Звездообразный дизельный двигатель

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных факторов развития двигателестроения является перевод большей части двигателя на альтернативные виды топлива, в том числе замена легкого топлива на тяжелое.

Добыча и переработка, а также доставка к местам потребления и хранения дизельного топлива по сравнению с высококачественными светлыми нефтепродуктами проще и рентабельнее.

Дизельный двигатель в условиях эксплуатации значительно экономичнее бензинного.

Присущие быстроходным дизелям недостатки заключаются в следующем: производство их значительно сложнее, удельные веса больше, двигатели малооборотны, т.е. требуют при той же мощности затраты большего количества металла.

У дизельного двигателя степень сжатия находится в пределах 16-20 единицы по сравнению с 9-10 у бензиновых двигателей, что обеспечивает более высокий КПД. Кроме того, у дизеля регулирование рабочей смеси в основном качественное, т.е. вне зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки в цилиндры подается практически одинаковое количество воздуха, а количество используемого топлива увеличивается с нагрузкой. Но даже при полной мощности масса впрыскиваемого топлива в 1,5- 1,7 раза меньше, чем у бензинового двигателя такого же рабочего объема. Это означает, что действительная степень сжатия, т. е. давление и температура конца сжатия, не зависит от нагрузки, а рабочая смесь по сравнению с бензиновым двигателем всегда очень бедная. Эти факторы обеспечивают дизелю высокую эффективность сгорания и последующего расширения и на частичных нагрузочных режимах.

В условиях эксплуатации стабильность мощностных показателей и расхода топлива зависит в первую очередь от сопротивления воздухоочистителя, которое влияет на наполнение цилиндров воздухом (в том числе и двигателей с турбонаддувом), угла опережения впрыска топлива, давления начала подъема иглы форсунки (давления начала впрыска), качества распыла топлива форсунками, а также от характера (закона) подачи топлива топливным насосом высокого давления.

Следует отметить, что стабильность регулировочных параметров системы подачи топлива у дизельных двигателей выше, чем у бензиновых. Однако в процессе эксплуатации нужно строго контролировать качество очистки воздуха и топлива, а также исключить возможность перегрева двигателя, что незамедлительно повлияет на работу форсунок и поршневой группы.

Дизельные двигатели более долговечны, чем бензиновые, что объясняется более прочным и жестким выполнением блока цилиндров, коленчатого вала, деталей цилиндро-поршневой группы, головки блока цилиндров и применением дизельного топлива, которое в отличие от бензина в известной степени также является смазочным материалом.

К недостаткам дизельных двигателей следует отнести большую массу, меньшую литровую мощность, повышенный шум из-за высокого давления сгорания и затрудненный пуск при отрицательных температурах окружающего воздуха, особенно у автомобилей прошедших 100 000 км и более. В процессе эксплуатации изнашиваются плунжерные пары топливного насоса высокого давления, нарушается герметичность посадки иглы форсунки, что приводит на низких оборотах при пуске (70-90 оборотов в минуту) к плохому распылению топлива. В то же время в результате появившегося износа цилиндро-поршневой группы на такой частоте вращения заметно увеличивается прорыв сжимаемого воздуха в картер, а значит, давление и температура не достигают значений, необходимых для воспламенения распыленного топлива.

Звездообразные (радиальньные) двигатели позволяют компенсировать ряд недостатков присущих дизельным двигателям. Радиальные двигатели имеют небольшой вес при высокой мощности, поскольку на один кривошип коленчатого вала приходится несколько цилиндров, а картер достаточно компактен. Небольшое число движущихся деталей, возможность обеспечения воздушного охлаждения, повышают надежность и ремонтопригодность звездообразных двигателей.

В данной работе была предпринята попытка создать двигатель, который бы объединил лучшие качества дизельных и звездообразных двигателей.

1. ПАТЕНТНАЯ ПРОРАБОТКА

В дипломном проекте поставлена задача разработки дизельного звездообразного двигателя для городского автобуса, исходя из поставленной задачи, была произведена патентная проработка.

Патентный поиск проводился с использованием фондов Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, а также по некоторым источникам зарубежных стран. Была произведен поиск по патентной документации за последние восемьдесят лет (1930 - 2010).

.1 Многоцилиндровый двухтактный звездообразный двигатель

Заявка 2007106876/06

Заявлено 04.04.2006

Опубликовано 27.02.2009

Авторы изобретения: Мантеакис Иоаннис (GR), Вулгарелис Антониос (GR)

Патентообладатель: Киосо Корпореишн (JP)

Формула изобретения.

Изобретение относится к двигателям, предназначенным для использования на моделях с объемом порядка 0,30-1,20 кубических дюймов. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения (рис. 2.1) заключается в том, что двигатель содержит цилиндрический корпус (1), на периметре которого радиально расположены цилиндры (2), внутри которых перемещаются поршни (2а), присоединенные посредством шатунов (6) к системе из равного количества коленчатых валов (8а), которые проходят через цилиндрический корпус (1), и их зубчатые колеса (8b) зацепляются с зубчатым колесом (3а) центральной оси (3) во внутреннем пространстве корпуса (1), который содержит картер двигателя и имеет конструкцию, обеспечивающую заданную компрессию. Особенностью двигателя является равномерное распределение рабочей смеси и одновременное зажигание рабочей смеси во всех цилиндрах при помощи приспособления, содержащего пластинчатый клапан (40).

1.2 Двигатель внутреннего сгорания

Заявка: 97119891/06

Заявлено 03.12.1997

Опубликовано 27.02.2000

Авторы изобретения: Грабовский А.А. (RU)

Патентообладатель: Грабовский Александр Андреевич

Формула изобретения.

Изобретение может быть использовано в автотракторной технике, специальных машинах, агрегатах питания, а также в стационарных механизмах, где необходимо получение крутящего момента. Звездообразный двигатель (рис. 2.2) выполнен с двумя рядами звезд, лежащих в двух горизонтальных параллельных друг другу плоскостях, цилиндры в которых сдвинуты между собой по фазе на половину угла развала цилиндров в звезде. Поршни каждой из звезд посредством комплекта шатунов шарнирно связаны с соответствующей шатунной шейкой коленчатого вала, состоящего из двух колен, соединенных между собой шатунными шейками под углом 180º относительно друг друга посредством центральной щеки. Коленчатый вал коренными шейками на опорах качения установлен вертикально в верхней и нижней половинках картера, которые между собой соединены обоймой. Последняя выполняет совместно с половинками картера роль основания для остальных механизмов и узлов двигателя. Верхний конец коленчатого вала является приводным для механизмов и систем двигателя, а с нижнего снимается крутящий момент, который через зубчатую пару, цепную передачу или цепной вариатор передается последовательно на механизм сцепления, коробку передач и главную передачу, которые смонтированы в соответствующих полостях корпуса. Корпус прикрепляется к картеру маховиков, образуя с двигателем единый блок. Каждый из цилиндров одной звезды работает в противофазе с диаметрально противоположным цилиндром второй звезды. Для десятицилиндрового двигателя на такте рабочего хода одновременно находятся шесть цилиндров. Двигатель с одинаковым успехом может монтироваться как в переднем, так и в заднем объеме кузова или вообще вне кузова (шасси) автомобиля, а на оси полуприцепа. Технический результат заключается в повышении мощности и экономичности двигателя, а также в упрощении технологического цикла изготовления и сборки двигателя.

2. ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ

Двигатель дизельный, четырехтактный, семицилиндровый, звездообразный, четырнадцатиклапанный, однорядный.

Система питания Common Rail.

Порядок работы цилиндров 1-3-5-7-2-4-6.

Основные характеристики двигателя даны в главе 4 таблица 4.1.

Цилиндры двигателя отдельно стоящие, установленные на картере независимо друг от друга, отлиты из высокопрочного алюминиевого сплава. Гильзы цилиндров стальные точеные с верхним опорным фланцем, опирающимся на расточку верхней части цилиндра. Между наружными поверхностями гильз и стенками цилиндра образуется полость охлаждения. Для уплотнения полости охлаждения служат два медных кольца, установленные в проточенные по внутренней поверхности цилиндра канавки.

Головка цилиндров из алюминиевого сплава, кованная, а затем механически обработанная. Цилиндры и головки цилиндров выполнены с ассиметричным оребрением, перпендикулярным оси цилиндра. В головке расположены клапаны механизма газораспределения - по одному впускному и одному выпускному на каждый цилиндр и форсунки. В верхней части головки расположены стойки с коромыслами привода клапанов, сверху головка закрыта крышкой. Клапаны изготовлены из жаропрочной стали. На посадочную фаску выпускного клапана, наплавлен слой твердого сплава. Седла выпускных клапанов, изготовлены из жаропрочного чугуна и запрессованы в головку цилиндров. Направляющие втулки клапанов из пористого порошкового материала с хорошими антифрикционными свойствами.

Картер является основным силовым корпусом двигателя, изготовлен литьем из алюминиевого сплава с последующей механической обработкой. К нему крепятся цилиндры, в нем расположены опорные подшипники коленчатого вала. Кроме того, стенки картера образуют резервуар, обеспечивающий сбор масла, стекающего после смазки трущихся поверхностей деталей двигателя.

В полости картера размещается кривошипно-шатунный механизм. Жесткость картера обеспечивается наличием в нем поперечных стенок. В поперечных стенках сделаны центральные расточки. В них запрессованы и закреплены штифтами стальные цементированные гнезда опорных подшипников коленчатого вала.

К переднему фланцу гнезда переднего подшипника 4 винтами присоединен фланец подачи масла к оси двойной шестерни привода механизма газораспределения. Он является также упором, ограничивающим продольные перемещения коленчатого вала вперед. Задним упором подшипника и вала является внутренний буртик переднего гнезда.

