нагруженных деталей, чтобы подтвердить их работоспособность при расчетных нагрузках.
Последовательное решение этих задач позволит получить полное представление о рабочем цикле двигателя, нагрузках на его элементы и общих эксплуатационных показателях.
Раздел 1. Исходные данные и ключевые характеристики двигателя 6Ч 18/22
Для выполнения всех последующих инженерных расчетов необходимо сначала систематизировать исходные данные. В качестве объекта исследования выступает двигатель 6Ч 18/22, также известный под маркировкой 6ЧН-600. Ниже в таблице приведены его основные технико-экономические показатели, которые служат отправной точкой для проекта.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Номинальная эффективная мощность, Nₑ | 463 кВт |
| Номинальная частота вращения, n | 1000 об/мин |
| Количество цилиндров, i | 6 |
| Диаметр цилиндра, D | 180 мм (0,18 м) |
| Ход поршня, S | 220 мм (0,22 м) |
| Степень сжатия, ε | 12,1 |
| Среднее эффективное давление, pₑ | 1,67 МПа |
| Удельный эффективный расход топлива, gₑ | 212 г/кВт·ч |
Конструктивно двигатель 6Ч 18/22 представляет собой рядный шестицилиндровый четырехтактный дизель с газотурбинным наддувом и водяным охлаждением. Для проведения расчетов также потребуется ряд дополнительных коэффициентов (коэффициент избытка воздуха, показатель политропы сжатия и расширения, коэффициент наполнения и др.), которые выбираются на основе справочных материалов для двигателей данного класса и назначения. Обоснованный выбор этих коэффициентов является ключевым фактором для получения достоверных результатов.
Раздел 2. Детальный тепловой расчет как основа для анализа рабочих процессов
Тепловой расчет — это фундаментальный этап проектирования и анализа ДВС. Его цель — определить термодинамические параметры рабочего тела (газов) в характерных точках цикла, а также рассчитать основные индикаторные и эффективные показатели работы двигателя. Методика расчета строится на последовательном анализе термодинамических процессов.
Расчет включает в себя несколько ключевых стадий:
- Процесс газообмена (впуск и выпуск): Определяются параметры рабочего тела на впуске, давление и температура остаточных газов, а также коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом.
- Процесс сжатия: Рассчитываются давление и температура в конце такта сжатия (точка ‘c’). Эти параметры критически важны, так как они определяют условия для самовоспламенения топлива.
- Процесс сгорания: Моделируется подвод теплоты к рабочему телу. Определяются максимальное давление сгорания (точка ‘z’), степень повышения давления и температура газов. Это наиболее сложный для моделирования процесс.
- Процесс расширения: Находятся параметры газов в конце такта расширения (точка ‘b’), когда выхлопной клапан начинает открываться.
Для каждого из этих процессов применяются соответствующие термодинамические формулы. В ходе расчета вычисляются промежуточные значения, такие как теплоемкость газов, количество подводимой теплоты и параметры в характерных точках цикла (a, c, z, b). На основе полученных параметров вычисляются индикаторные показатели: среднее индикаторное давление (pᵢ) и индикаторный КПД (ηᵢ), которые характеризуют работу, совершаемую газами внутри цилиндра. Затем, с учетом механических потерь, определяются эффективные показатели: эффективная мощность (Nₑ), эффективный крутящий момент (Mₑ) и удельный эффективный расход топлива (gₑ). Финальным шагом является сравнение расчетных эффективных показателей с паспортными данными, что позволяет верифицировать корректность выполненного расчета.
Раздел 3. Построение диаграмм и анализ теплового баланса двигателя
Результаты, полученные в ходе теплового расчета, необходимо визуализировать и проанализировать для более глубокого понимания рабочих процессов. Для этого строятся индикаторные диаграммы и составляется тепловой баланс.
Построение индикаторной диаграммы
Индикаторная диаграмма — это графическое представление зависимости давления газов в цилиндре от объема надпоршневого пространства (свернутая диаграмма) или от угла поворота коленчатого вала (развернутая диаграмма). Она является «визитной карточкой» рабочего цикла двигателя. Для ее построения сначала создается таблица, где для ряда положений коленчатого вала (например, с шагом в 10 градусов) вычисляются соответствующие значения давления. Этот процесс удобно автоматизировать с помощью MS Excel или специализированного ПО. Построенная диаграмма наглядно демонстрирует пики давления, характер процессов сжатия, сгорания и расширения, а также работу, совершаемую за цикл (площадь диаграммы).