В нижнюю часть стенки передней половины среднего картера запрессованы 3 болта с круглыми потайными головками, на которых со стороны носка картера устанавливается своим фланцем ось двойной шестерни привода механизма газораспределения.

На боковой поверхности картера сделано 7 фланцев для крепления цилиндров. В каждом фланце имеется отверстие для прохода юбки цилиндра. На каждом фланце установлено по 16 цилиндрических шпилек для крепления цилиндров к картеру. На задней и передней поперечных стенках картера установлено по 15 шпилек для крепления передней и задней крышки. В задней поперечной стенке просверлено 2 суфлерных отверстия, а также 2 расточки для установки подшипников шестерен привода.

Передняя крышка картера изготовлена штамповкой из сплава алюминия. На заднем фланце крышки просверлены 15 отверстий для крепления к картеру. На боковой поверхности крышки равномерно по окружности расположены 14 приливов с отверстиями для установки направляющих толкателей механизма газораспределения. На площадке каждого прилива ввернуто по 2 шпильки для крепления направляющих толкателей. Внутренняя поверхность крышки изготовлена в виде фланца для установки кулачковой шайбы. На наружной поверхности по диаметру расположены отверстия с резьбой для крепления водяной помпы.

Задняя крышка картера изготовлена штамповкой из сплава алюминия. Крышка крепится к картеру на 15 шпильках и центрируется 2 штифтами, имеющимися на картере. Уплотнение обеспечивается паранитовой прокладкой. На крышке имеются фланцы со шпильками для крепления насоса ТНВД, маслонасоса и генератора. Во фланцах имеются отверстия через которые проходят валики приводов агрегатов. В верхней части крышки имеется фланец с 2 шпильками и сквозным отверстием для присоединения трубопровода суфлирования двигателя через масляный бак. Внутри задней крышки изготовлены приливы в которых просверлены масляные каналы для подачи масла через отверстие к коленчатому валу, к фланцу установки масляного фильтра. На крышке выполнены 3 ребра жесткости расположенные под углом 120°.

Привод клапанов осуществляется посредством центральной кулачковой шайбы, толкателей, тяг и коромысел. Кулачковая шайба размещается в передней части картера и состоит из стального венца с кулачками, и алюминиевой ступицы с бронзовой втулкой. Рабочие поверхности кулачков и дорожек венцов цементируются. Венец центрируется относительно ступицы по цилиндрическому пояску. Крепление осуществляется болтами. В качестве опоры для кулачковой шайбы служит втулка, расположенная на поверхности передней крышки. Кулачковая шайба фиксируется в осевом направлении упорной шайбой. Привод кулачковой шайбы с внутренним зацеплением. Назначение привода - вращать кулачковую шайбу с определенной скоростью и необходимом направлении. В конструкцию привода механизма газораспределения входят: ведущая шестерня, фланец для подачи масла к оси двойной шестерни, двойная шестерня, ось двойной шестерни и детали ее крепления к картеру.

Ведущая шестерня привода имеет наружный зубчатый венец, цилиндрическую шейку с двумя кольцевыми канавками для установки бронзовых маслоуплотнительных колец и внутренние шлицы, которыми она надевается на коленчатый вал. Одна из шлиц удалена для установки шестерни на валу в определенном положении.

На внутренней поверхности шестерни за шлицами имеется небольшая сегментная лыска, которая соединена тремя радиальными отверстиями с полостью, образуемой маслоуплотнительными кольцами. Отверстия перепускают масло из полости между носком коленчатого вала и стаканом к оси двойной шестерни привода.

Фланец подачи масла служит для подвода масла к оси двойной шестерни. Одновременно он фиксирует наружную обойму переднего подшипника коленчатого вала и сам вал от перемещения вперед. Фланец изготовлен из высококачественной стали, устанавливается в гнезде переднего подшипника коленчатого вала и крепится к нему винтами за 4 лапы. Винты контрятся проволокой.

На внутреннюю азатированную поверхность фланца опираются маслоуплотнительные кольца ведущей шестерни привода. Для подвода масла из полости между кольцами к наружной цилиндрической поверхности фланца последний имеет стальную трубку, развальцованную в радиальных отверстиях стенок его внутреннего и наружного буртиков. Соосно с этими отверстиями расположено отверстие в буртике гнезда подшипника, выступающем из стенки картера, через которое масло проходит в ось двойной шестерни.

Двойная шестерня эластичная. Зубчатые венцы ее изготовлены раздельно и соединены между собой пружинными пакетами, допускающими некоторое окружное смещение венцов относительно друг друга.

Малый венец шестерни заканчивается наружным фланцем с 6 радиальными выступами, имеющие окружные прорези. В прорези заведены выступы внутреннего фланца большого венца. В собранном виде фланцы шестерен образуют 6 окон, в каждое из которых с передней стороны установлено по одному пружинному пакету. Каждый пакет состоит из пружины и 2 стальных сухариков, которыми он опирается на выступы фланцев. Кроме того, сухарики предохраняют пружины от недопустимо большого обжатия. От продольных перемещений и от выпадения пружинные пакеты удерживаются выступами фланца большого венца и специальной крышкой, которая 6 винтами закреплена на фланце малого венца с передней стороны. Винты взаимно законтрены проволокой.

Малый венец шестерни имеет осевое отверстие, в которое запрессована втулка из свинцовой бронзы, являющаяся опорным подшипником шестерни. Зубья обоих венцов коррегированы и цементированы.

Эластичная двойная шестерня введена с целью уменьшить ударные нагрузки на зубья шестерен привода.

Ударные нагрузки на зубья шестерен привода возникают в момент резкого изменения числа оборотов коленчатого вала и обусловлены значительной массой и инертностью кулачковой шайбы.

Эластичность сочленения позволяет венцам шестерен в момент удара смещаться относительно друг друга. Пружины сжимаются, воспринимая на себя часть нагрузки и подобно амортизаторам смягчают удар между зубьями шестерен. Введение эластичной двойной шестерни значительно уменьшило нагрузки на зубья всех шестерен привода и повысило их надежность.

Ось двойной шестерни стальная, пустотелая, изготовлена заодно с фасонным фланцем, за три лапы которого она крепится к стенке передней части среднего картера. Внутренняя полость оси с задней стороны закрыта завальцованной в ней заглушкой. С передней стороны она после установки шестерни закрывается специальной резбовой пробкой, которая своим фланцем ограничивает перемещение шестерни вперед. Ось имеет два радиальных отверстия: одно - для подвода масла внутрь ее; другое - для вывода масла на трущиеся поверхности оси и втулки двойной шестерни.

Внутренняя полость оси за резьбой под пробку имеет шестигранное сечение. В нее устанавливается замок для контровки пробки, представляющий собой двухступенчатый шестигранный стержень. Большим сечением он помещается в шестигранной полости оси, меньшим - входит в 12-тигранное осевое отверстие пробки. Пружина, опирающаяся на заглушку, плотно прижимает конусную поверхность замка к гнезду пробки, надежно контрит ее и создает хорошее уплотнение внутренней полости оси. Для прохода масла замок имеет осевое и радиальное отверстия. Чтобы снять пробку, необходимо специальным ключом или тонким стержнем утопить замок до полного выхода из пробки и, удерживая его в таком положении, вывернуть пробку из оси. Для установки пробки необходимо: утопить замок, ввернуть пробку до упора ее фланца в ось и опустить замок. Под действием пружины замок войдет в пробку. Если грани замка и отверстия не совпали и замок не входит в пробку, ее следует чуть-чуть вывернуть. Тогда замок со щелчком войдет в пробку.

Ось шестерни крепится к картеру 3 болтами, которые своими конусными головками запрессованы в отверстия стенки передней части среднего картера. На болты надеваются стальные омедненные эксцентриковые втулки, а на последние устанавливается фланец оси. Поворотом втулок можно изменять положение оси и тем самым регулировать зазоры между зубьями шестерен привода. После подбора зазоров втулки фиксируются стопорной планкой, которая своими 12-тигранными отверстиями надевается на шестигранники втулок.

На одной из граней шестигранника каждой втулки нанесена риска. Если риски всех 3 втулок обращены в сторону коленчатого вала, то зазор в зацеплении зубьев двойной и ведущей шестерен будет наименьшим; при повороте втулок на 180° - зазор наибольшим. Промежуточные положения втулок дают соответственно различные зазоры. Во время регулирования зазоров все втулки следует поворачивать в одну сторону и на одинаковый угол.

Ось двойной шестерни монтируется на эксцентриковые втулки с радиальным и осевым зазором, что дает ей возможность самоустанавливаться. Сделано это для того, чтобы температурные деформации, возникающие при нагреве картера, не привели к перекосу двойной шестерни и к нарушению привального зацепления зубьев шестерен привода.

Смазка оси двойной шестени. Из полости между электронным стаканом и носком коленчатого вала, через его 1-е от щеки отверстие масло подходит к сегментной лыске на ведущей шестерне, откуда через 3 радиальных отверстия поступает в полость между маслоуплотнительными кольцами. Из нее по трубке во фланце и через отверстие в нижней части гнезда переднего подшипника коленчатого вала масло поступает в ниппель, установленный между гнездом подшипника и фланцем оси двойной шестерни. Через заднее отверстие оси масло входит в ее внутреннюю полость, омывает замок, а затем через его отверстие и переднее отверстие оси выходит на смазку трущихся поверхностей.

Ниппель, установленный между гнездом подшипника коленчатого вала и осью, своим цилиндрическим концом входит в отверстие оси, а сферическим прижат с помощью пружины к гнезду подшипника. Жесткое соединение ниппеля с осью и гнездом подшипника недопустимо, т.к. при работе двигателя ось меняет свое положение за счет постановки ее на эксцентриковых втулках с зазорами.

Кулачковая шайба состоит из стального обода, имеющего внутренний зубчатый венец, наружных, радиально расположенных кулачков, и дюралюминиевого диска со ступицей. Обод и диск соединены на болтах. В отверстие ступицы диска запрессована стальная втулка, залитая свинцовистой бронзой. Втулка является подшипником, которым кулачковая шайба опирается на наружную поверхность ступицы передней крышки. Внутренняя и боковые поверхности втулки освинцованы.

Зубья стального венца коррегированы. Кулачки цементированы на глубину 0,9-1,7 мм.

Диск имеет окно, у обреза которого нанесена риска, необходимая для правильной установки шестерен привода и кулачковой шайбы во время сборки двигателя.

Осевые перемещения кулачковой шайбы ограничиваются упором ее, с одной стороны, во фланец крышки, а с другой - в кольцо, установленное между ведущей шестерней привода механизма газораспределения.

Кулачки расположены в 2 ряда. Передний ряд обслуживает клапаны выпуска, задний - клапаны впуска. В каждом ряду имеется 3 кулачка, расположенных под 120° друг к другу.

В узел толкателя входят: толкатель, предохранительное кольцо, ролик, втулка, ось ролика, пружина, шаровое гнездо и направляющая толкателя.

Толкатель стальной, в нижней части имеет прорезь для ролика и отверстия в стенках для оси ролика. В верхней части толкателя сделана полость, в которую устанавливаются пружина и шаровое гнездо. В толкателе просверлено 2 радиальных отверстия, через которые в полость проходит масло.

Наружная цилиндрическая поверхность толкателя для уменьшения износа отполирована и освинцована. В верхней ее части имеется кольцевая канавка, в которую после установки толкателя с роликом в направляющую ставится предохранительное кольцо. Оно сделано из проволоки диаметром 0,9 мм и охватывает толкатель по дуге 240-260°. Назначение кольца - удерживать в собранный узел толкателя от проваливания в полость носка картера во время установки узла на двигатель. Все толкатели взаимозаменяемы.

Шаровое гнездо толкателя стальное, цилиндрическое, двухступенчатое. С одной стороны имеет вогнутую сферическую поверхность, на которую опирается своим наконечником тяга, с другой стороны - внутреннюю конусную расточку, где помещается пружина толкателя. Гнездо имеет осевое отверстие, через которое из толкателя в тягу проходит масло.

Ролик толкателя стальной, имеет незначительную выпуклость по образующей (бочонкообразность), которая предотвращает концентрацию нагрузки на краях ролика в случае его перекоса относительно кулачков и беговой дорожки кулачковой шайбы и уменьшает их износ. В центральное отверстие ролика устанавливается свободноплавающая бронзовая втулка. Этой втулкой ролик опирается на стальную ось, свободно установленную в отверстиях щек толкателя.

Ролики и их оси испытывают значительные нагрузки. Для повышения износоустойчивости и обеспечения необходимой прочности они подвергаются термической обработке - цементируются и закаливаются. Все поверхности ролика, втулки и оси отполированы.

Продольные перемещения оси ролика ограничиваются стенками направляющей. Для уменьшения износа стенок направляющей торцы оси сделаны сферическими. Ролики и втулки роликов двигателей взаимозаменяемы.

Направляющая толкателя - стальная, полая. В полости меньшего диаметра направляющей помещается толкатель; в полости большего диаметра - шаровое гнездо толкателя. Уступ полости является упором предохранительного кольца толкателя.

Направляющей придана цилиндрическая форма. В нижней ее части, выступающей внутрь картера, имеется паз для ролика и отверстие под его ось. Наружный диаметр этой части на 2 мм меньше диаметра, которым направляющая входит в гнездо носка картера. Сделано это для того, чтобы направляющие нижних цилиндров 4 и 5 не касались крышки двойной шестерни привода механизма газораспределения. К верхней части направляющей с помощью дюритового шланга крепится кожух тяги. Для более надежного крепления кожуха на конце направляющей сделан наружный бортик. К носку картера направляющая крепится за фланец 2-мя шпильками. Под фланец ставится паранитовая прокладка.

Тяги передают движение от толкателей к рычагам клапанов. Тяга представляет собой цельнотянутую стальную трубку, в которую с обоих концов запрессованы стальные закаленные сферические наконечники. Оба наконечника имеют по 1 сквозному осевому отверстию для прохода масла к подшипнику рычага клапана. В рабочем положении тяга стоит наклонно, причем угол наклона меняется в зависимости от перемещения толкателя и рычага клапана. Чтобы во всех ее положениях масло из шарового гнезда толкателя свободно проникало в тягу и из тяги в регулировочный винт рычага клапана, отверстия наконечников тяги у выхода раззенкованы.

Кожух тяг обеспечивают слив масла в картер из клапанных коробок верхних и поступление масла в клапанные коробки нижних цилиндров.

Кожух тяги изготовлен из тонкостенной дюралюминиевой трубы. Один конец его развальцован под углом 60° и при помощи стальной накидной гайки крепится к штуцеру, ввернутому в клапанную коробку цилиндра. Между гайкой и развальцованной частью кожуха устанавливается стальное конусное обжимное кольцо. Второй конец кожуха - цилиндрический и крепится к направляющей толкателя с помощью дюритового шланга. Внутрь шланга запрессована стальная втулка, защищающая его от действия масла. С одного конца втулка имеет развальцовку, с другого - косой срез, которым плотно прилегает к верхнему торцу направляющей.Во время запрессовки в шланг втулка ориентируется относительно него так, чтобы удлиненный конец ее среза находился против коричневой отличительной полоски на наружной поверхности шланга. При установке шланга на направляющую нужно следить, чтобы эта полоска была направлена к винту.

Наличие эластичного крепления кожуха позволяет ему свободно перемещаться вместе с головкой цилиндра, когда последний удлиняется от нагрева.

Рычаги клапанов служат для передачи движения от тяг к клапанам при их открытии и от клапанов к тягам - при закрытии клапанов. Все рычаги размещены в клапанных коробках цилиндров и устроены принципиально одинаково.

Рычаги клапанов изготовлены из высококачественной стали. Рычаг - двуплечий, в средней части имеет ступицу с отверстием для подшипника. На вильчатом конце заднего плеча рычага установлен стальной закаленный ролик, которым рычаг опирается на торец штока клапана. Ролик вращается на стальной закаленной втулке, установленной на стальной оси и зажатой между щеками рычага при развальцовке концов оси. На переднем плече рычага установлен регулировочный винт с шаровым гнездом, в которое входит шаровой наконечник тяги. Винт контрится зажимным винтом, который в свою очередь законтрен неразрезной пружинной шайбой. Регулировочный винт имеет глухое осевое отверстие, с которым соединены 3 радиальных канала для подвода масла из тяги к подшипнику рычага. Для этой цели переднее плечо рычага имеет сквозной канал, соединенный с подковообразным пазом на поверхности отверстия под регулировочный винт. Радиальные каналы расположены под углом 120° друг к другу, и при любом положении винта одно из них совпадает с пазом, обеспечивая пропуск масла к подшипнику.

На верхнем торце винта по направлению осей каналов нанесены 2 риски. Третья - совпадает с пазом винта под отвертку. Риски служат для того, чтобы во время регулирования зазоров между роликами рычагов и штоками клапанов верхних цилиндров случайно не поставить регулировочный винт в положение, при котором одно из его отверстий совпадает с прорезью рычага. Если отверстие совпадает с прорезью, то масло к подшипнику не поступит, а будет свободно вытекать в клапанную коробку и через кожух тяги - в картер.

Смазка подшипников рычагов клапанов. Подшипники рычагов клапанов впуска и выпуска цилиндров 1, 2, 3, 6, 7 смазываются маслом под давлением. Из зигзагообразного канала носка картера масло подходит к задним отверстиям в стенках направляющих толкателей этих клапанов. При перемещении толкателей и направляющих их отверстия на некоторое время совмещаются. В эти моменты масло поступает внутрь толкателей и через осевые каналы их шаровых гнезд, через тяги, осевые и радиальные отверстия регулировочных винтов поступает в каналы рычагов клапанов. Затем масло входит в кольцевые канавки на наружных обоймах подшипников и через их радиальные отверстия выходит в полости между обоймами подшипников. Смазав и охладив подшипники, масло вытекает в клапанные коробки, откуда по кожухам тяг и наклонным отверстиям направляющих толкателей стекает в картер.

Для обеспечения надежной смазки подшипников рычагов этих клапанов необходимо при регулировании зазоров между роликами и штоками клапанов устанавливать регулировочный винт, ориентируясь по рискам на его торце, так, чтобы ни одно из его радиальных отверстий не совпадало с прорезью рычага. Кроме того, регулировочный винт должен быть в таком положении, чтобы его радиальное отверстия совмещались с подковообразным пазом рычага по высоте. Для этого регулировочный винт не должен выступать из рычага более, чем на 5 мм и не должен утопать в нем. Подшипники рычагов всех других клапанов смазываются маслом, поступающим в клапанные коробки самотеком из носка картера через зазоры между толкателями и их направляющими и через кожухи тяг. При регулировании зазоров у этих клапанов регулировочный винт может быть установлен в любое положение.

Клапаны изготовлены из жаропрочной стали. На посадочную фаску выпускного клапана наплавлен слой твердого сплава. Седла выпускных клапанов изготовлены из жаропрочного чугуна и запрессованы в головку цилиндра. Направляющие втулки клапанов выполнены из пористого порошкового материала с хорошими антифрикционными свойствами.