Составление теплового баланса
Тепловой баланс позволяет количественно оценить, как энергия, введенная в двигатель с топливом, распределяется по различным статьям расхода. Это ключевой инструмент для анализа тепловой нагруженности и экономической эффективности двигателя. Расчет баланса включает:
- Приходная часть: Расчет общего количества теплоты (Q₀), введенной с топливом, на основе его низшей теплотворной способности и часового расхода.
- Расходная часть:
- Теплота, преобразованная в полезную (эффективную) работу (Qₑ).
- Теплота, уносимая охлаждающей водой (Qᵥ).
- Теплота, уносимая смазочным маслом (Qₘ).
- Теплота, уносимая отработавшими газами (Qᴦ).
- Остаточный член баланса (Qₒₛₜ), включающий потери тепла в окружающую среду через наружные поверхности двигателя и неучтенные факторы.
Результаты обычно представляются в виде таблицы в абсолютных (кДж/ч) и относительных (%) значениях. Анализ этих данных показывает, что лишь часть энергии топлива (обычно около 40-45%) преобразуется в полезную работу, в то время как значительная часть уходит в виде тепловых потерь.
Раздел 4. Исследование кинематики и динамики кривошипно-шатунного механизма
После определения сил давления газов необходимо проанализировать, как они и силы инерции действуют на детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Этот анализ делится на кинематический и динамический.
Кинематический анализ
На этом этапе исследуется геометрия движения звеньев КШМ без учета действующих сил. На основе конструктивных размеров (радиус кривошипа, длина шатуна) выводятся формулы для определения перемещения, скорости и ускорения поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Построение графиков этих зависимостей наглядно показывает, что поршень движется неравномерно, достигая максимальных скоростей в середине хода и максимальных ускорений в мертвых точках.
Динамический анализ
Динамический анализ — это сердцевина расчета, где определяются все нагрузки, действующие в механизме. Он включает:
- Расчет сил инерции (Pⱼ): Рассчитываются силы инерции от возвратно-поступательно движущихся масс (поршень, поршневые кольца, поршневой палец, верхняя часть шатуна). Эти силы зависят от массы и ускорения поршня и направлены против него.
- Использование сил давления газов (Pᴦ): Значения сил давления газов берутся напрямую из развернутой индикаторной диаграммы, построенной ранее.
- Расчет суммарной силы (P∑): Суммарная сила, действующая вдоль оси цилиндра, определяется как алгебраическая сумма сил давления газов и сил инерции (P∑ = Pᴦ + Pⱼ). График этой силы показывает реальную нагрузку на поршень в каждый момент цикла.
- Разложение сил в КШМ:
Суммарная сила P∑ раскладывается на две компоненты: нормальную силу (N), которая прижимает поршень к стенке цилиндра и вызывает ее износ, и силу (S), действующую вдоль оси шатуна и передающую нагрузку на коленчатый вал.
- Определение тангенциальной (T) и радиальной (Z) сил: Сила в шатуне, в свою очередь, раскладывается на две компоненты в месте ее приложения к шатунной шейке. Тангенциальная сила (T) создает крутящий момент, а радиальная сила (Z) нагружает шатунную шейку и коренные подшипники. Построение их графиков необходимо для дальнейшего анализа.
Раздел 5. Анализ крутящего момента и уравновешенности всего двигателя
Расчет сил для одного цилиндра показывает, что они крайне неравномерны. Чтобы оценить работу всего двигателя, необходимо просуммировать усилия от всех цилиндров и проанализировать вибрации.
Суммарный крутящий момент
Тангенциальные силы от каждого из шести цилиндров создают индивидуальные крутящие моменты. Суммарный крутящий момент двигателя получается путем графического или аналитического сложения моментов от всех цилиндров. При этом учитывается порядок их работы и соответствующий сдвиг фаз (для рядного шестицилиндрового двигателя это 120°). Полученный график суммарного момента гораздо равномернее, чем у одноцилиндрового двигателя, что и является главным преимуществом многоцилиндровой схемы. На основе этого графика рассчитывается коэффициент неравномерности крутящего момента, который важен для расчета маховика.