Коленчатый вал выполняется разъемным, с клеммовым соединение для возможности монтажа неразъемного основного шатуна и подшипников. Шатунные и коренная шейки для уменьшения веса выполнены с внутренними расточками, которые используются для подвода и центрифугирования масла, в целях частичной очистки. Во избежании вытекания масла полости закрываются заглушками. На переднем конце коленчатого вала имеются шлицы для посадки ведущей шестерни привода механизма газораспределения. В торце вала выполнено шлицевое соединения для присоединения центробежного насоса. На удлиненных частях обеих щек вала подвешены противовесы (демпферы), гасящие его крутильные колебания и уравновешивающие силы инерции вращательно и поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма.

Основное назначение коленчатого вала - преобразовать работу сил давления газов, действующих на поршни в тактах рабочего хода, в крутящий момент и передать его на маховик. Кроме того, коленчатый вал обеспечивает перемещение поршней в течение их нерабочих ходов и приводит в действие механизм газораспределения и агрегаты, установленные на двигателе.

Коленчатый вал состоит из двух частей, соединенных стяжным болтом. Обе части изготовлены из высококачественной специальной стали 18ХНВА. Их заготовка штампуется в горячем виде, что позволяет вытянуть волокна металла по контуру вдоль конфигурации вала. Такое расположение волокон значительно повышает прочность вала.

Противовес (демпфер) имеет вид массивного стального бруска сегментной формы, имеющего сквозной паз для прохода щеки и 2 сквозных отверстия, перпендикулярных пазу. В отверстия запрессованы стальные цементированные втулки, которыми противовес опирается на пальцы подвески. Пальцы стальные, цементированные, имеют с обеих сторон буртики. При совмещенных отверстиях щеки и противовеса пальцы в них проходят свободно. После установки пальцев противовес отжимается в направлении от оси коренной шейки до упора, а затем на щеке крепится двумя болтами ограничитель противовеса. Гайки болтов ограничителя контрятся шплинтами. Ограничитель имеет специальный уступ, предохраняющий болты от срезания. Уступ упирается в выступ щеки.

Главный шатун изготовлен штамповкой из стали, имеет неразъемные верхнюю и нижнюю головки, что обеспечивает высокую жесткость, компактность и малый вес.

Прицепные шатуны двутаврового сечения, изготовлены штамповкой из стали и закреплены пальцами в щеках головки главного шатуна.

Пальцы вращаются в бронзовых втулках, запрессованных в кривошипную головку главного шатуна и имеют принудительную смазку. С целью исключения масляного голодания от действия центробежных сил шатунный подшипник главного шатуна имеет торцевое маслоуплотнения кривошипной головки, что создает устойчивый масляный слой на подшипнике и дает возможность подвода масла к пальцам прицепных шатунов.

Поршень отлит из алюминиевого сплава. Поршневой палец плавающего типа, фиксированный от осевого смещения стопорными кольцами. На головке поршня три поршневых кольца - два компрессионных и одно маслосъемное. Верхнее кольцо хромированное. Наружные боковые поверхности второго и третьего колец обработаны с небольшой коноснустью, основанием конуса вниз. Маслосъемное кольцо двойное с расширителем.

Выемка в поршне образует камеру сгорания, создающая в процессе наполнения цилиндра вихревые движения заряда, что улучшает смесеобразование и сгорание.

3. ВЫБОР АНАЛОГОВ

Для проектирования мной было выбрано 3 двигателя от разных производителей. Исходным параметром, по которому проводился подбор, является мощность Ne, вес m и габаритные показатели двигателя - d и l. По таблице аналогов после проведения расчетов проводится сравнение спроектированного мной двигателя с реально существующими агрегатами.

Таблица 4.1

Наименование	Паккард DR-980	ZOD-240A	Бристоль «Феникс»	Проектируемый двигатель
Ne, кВт	165,6	206,1	305,4	162
nN, мин­¹	1950	1560	1900	2100
Me max, Н∙м	-	-	-	952
nM при Me max, мин­¹	-	-	-	1100
Рабочий объем - Vh, см³	1790	1470	3194,4	1534
Сухой вес мотора - m, кг	237	287	494	164
Число цилиндров - i	9	9	9	7
Компоновка	звездообразный	звездообразный	звездообразный	звездообразный
D, мм	122,24	120	146	125
S, мм	152,4	130	190	125
S/D	0,8	0,92	0,768	1,0
ε	16	15	14	18
Nел, кВт/л	10,28	15,57	10,62	15,19
Вид охлаждения	воздушное	воздушное	воздушное	комбинированное
Диаметр мотора - d, мм	1160	1180	1346	1201
Длина мотора - l, мм	933	878	1092	835

После ознакомления с мировыми аналогами, мной были выбраны следующие характеристики проектируемого двигателя:

Номинальная мощность Ne = 162 кВт, при частоте вращения к/в n_N = 2100 об/мин;

Расположение и число цилиндров - радиальное (звездообразное), 7-и цилиндровое;

Отношение S/D = 1;

Степень сжатия ε = 18;

Число клапанов на цилиндр - 2;

Вид охлаждения - комбинированное - жидкостно-воздушное;

Система питания Common Rail - непосредственный впрыск дизельного топлива.

4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДВИГАТЕЛЯ

4.1 Тепловой расчет

Исходные данные

Эффективная мощность N_e = 162 кВт (220 л.с.) при частоте вращения коленчатого вала n = 2100 мин^-1.

Двигатель семицилиндровый, i = 7 с звездообразным (радиальным) расположением цилиндров.

Система охлаждения комбинированная - воздушная и жидкостная закрытого типа.

Степень сжатия ε = 18.

Расчетные частоты вращения: n_min = 800 мин^-1, режим максимального крутящего момента n_m = 1250 мин^-1; режим максимальной (номинальной) мощности n_N = 2100 мин^-1; режим максимальной скорости движения автомобиля n_max = 2300 мин^-1.

Дальнейшие формулы показаны для номинального режима n_N.

Топливо

Средний элементарный состав и молекулярная масса дизельного топлива

С = 0,87; Н = 0,126; О = 0,004;

Низшая теплота сгорания топлива

Н_u = 33,91С + 125,6Н - 10,89(О - S) -2,51×(9H + W)=33,91×0,87 + 125,6×0,126 -10,89∙0,004-2,51×9×0,126 = 42,44 МДж/кг = 42440 кДж/кг

Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива:

Коэффициент избытка воздуха

Уменьшение коэффициента избытка воздуха α до возможных пределов уменьшает размеры цилиндра и, следовательно, повышает литровую мощность двигателя, но одновременно с этим значительно возрастает теплонапряженность двигателя, особенно деталей поршневой группы, увеличивается дымность выпускных газов. Лучшие образцы современных дизелей без наддува со струйным смесеобразованием устойчиво работают на номинальном режиме без существенного перегрева при α=1,4÷1,6, а с наддувом при α=1,6÷1,8. В связи с этим зададим закон изменения α, принимаем на номинальном режиме α=1,56;

Таблица 5.1

n, об/мин	800	1000	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
α	1,4	1,34	1,35	1,38	1,42	1,45	1,49	1,54	1,56	1,6

Рис. 5.1. Коэффициент избытка воздуха.

количество свежего заряда:

количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

Общее количество продуктов сгорания:

М₂=М_СО2+ М_Н2О+М_О2+М_N2=0,0725+0,063+0,0581+0,617=

=0,8107 кмоль пр.сг./кг топл.

Таблица 5.2

Параметры	Рабочее тело
n, об/мин	800	1000	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
α	1,4	1,34	1,35	1,38	1,42	1,45	1,49	1,54	1,56	1,6
M1, кмоль св.зар./кг топл.	0,7	0,669	0,675	0,693	0,709	0,729	0,748	0,769	0,779	0,799
MCO2, кмоль СО2/кг топл.	0,0725	0,0725	0,0725	0,0725	0,0725	0,0725	0,0725	0,0725	0,0725	0,0725
MН2О, кмоль Н2О/кг топл.	0,063	0,063	0,063	0,063	0,063	0,063	0,063	0,063	0,063	0,063
MO2, кмоль O2/кг топл.	0,0418	0,0354	0,0366	0,0402	0,0436	0,0477	0,0517	0,0561	0,0581	0,0623
MN2, кмоль N2/кг топл.	0,5548	0,5303	0,5349	0,5487	0,5616	0,577	0,5925	0,6091	0,617	0,6328
M2, кмоль пр.сг./ кг топл.	0,7322	0,7013	0,7071	0,7244	0,7407	0,7602	0,7797	0,8007	0,8107	0,8307

Параметры окружающей среды и остаточные газы

Давление и температура окружающей среды при работе двигателя:

атмосферные условия р_о = 0,1013 МПа, Т_о = 293 К;

Температуру остаточных газов принимаем по рекомендациям [1]: Т_г = 840,04 К.

Давление остаточных газов:

 

р_г = р_о(1,035+A_p10^-8n²) = 0,1013×(1,035+0,34×10^-8×4200) = 0,1064 МПа,

где A_p = ( р_гN-1,035p_o) ×10⁸/( p_on_N²) = (0,1063-1,035×0,1013) ×10⁸/(0,1013×4200) = 0,34; р_гN - давление остаточных газов, МПа; n_N - частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме, мин^-1.

Таблица 5.3

800

1000

1100

1250

1400

1600

1800

2000

2100

2300

p_r, МПа

0,105

0,1052

0,1053

0,1054

0,1055

0,1057

0,1060

0,1062

0,1064

0,1067

Т_г, К

873,27

894,35

886,53

878,33

870,45

858

846,7

839,04

840,04

839,16

Рис. 5.2. Давление остаточных газов.

Процесс впуска

Рассчитываемый двигатель не имеет специального устройства для подогрева свежего заряда, однако естественный подогрев заряда в дизеле без наддува может достигать 20°С, принимаем DТ = 15°C. Тогда:

плотность заряда на впуске

 

r_к = р_о×10⁶/(R_вТ_о) = 0,1013×10⁶/(287,3×293) = 1,2037 кг/м³,

где R_в = 287,3 Дж/кг×град - удельная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске b² + x_вп = 2,3 и w_вп = 80 м/с приняты в соответствии со скоростным режимом двигателя и с учетом небольших гидравлических сопротивлений во впускной системе дизеля [1].

Тогда

Dр_а = (b² + x_вп) w²_вп r_о×10^-6/2.

Отсюда получим:

Dр_а = 2,3×80²×1,2037·10^-6/2 = 0,008868 МПа;

Давление в конце впуска:

 

р_а = р_о - Dр_а = 0,1013 - 0,008868 = 0,09246 МПа

Рис. 5.3. Коэффициент остаточных газов.

Для дизельного двигателя без наддува принимаем коэффициент очистки j_оч = 1; j_доз = 1,079 - коэффициент дозарядки;

Температура в конце впуска:

 

Т_а = (Т_o + DТ + g_гТ_г)/(1 + g_г)= (293 + 15 + 0,02309×840,04)/(1 + 0,02309) = 320 К

Коэффициент наполнения:

Таблица 5.4

Параметры	Процесс впуска и газообмена
n, об/мин	800	1000	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
α	1,4	1,34	1,35	1,38	1,42	1,45	1,49	1,54	1,56	1,6
Tr, К	873,27	894,35	886,53	878,33	870,45	858	846,7	839,04	840,04	839,16
Pr, МПа	0,10509	0,10522	0,10529	0,10541	0,10555	0,10575	0,10599	0,10625	0,10639	0,10669
ΔT, К	17,91	17,46	17,24	16,90	16,57	16,12	15,67	15,22	15,00	14,55
Δpa, МПа	0,0013	0,0020	0,0024	0,0031	0,0039	0,0051	0,0065	0,0080	0,0089	0,0106
рa, МПа	0,1000	0,0993	0,0989	0,0982	0,0974	0,0962	0,0948	0,0933	0,0925	0,0907
φдоз.	0,957	0,97631	0,9865	1	1,0145	1,032	1,05	1,069	1,079	1,098
γr	0,0231	0,0223	0,0223	0,0224	0,0224	0,0227	0,0229	0,0231	0,0231	0,0232
Ta, К	323,62	323,18	322,82	322,35	321,88	321,29	320,73	320,22	320,01	319,60
ηυ	0,8853	0,8986	0,9051	0,9122	0,9191	0,9249	0,9291	0,9319	0,9330	0,9323

Процесс сжатия

Средний показатель адиабаты сжатия k₁ при e = 18 и рассчитанных значениях Т_а определяется по графику [1], а средний показатель политропы сжатия n₁ при работе дизеля на номинальном режиме можно с достаточной степенью точности принять равным чуть меньше показателя адиабаты:

 

k₁ = 1,3688;

n₁ = 1,3588;

Давление в конце сжатия:

 

р_с =р _аeⁿ¹ = 0,0925×18^1,3588 = 4,695 МПа.

Температура в конце сжатия:    

 

Т_с=Т_аe^n1-1 = 320,01×18^1,3588-1=902,72 К

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия:

свежей смеси(воздуха):

где, t_c = T_c - 273°C=902,72 - 273 = 629,72°C

остаточных газов:

при n = 2100 об/мин, a = 1,56, t_c = 629,72°C определение производится методом экстраполяции с использованием данных табл.8 [1];

- рабочей смеси:

Таблица 5.5

Параметры	Процесс сжатия
n, об/мин	800	1000	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
n1	1,3580	1,3582	1,3583	1,3584	1,3585	1,3586	1,3587	1,3588	1,3588	1,3589
pc, МПа	5,0679	5,0342	5,0141	4,9796	4,9405	4,8807	4,8127	4,7361	4,6946	4,6054
Tc, К	910,80	910,12	909,34	908,26	907,20	905,80	904,48	903,23	902,72	901,71
tc, ºС	637,80	637,12	636,34	635,26	634,20	632,80	631,48	630,23	629,72	628,71
22,28322,28122,27922,27622,27322,26922,26622,26322,26122,259
24,19824,27824,25924,20924,16324,11024,06024,00923,98623,942
22,32622,32422,32222,31822,31522,31022,30622,30222,30022,297

Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения:

-свежей смеси     

рабочей смеси    

Теплота сгорания рабочей смеси:

 

Н_раб.см = H_u/[M₁(1 + g_г)] = 42440/[0,7791(1 + 0,0231)] = 53246,2 кДж/кмоль раб.см.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

Значение коэффициента использования теплоты x_Z = 0,8467 и степень повышения давления l=1,7179 определяется по [1].

Температура в конце видимого сгорания:

Отсюда получим, что t_Z = 2046,31°C;

 

T_Z = t_Z +273 = 2046,31 + 273 = 2319,31 K;

Зададим закон изменения максимального давления сгорания и примем на номинале P_z =8,0648 МПа:

,

Степень предварительного расширения:

 

r = μT_z/(λT_c) = 1,0397·2319,31/(1,7179·902,72)= 1,55.

Таблица 5.6

Параметры	Процесс сгорания
n, об/мин	800	1000	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
μ0	1,0451	1,0472	1,0468	1,0457	1,0446	1,0434	1,0423	1,0411	1,0406	1,0396
μ	1,0441	1,0462	1,0458	1,0447	1,0436	1,0424	1,0413	1,0402	1,0397	1,0387
Hраб.см, кДж/кмоль	59207	61991,7	61457	59920,6	58533,1	56955,8	55459,3	53936,5	53246,2	51909,6
ξZ	0,7665	0,809	0,827	0,8496	0,8635	0,864	0,8564	0,8495	0,8467	0,8416
tZ, ˚C	2037	2166	2188	2196	2191	2157	2111	2066	2008
TZ, K	2310	2439	2461	2469	2464	2430	2384	2339	2319	2281
PZ	6,19	7,04	7,79	8,43	8,83	9,00	8,79	8,50	8,06	7,60
λ	1,2215	1,3991	1,5535	1,6935	1,7875	1,8439	1,8260	1,7954	1,7179	1,6503
r	2,1677	2,0041	1,8217	1,6769	1,5855	1,5167	1,5033	1,5004	1,5549	1,5924

Процессы расширения и выпуска

Степень последующего расширения для дизельного двигателя:

 

δ=ε/r =18/1,5549=11,5761

Средний показатель адиабаты расширения k₂ определяется по номограмме [1] при заданном e = 18 для соответствующих значений a и Т_z, а средний показатель политропы расширения n₂ оценивается и принимается меньше по величине среднего показателя адиабаты: k₂ = 1,25; n₂ = 1,2384

Давление и температура в конце процесса расширения:

,

;

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

DT _г = 100∙│(840,003 - 840,04)│/840,04 = 0 %;

Таблица 5.7

Параметры	Процесс расширения и выпуска
n, об/мин	800	1000	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
δ	8,304	8,982	9,881	10,734	11,353	11,868	11,974	11,997	11,576	11,304
n2	1,2265	1,2281	1,2291	1,2301	1,2313	1,2331	1,2358	1,2371	1,2384	1,2391
pb, МПа	0,4616	0,4753	0,4664	0,4550	0,4435	0,4260	0,4087	0,3933	0,3886	0,3765
Tb, К	1430	1478	1456	1430	1405	1365	1328	1298	1294	1278
Tг, К	873	894	887	878	870	858	847	839	840	839
ΔTг, %	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление:

Среднее индикаторное давление:

уменьшение теоретического среднего индикаторного давления вследствие отклонения действительного процесса от расчетного цикла оценивается коэффициентом полноты диаграммы j_и = 0,95 [1],

=0,95×1,1348 = 1,078 МПа,

Индикаторный к.п.д. и индикаторный удельный расход топлива:

 

h_i = p_i×l_o×a/(H_ur_кh_v) =1,078×14,452×1,56/(42,44×1,204×0,9329) = 0,51

g_i = 3600/(H_uh_i) =3600/(42,44×0,51) = 166,33 г/(кВт×ч)

Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь для дизельного двигателя с числом цилиндров равным восьми и отношением S/D>1 подсчитывается по формуле [1]:

 

P_м = 0,089 + 0,0118u_п.ср. = 0,089 + 0,0118×10,25 = 0,21 МПа,

Для быстроходных дизелей принимаем u_п.ср. = 10,25 м/с;

Среднее эффективное давление и механический к.п.д:

 

p_e = p_i - p_м = 1,078 - 0,21 = 0,8681 МПа,

h_м = р_е/р_i = 0,8681/1,078 = 0,8053;

Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива:

 

h_е = h_i×h_м = 0,51×0,8053 = 0,4107

g_e = 3600/H_u×h_e= 3600/(42,44×0,4107) = 206,55 г/(кВт×ч)

Таблица 5.8

Параметры	Индикаторные и эффективные параметры двигателей
n, об/мин	800	1000	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
pi', МПа	1,2157	1,3168	1,3332	1,3299	1,3120	1,2663	1,2111	1,1582	1,1348	1,0877
рi, МПа	1,1549	1,2509	1,2665	1,2634	1,2464	1,2030	1,1506	1,1003	1,0781	1,0333
ηi	0,5178	0,5281	0,5355	0,5435	0,5447	0,5369	0,5249	0,5144	0,5100	0,5017
gi, г/(кВт/ч)	163,83	160,61	158,41	156,06	155,72	158,00	161,62	164,91	166,33	169,08
υп.ср, м/с	3,905	4,881	5,369	6,101	6,833	7,810	8,786	9,762	10,250	11,226
рм, МПа	0,1351	0,1466	0,1524	0,1610	0,1696	0,1812	0,1927	0,2042	0,2100	0,2215
ре, МПа	1,0198	1,1043	1,1142	1,1024	1,0767	1,0218	0,9579	0,8961	0,8681	0,8118
ηм	0,8830	0,8828	0,8797	0,8726	0,8639	0,8494	0,8325	0,8144	0,8053	0,7857
ηе	0,4572	0,4662	0,4711	0,4743	0,4706	0,4560	0,4370	0,4189	0,4107	0,3942
gе, г/(кВт/ч)	185,53	181,94	180,07	178,85	180,25	186,01	194,13	202,48	206,55	215,20

Основные параметры цилиндра и двигателя

Литраж двигателя:

 

V_л=30t N_e/(p_en)=30·4·220/(0,8681·2100)=10,65 л;

V_h=V_л/i=10,65/7=1,5215 л;

Диаметр и ход поршня, как правило, выполняют с отношением хода поршня к диаметру цилиндра S/D≥1. Принимаем S/D=1;

 мм,

S '=D '∙1=124,66∙1=124,66 мм;

Окончательно принимаем D=125 мм, S=125 мм, по принятым значениям определяем основные параметры и показателя двигателя:

 

V_л = pD²S∙i/(4×10⁶) = 3,14×125²×125×7/(4×10⁶) = 10,73 л,

F_п = pD²/4 = 3,14×125²/4 = 122,71 см²,

N_e = p_eV_л n/30t = 0,8681×10,73×2100/(30×4) = 163,13 кВт,

, что вполне приемлемо.