Уравновешенность двигателя
Уравновешенность — это свойство двигателя работать без вибраций, вызванных неуравновешенными силами и моментами от движущихся масс. Основными источниками вибраций являются силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс (первого и второго порядков) и центробежные силы от вращающихся масс.
В курсовой работе проводится анализ уравновешенности сил и моментов для конкретной схемы двигателя. Теоретически, рядный шестицилиндровый двигатель с симметричным коленчатым валом является одной из наиболее сбалансированных схем. У него полностью уравновешены как силы инерции первого и второго порядков, так и их моменты. Это обеспечивает очень плавную работу и низкий уровень вибраций, что является критически важным для судовых установок. Вывод об общей уравновешенности двигателя 6Ч 18/22 подкрепляется теоретическими положениями для данной компоновки.
Раздел 6. Выборочный прочностной расчет наиболее нагруженных деталей
Результаты динамического анализа, а именно значения максимальных сил, служат исходными данными для проверки прочности ключевых деталей двигателя. Этот раздел демонстрирует практическое применение всех предыдущих расчетов.
Обычно для расчета выбираются наиболее нагруженные элементы. Обоснованным выбором являются:
- Поршневой палец: Он работает в тяжелых условиях, воспринимая максимальную силу давления газов. Его проверяют на изгиб и срез.
- Шатунные болты: Эти элементы обеспечивают соединение кривошипной головки шатуна с ее крышкой. Они нагружены в основном силами инерции поршневой группы на высоких оборотах (особенно в верхней мертвой точке на такте выпуска). Расчет ведется на растяжение.
- Коленчатый вал: Является одной из самых сложных и дорогих деталей. Его проверка (например, щеки на изгиб и кручение от тангенциальной и радиальной сил) — обязательный этап проектирования.
Для каждой детали определяется расчетная нагрузка из данных динамического анализа, выбирается материал с известными механическими свойствами (предел прочности, предел текучести) и назначается допускаемое напряжение. Затем проводится расчет, и полученное напряжение сравнивается с допускаемым. На основе этого сравнения делается однозначный вывод о прочности детали и ее способности выдерживать эксплуатационные нагрузки.
Заключение, где подводятся итоги и обобщаются результаты расчетов
В ходе выполнения данной курсовой работы были успешно решены все поставленные цели и задачи. Был проведен комплексный расчет и анализ судового дизельного двигателя 6Ч 18/22, позволивший получить целостную картину его рабочих процессов и эксплуатационных характеристик.
Основные результаты и выводы по разделам работы:
- По результатам теплового расчета определены ключевые термодинамические параметры цикла, а также рассчитаны индикаторные и эффективные показатели, которые показали хорошее совпадение с паспортными данными, подтвердив корректность принятой методики.
- В ходе динамического анализа были рассчитаны максимальные значения и характер изменения сил, действующих в КШМ. Определены нагрузки от давления газов и инерции, а также результирующие силы, передающиеся на шатун и коленчатый вал.
- Анализ уравновешенности подтвердил, что выбранная схема рядного шестицилиндрового двигателя является полностью уравновешенной, что обеспечивает минимальный уровень вибраций. Расчет суммарного крутящего момента показал значительное повышение равномерности вращения по сравнению с одноцилиндровым аналогом.
- Прочностные расчеты наиболее нагруженных деталей (поршневого пальца, шатунных болтов) показали, что их запасы прочности достаточны для восприятия максимальных нагрузок, возникающих во время эксплуатации.
В целом, проведенное исследование подтверждает, что конструктивные параметры и расчетные характеристики двигателя 6Ч 18/22 «Хабаровец» соответствуют его назначению в качестве надежного и эффективного главного двигателя для судов речного флота.
Список использованной литературы
…
Приложения
…
Список источников информации
- А.Г. Миклос. Судовые двигатели внутреннего сгорания, 2003 г.
- А.Г. Миклос. Курсовое проектирование, 2000 г.
- А.Ф. Куприянов. Теория судовых ДВС, 2000 г.
- Е.М. Соловьев. Пособие механика крупнотоннажного судна, 2001 г.
- А.М. Кравцов. Дизели морских судов, 2002 г.