,

Литровая мощность двигателя:

 

N_л = N_e/V_л = 163,13/10,73 = 15,19 кВт/л

Таблица 5.9

Параметры	Основные параметры и показатели двигателей
n, об/мин	800	1000	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
D, мм	125
S, мм	125
Fп, см²	122,71
Vл, л	10,73
Nл, кВт/л	15,19
Nе, кВт	73,00	98,82	109,67	123,30	134,89	146,30	154,29	160,37	163,13	167,08
Ме, Н*м	871,43	943,64	952,05	941,97	920,06	873,16	818,53	765,70	741,82	693,70
Gт, кг/ч	13,545	19,748	22,053	24,313	27,213	29,952	32,472	33,696	35,956

По полученным значениям строим график внешней скоростной характеристики.

Рис. 5.4. Внешняя скоростная характеристика двигателя.

Рис. 5.5. Часовой и эффективный удельный расходы топлива.

Построение индикаторной диаграммы

Объем камеры сгорания:

 

V_с = V_h/e =1,534/18 = 0,0852 л;

Полный объем цилиндра:

 

V_a = V_c + V_h=0,0852 + 1,534 = 1,6192 л;

Построение линий сжатия и расширения:

 

P_x1 = P_a(V_a/V_x) ⁿ¹ при сжатии,

P_x2 = P_b(V_a/V_x)ⁿ² при расширении;

Положение поршня:

 

Х = S/2[(1 - cosφ) + (λ/4)∙(1 - cosφ)];

Объем:

 

V = Vc + (πD²/4)∙Х.

Рис. 5.6. Скругленная и нескругленная индикаторные диаграммы.

.2 Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенный в двигатель с топливом:

 

Q_о = H_uG_т/3,6 = 42440×33,696/3,6 = 397233,1Дж/с

Теплота эквивалентная эффективной работе за 1с:

 

Q_e = 1000×Ne = 1000×163,13 = 163134,5 Дж/с

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

 

Q_в = с×i×D^1+2mn^m(1/a)= 0,47×7×0,125^1+2×0,6126×2100^0,6126(1/1,56) = 63111,28 Дж/с

Где с = 0,45…0,53 - коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателях [1]. В расчете принято с = 0,47; i - число цилиндров; m = 0,6126- показатель степени для четырехтактных двигателей [1].

Теплота, унесенная с отработанными газами:

где = 23,75 кДж/(кмоль×град) - теплоемкость остаточных газов (определена по табл.8 [1] методом полярной интерполяции при a = 1,56 и t_г = Т_г - 273 = 840 - 273 = 567°С);

- определена для воздуха методом полярной интерполяции по табл.5 [1].

Неучтенные потери теплоты:

Составляющие теплового баланса сводим в таблицу:

Таблица 5.10

n, об/мин	800		1000		1100		1250		1400
	Q, КДж/с	q, %	Q, КДж/с	q, %	Q, КДж/с	q, %	Q,  Дж/с	q, %	Q,  Дж/с	q, %
Qо, qо	159,7	100	211,9	100	232,8	100	259,9	100	286,6	100
Qе, qе	73	45,7	98,8	46,6	109,7	47,1	123,3	47,4	134,9	47,1
Qг, qг	51,9	32,5	68,8	32,5	75,1	32,3	84,6	32,5	93,8	32,7
Qв, qв	33,5	21	43,3	20,4	46,9	20,2	51,3	19,7	54,9	19,1
Qост., qост.	1,16	0,73	0,96	0,45	1,04	0,45	0,83	0,32	2,99	1,04

n, об/мин	1600		1800		2000		2100		2300
	Q, Дж/с	q, %	Q, КДж/с	q, %	Q, КДж/с	q, %	Q, Дж/с	q, %	Q, Дж/с	q, %
Qо, qо	320,8	100	353	100	382,8	100	397,2	100	423,9	100
Qе, qе	154,3	43,7	160,4	41,9	163,2	41,1	167,1	39,4	154,3	43,7
Qг, qг	116	32,9	127,1	33,2	133,7	33,7	145,7	34,4	116	32,9
Qв, qв	61,2	17,3	62,8	16,4	63,1	15,9	62,9	14,8	61,2	17,3
Qост., qост.	21,5	6,1	32,6	8,5	37,2	9,4	48,1	11,3	21,5	6,09

Рис. 5.7. Тепловой баланс двигателя.

5. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Кинематический и динамический расчет проводится для номинального режима при n = 2100 мин^-1, так как на данном режиме сумма сил инерции от возвратно - поступательно движущихся масс и газовых сил наибольшая.

Исходные данные:

Диаметр поршня: D = 125 мм;

Ход поршня: S = 125 мм;

Радиус кривошипа: R = 62,5 мм;   

Частота вращения коленчатого вала: n = 2100 об/мин;

Порядок работы цилиндров: 1-3-5-7-2-4-6

Схема кривошипно-шатунного механизма звездообразного двигателя показана на рисунке:

Рис.6.1 Схема нормального Рис.6.2 Схема шатунного кривошипно- шатунного механизма. с прицепным сочлинением.

На рисунках приведены основные обозначения кривошипно-шатунного механизма: S_x - текущее перемещение поршня, ход поршня (точка А - ось поршневого пальца); α - угол поворота кривошипа (ОВ), отсчитываемый от оси цилиндра (АО) в направлении вращения коленчатого вала по часовой стрелке (точка О - ось коленчатого вала; точка В - ось шатунной шейки); β - угол отклонения оси шатуна (АВ) от оси цилиндра; ω - угловая скорость вращения коленчатого вала; R = ОВ - радиус кривошипа; S = 2R; L = АВ - длина шатуна; λ = R/L_ш - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

5.1 Кинематический расчет

Расчет кинематики кривошипно-шатунного механизма сводится к определению пути, скорости и ускорения поршня.

Перемещение поршня

Перемещение поршня (м), в зависимости от угла поворота кривошипа, для двигателя с кривошипно-шатунным механизмом с прицепным сочленением, определяем по формуле:

, м (6.1)

Отсюда получаем, что:

, м (6.2)

Пользуясь выражением, аналитическим путем определяем значения перемещения поршня от в.м.т. до н.м.т., для ряда промежуточных значений α (в зависимости от необходимой точности через каждые 10°), результаты сведены в таблицу 2.1 и строим кривую S=f (α).

Скорость поршня

При перемещении поршня скорость (м/с) его движения является величиной переменной и при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит только от изменения угла поворота кривошипа и отношения λ=R/L_ш=0,197.

Продифференцировав выражение (6.2) по времени, получим приближенное выражение скорости поршня:

, м/с

где ω - угловая скорость вращения коленчатого вала,

,

Результаты сведены в таблицу 6.1.

Ускорение поршня

Ускорение (м/с²) поршня

, м/с²

Пользуясь уравнением, аналитическим путем определяют значения ускорения поршня для ряда значений угла α в интервале α = 0 - 360° результаты сводим в таблицу 6.1 и строим кривую j =f(α)

Таблица 6.1.

α0	S, м	V, м/с	J, м/с2
0	0	0	3617,19
10	0,0011	2,42	3535,41
20	0,0045	4,76	3295,79
30	0,0099	6,96	2914,93
40	0,0172	8,93	2418,68
50	0,0259	10,63	1839,61
60	0,0359	11,99	1213,97
70	0,0466	12,98	578,27
80	0,0576	13,57	-33,90
90	0,0686	13,74	-594,63
100	0,0793	13,50	-1083,63
110	0,0893	12,85	-1489,29
120	0,0984	11,82	-1808,60
130	0,1063	10,43	-2046,12
140	0,1129	8,74	-2212,16
150	0,1182	6,79	-2320,31
160	0,1219	4,64	-2384,77
170	0,1242	2,35	-2417,88
180	0,1250	0	-2427,94
190	0,1242	-2,35	-2417,88
200	0,1219	-4,64	-2384,77
210	0,1182	-6,79	-2320,31
220	0,1129	-8,74	-2212,16
230	0,1063	-10,43	-2046,12
240	0,0984	-11,82	-1808,60
250	0,0893	-12,85	-1489,29
260	0,0793	-13,50	-1083,63
270	0,0686	-13,74	-594,63
280	0,0576	-13,57	-33,90
290	0,0466	-12,98
300	0,0359	-11,99	1213,97
310	0,0259	-10,63	1839,61
320	0,0172	-8,93	2418,68
330	0,0099	-6,96	2914,93
340	0,0045	-4,76	3295,79
350	0,0011	-2,42	3535,41
360	0	0	3617,19

Рис. 6.3. Зависимость хода поршня, скорости и ускорения от угла поворота коленчатого вала.

.2 Динамика кривошипно-шатунного механизма

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции. По этим силам рассчитывают основные детали на прочность и износ, а также определяют неравномерность крутящего момента и степень неравномерности хода двигателя. Во время работы двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма действуют силы давления газов в цилиндре, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, центробежные силы, давление на поршень со стороны картера (приблизительно равное атмосферному давлению) и силы тяжести (не учитывают).

Силы давления газов

Силы давления газов, действующие на площадь поршня, для упрощения динамического расчета заменяют одной силой, направленной по оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца. Ее определяют для каждого момента времени (угла α) по действительной индикаторной диаграмме, снятой с двигателя, или по индикаторной диаграмме, построенной на основании теплового расчета (обычно для номинальной мощности и соответствующей ей частоты вращения коленчатого вала).

Сила давления (МН) газов на поршень:

,

где P - давление газов в цилиндре, МПа [из теплового расчета];

Р₀ - атмосферное давление, P₀ = 0,1013 МПа.

Результаты сведены в таблицу 6.2.

Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

По характеру движения массы деталей кривошипно-шатунного механизма можно разделить на движущиеся возвратно-поступательно (поршневая группа и верхняя головка шатуна); совершающие вращательное движение (коленчатый вал и нижняя головка шатуна) и совершающие сложное плоскопараллельное движение (стержень шатуна). Для упрощения динамического расчета действительный кривошипно-шатунный механизм заменяется динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс.

Рис. 6.4. К разноске масс шатунного механизма звездообразного двигателя.

Зададим расстояния c и d (см. рис. 6.4), также расстояние от центра тяжести шатуна до оси кривошипной головки - a:

 

c=d=0,13, м; a = 0,0436, м

Для дизельных звездообразных двигателей конструктивная масса шатуна:

 

m’_ш=m_ш/F_п=250…400 кг/м², примем m’_ш=350 кг/м².

Конструктивная масса поршня:

 

m’_п=m_п/F_п=150…300 кг/м², примем m’_п=310 кг/м².

В массу поршневого комплекта входит масса поршня, поршневых колец, поршневого пальца.

Масса главного шатуна и поршня (вместе с массой колец и пальца):

 = 350∙0,01227 = 4,295 кг

= 310∙0,01227 = 3,804 кг

Дополнительно задаем массу, радиус проушины и длину для прицепного шатуна:

, кг

, принимаем , м

, м

где β₁ = 13º18’

Конструктивная масса коленчатого вала:

 

m’_к.в.=m_к.в./F_п=200…400 кг/м², примем m’_к.в.=300

Масса неуравновешенных частей одного колена:

 

m_к= m’_к∙ F_п=300∙0,01227=3,682 кг

Масса шатуна, сосредоточенного на оси поршневого пальца:

 

m_шп=0,275 m_ш= 0,275∙4,295=1,181 кг.

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

 

m_шк=0,725∙ m_ш = 0,725∙3,804=3,11 кг.

Массы, совершающие возвратно-поступательные движения:

 

m_J=m_П+ m_ШП =3,804+1,181=4,985 кг

Массы, совершающие вращательное движение:

 

m_R=m_K+2m_ШК=3,682+2∙3,11=9,902 кг

В случае системы шатунов прицепного сочленения (рис. 6.4), сперва масса прицепного шатуна заменяется двумя массами: одна из них считается сосредоточенной на оси пальца поршня:

, кг

а другая - на оси пальца прицепного шатуна, укрепленного в головке главного шатуна:

, кг

Средний радиус проушин пальцев прицепных шатунов определяется по формуле:

, м

В качестве упрощения расчета разрешается принимать r_ср=r, получаем, что r = 0,056 м.

Для шатунного механизма звездообразного двигателя масса шатуна, отнесенная к поступательно-движущимся частям, может быть определена по формуле:

, кг

Исходя из полученных данных можем определить массу шатуна, отнесенную к вращательно-движущимся частям:

, кг

Силы инерции

Силы инерции, действующие в кривошипно-шатунном механизме (рис. 6.5.), в соответствии с характером движения приведенных масс подразделяют на силы инерции поступательно движущихся масс Р_j и центробежные силы инерции вращающихся масс C.

Рис. 6.5. Схема действия инерционных сил в кривошипно-шатунном механизме.

Сила инерции от возвратно-поступательно движущихся масс:

, H

где

, кг

Масса поступательно-движущихся частей в цилиндре с прицепным шатуном равна:

, кг

Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме:

 

, Н

Результаты сведены в таблицу 6.2.

Для звездообразных двигателей, у которых к главному шатуну присоединяются несколько прицепных шатунов центробежная сила инерции вращающихся масс находится по формуле [2]:

 

C= -M_вр.ш.·Rω² =10,3·0,0625∙219,9=-31,245, кН

Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Рис. 6.6. Разложение сил по элементам кривошипно-шатунного механизма.

Суммарные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме (рис. 6.6), определяют алгебраическим сложением сил давления газов и сил возвратно-поступательно движущихся масс:

, кН

Суммарная сила Р_с, как и силы Рг и Рj, направлена по оси цилиндра и приложена к оси поршневого пальца. Воздействие от силы Р_с передается на стенки цилиндра перпендикулярно его оси и на шатун по направлению его оси. Результаты сведены в таблицу 6.2.

В цилиндре с прицепным шатуном суммарная сила определяется по аналогичной формуле:

, кН

В случае кривошипно-шатунного механизма с центральным сочленением полученная суммарная сила P_c разлагается на две силы N и K’.

Сила N, действующая перпендикулярно оси цилиндра, называется нормальной силой и воспринимается стенками цилиндра:

, кH

Нормальная сила N считается положительной, если создаваемый ею момент относительно оси коленчатого вала направлен противоположно направлению вращения вала двигателя.

Сила K’, действующая вдоль шатуна, воздействует на него и далее передается кривошипу. Она считается положительной, если сжимает шатун, и отрицательной, если его растягивает:

, кН

Величина угла β зависит от угла поворота коленчатого вала α и величины λ.

От действия силы K’ на шатунную шейку возникают две составляющие силы:

сила, направленная по радиусу кривошипа:

 , кH

и тангенциальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа:

, кH

Сила Z считается положительной, если она сжимает щеки колена.

Сила Т принимается положительной, если направление создаваемого ею момента совпадает с направлением вращения коленчатого вала. Правила знаков для сил N, K’, T и Z показано на (рис. 6.6).

Перенеся силы Z и T к оси вращения коленчатого вала, мы получим пару сил с моментом:

 

М= Т^.R, кН^.м

и силу K’, загружающую коренные опоры коленчатого вала.

Для построения кривой суммарного крутящего момента M двигателя графически суммируют кривые моментов каждого цилиндра, сдвигая одну кривую относительно другой на угол поворота кривошипа между вспышками. Так как величина и характер изменения крутящего момента по углу поворота коленчатого вала всех цилиндров двигателя одинаковы и отличаются лишь угловыми интервалами, равными угловым интервалам между вспышками в отдельных цилиндрах, то для подсчета суммарного крутящего момента двигателя достаточно иметь кривую крутящего момента одного цилиндра.

Результаты расчета крутящего момента сведены в таблицу 6.2.

Таблица 6.2

α0	Pг, кН	Pj, кН	PC, кН	N, кН	K’, кН	Z, кН	T, кН	МКР, кН∙м
0	1,252	-18,033	-18,009	0	-18,009	-18,009	0	1,250
10	1,163	-17,626	-17,689	-0,605	-17,700	-17,316	-3,667	1,156
20	1,130	-16,431	-16,528	-1,115	-16,565	-15,150	-6,700	0,935
30	1,135	-14,532	-14,625	-1,446	-14,696	-11,943	-8,564	0,388
40	1,135	-12,058	-12,151	-1,549	-12,249	-8,312	-8,997	0,219
50	1,135	-9,171	-9,264	-1,412	-9,371	-4,873	-8,004	1,576
60	1,135	-6,052	-6,145	-1,062	-6,236	-2,152	-5,853	2,344
70	1,135	-2,883	-2,975	-0,560	-3,028	-0,492	-2,987	2,809
80	1,135	0,169	0,076	0,015	0,078	-0,002	0,078	2,938
90	1,135	2,964	2,872	0,576	2,929	-0,576	2,872	2,809
100	1,135	5,402	5,310	1,049	5,412	-1,955	5,047	1,438
110	1,135	7,425	7,332	1,379	7,461	-3,804	6,418	1,156
120	1,135	9,017	8,924	1,543	9,056	-5,798	6,957	0,935
130	1,135	10,201	10,108	1,541	10,225	-7,678	6,753	0,388
140	1,135	11,029	10,936	1,394	11,025	-9,274	5,962	0,219
150	1,135	11,568	11,475	1,134	11,531	-10,505	4,755	1,576
160	1,135	11,889	11,797	0,796	11,823	-11,357	3,287	2,344
170	1,135	12,054	11,962	0,409	11,969	-11,851	1,674	2,809
180	1,135	12,104	12,012	0	12,012	-12,012	0	2,938
190	1,143	12,054	11,970	-0,409	11,977	-11,859	-1,676	2,809
200	1,169	11,889	11,831	-0,798	11,858	-11,390	-3,297	1,438
210	1,214	11,568	11,555	-1,142	11,611	-10,578	-4,788	1,156
220	1,283	11,029	11,084	-1,413	-9,399	-6,042	0,935
230	1,381	10,201	10,354	-1,578	10,474	-7,865	-6,917	0,388
240	1,517	9,017	9,306	-1,609	9,445	-6,047	-7,255	0,219
250	1,706	7,425	7,904	-1,487	8,042	-4,100	-6,919	1,576
260	1,971	5,402	6,146	-1,214	6,265	-2,263	-5,842	2,344
270	2,348	2,964	4,085	-0,820	4,167	-0,820	-4,085	2,809
280	2,898	0,169	1,840	-0,363	1,876	-0,038	-1,875	2,938
290	3,729	-2,883	-0,381	0,072	-0,388	-0,063	0,383	2,809
300	5,037	-6,052	-2,242	0,388	-2,275	-0,785	2,136	1,438
310	7,204	-9,171	-3,194	0,487	-3,231	-1,680	2,760	1,250
320	11,000	-12,058	-2,286	0,291	-2,304	-1,564	1,692	1,156
330	17,055	-14,532	1,296	-0,128	1,302	1,058	-0,759	0,935
340	29,978	-16,431	12,320	-0,831	12,348	11,293	-4,995	0,388
350	42,902	-17,626	24,049	-0,822	24,063	23,541	-4,986	0,219
360	71,304	-18,033	52,044	0	52,044	52,044	0	1,576

Таблица 6.2 (продолжение)

α0	Pг, кН	Pj, кН	PC, кН	N, кН	K’, кН	Z, кН	T, кН	МКР, кН∙м
360	71,304	-18,033	52,044	0	52,044	52,044	0	1,576
370	98,971	-17,626	80,118	2,739	80,165	78,425	16,609	2,344
380	96,565	-16,431	78,907	5,321	79,086	72,328	31,988	2,809
390	59,160	-14,532	43,400	4,290	43,612	35,441	25,415	2,938
400	37,805	-12,058	24,519	3,126	24,718	16,774	18,155	2,809
410	25,706	-9,171	15,308	2,334	15,485	8,052	13,226	1,438
420	18,553	-6,052	11,273	1,949	11,441	3,949	10,738	1,156
430	14,105	-2,883	9,995	1,880	10,170	1,652	10,035	0,935
440	11,211	0,169	10,152	2,005	10,348	-0,212	10,346	0,388
450	9,253	2,964	10,991	2,205	11,210	-2,205	10,991	0,219
460	7,889	5,402	12,065	2,383	12,298	-4,441	11,468	1,576
470	6,917	7,425	13,115	2,467	13,345	-6,804	11,480	2,344
480	6,214	9,017	14,004	2,421	14,211	-9,099	10,917	2,809
490	5,685	10,201	14,658	2,235	14,828	-11,134	9,793	2,938
500	5,155	11,029	14,957	1,907	15,078	-12,683	8,153	2,809
510	4,626	11,568	14,966	1,479	15,039	-13,701	6,202	1,438
520	4,096	11,889	14,758	0,995	14,792	-14,209	4,112	1,156
530	3,567	12,054	14,394	0,492	14,402	-14,261	2,015	0,935
540	3,037	12,104	13,914	0	13,914	-13,914	0	0,388
550	2,604	12,054	13,431	-0,459	13,439	-13,307	-1,880	0,219
560	2,171	11,889	12,833	-0,865	12,863	-12,355	-3,576	1,576
570	1,739	11,568	12,079	-1,194	12,138	-11,058	-5,006	2,344
580	1,306	11,029	11,107	-1,416	11,197	-9,419	-6,055	2,809
590	1,306	10,201	10,279	10,398	-7,808	-6,867	2,938
600	1,306	9,017	9,095	-1,573	9,230	-5,909	-7,090	2,809
610	1,306	7,425	7,503	-1,411	7,635	-3,893	-6,568	1,438
620	1,306	5,402	5,481	-1,082	5,587	-2,018	-5,210	1,156
630	1,306	2,964	3,043	-0,611	3,104	-0,611	-3,043	0,935
640	1,306	0,169	0,247	-0,049	0,252	-0,005	-0,252	0,388
650	1,306	-2,883	-2,804	0,528	-2,854	-0,463	2,816	0,219
660	1,306	-6,052	-5,974	1,033	-6,062	-2,092	5,690	1,576
670	1,306	-9,171	-9,093	1,386	-9,198	-4,783	7,857	2,344
680	1,306	-12,058	-11,980	1,527	-12,077	-8,195	8,870	2,809
690	1,306	-14,532	-14,454	1,429	-14,524	-11,803	8,464	2,938
700	1,281	-16,431	-16,377	1,104	-16,414	-15,012	6,639	2,809
710	1,265	-17,626	-17,588	0,601	-17,598	-17,216	3,646	1,438
720	1,252	-18,033	-18,009	0	-18,009	-18,009	0	1,250

Рис. 6.7. Построение сил P, N, K’, Z и T по углу поворота кривошипа.

Силы, действующие на шатунную и коренную шейки коленчатого вала

Т.к. на одну и ту же шейку кривошипа работают несколько цилиндров, то суммарные силы T_с=ΣT, Z_с=ΣZ находятся алгебраическим суммированием сил Т и Z от отдельных цилиндров. При центральных шатунах и одинаковых поступательно-движущихся массах силы Т и Z от разных цилиндров одинаковы, но имеют относительное смещение в соответствии с порядком работы цилиндров.

В случае кривошипно-шатунного механизма с прицепным шатуном или большой разницы в величине поступательно-движущихся масс различных цилиндров выполняется суммирование сил Т и Z, определенных для каждого цилиндра в отдельности.

Однако для упрощения часто при ориентировочных расчетах пренебрегают особенностями кинематики прицепных шатунов [2], считают все шатуны центральными, пренебрегая одновременно различием в величине поступательно-движущихся масс.

В случае, если угол между вспышками не кратен интервалу подсчета, как, например, для разрабатываемого двигателя:

суммирование сил T и Z, в предположении равенства сил цилиндров с прицепными шатунами и цилиндра с главным шатуном, удобнее вести графически [2].

Рис. 6.9. Схема и порядок работы цилиндров 7-цилиндрового звездообразного двигателя.

Кривая сил Т (или Z) для одного цилиндра разбивается на семь равных частей. Совмещаются эти части кривой на одном отрезке, после чего производится графическое суммирование. Определение того, какой участок кривой, какому цилиндру соответствует, проводится согласно порядку чередования вспышек.

Для 7-цилиндрового, звездообразного двигателя (см. рис. 6.8) чередование вспышек следующее:

→3→5→7→2→4→6

При учете особенностей кинематики прицепных шатунов определение Т_C и Z_C выполняется суммирование кривых сил Т_l и Z_l для каждого цилиндра в отдельности.

Полная нагрузка на шатунную шейку колена вала с учетом центробежной силы вращательно-движущихся масс шатунного механизма определяется по формуле:

, кН

Суммирование сил Z_C и C производится алгебраически, с учетом их знаков.

Значения сил Т_C, Z_C и K_ш.ш приведены в таблице 6.4, значения сил Т_C, Z_C и K_к.ш приведены в таблице 6.5. По значениям сил Т_C и Z_C строят полярную диаграмму нагрузки на шатунную шейку.

По полярной диаграмме строят диаграмму износа шатунной шейки.

Таблица 6.4

Рис. 6.12. Диаграмма износа шатунной шейки.

Таблица 6.5

α0	TС, кН	KС, кН	Kкш1, кН		TС, кН	KС, кН	Kкш2, кН
0	10	22,8	24,9		10	22,8	24,9
10	9,3	23,7	25,4		9,3	23,7	25,4
20	7,5	27,6	28,6		7,5	27,6	28,6
30	3,1	35,5	35,7		3,1	35,5	35,7
40	1,8	45,1	45,1		1,8	45,1	45,1
50	12,6	61,6	62,9		12,6	61,6	62,9
60	18,8	72,7	75,1		18,8	72,7	75,1
70	22,5	61,8	65,8		22,5	61,8	65,8
80	23,5	43	49		23,5	43	49
90	22,5	28,6	36,4		22,5	28,6	36,4
100	11,5	22,7	25,4		11,5	22,7	25,4
110	9,3	23,7	25,4		9,3	23,7	25,4
120	7,5	27,6	28,6		7,5	27,6	28,6
130	3,1	35,5	35,7		3,1	35,5	35,7
140	1,8	45,1	45,1		1,8	45,1	45,1
150	12,6	61,6	62,9		12,6	61,6	62,9
160	18,8	72,7	75,1		18,8	72,7	75,1
170	22,5	61,8	65,8		22,5	61,8	65,8
180	23,5	43	49		23,5	43	49
190	22,5	28,6	36,4		22,5	28,6	36,4
200	11,5	22,7	25,4		11,5	22,7	25,4
210	9,3	23,7	25,4		9,3	23,7	25,4
220	7,5	27,6	28,6		7,5	27,6	28,6
230	3,1	35,5	35,7		3,1	35,5	35,7
240	1,8	45,1	45,1		1,8	45,1	45,1
250	12,6	61,6	62,9		12,6	61,6	62,9
260	18,8	72,7	75,1		18,8	72,7	75,1
270	22,5	61,8	65,8	61,8	65,8
280	23,5	43	49		23,5	43	49
290	22,5	28,6	36,4		22,5	28,6	36,4
300	11,5	22,7	25,4		11,5	22,7	25,4
310	10	22,8	24,9		10	22,8	24,9
320	9,3	23,7	25,4		9,3	23,7	25,4
330	7,5	27,6	28,6		7,5	27,6	28,6
340	3,1	35,5	35,7		3,1	35,5	35,7
350	1,8	45,1	45,1		1,8	45,1	45,1
360	12,6	61,6	62,9		12,6	61,6	62,9

α0	TС, кН	KС, кН	Kкш1, кН		TС, кН	KС, кН	Kкш2, кН
360	12,6	61,6	62,9		12,6	61,6	62,9
370	18,8	72,7	75,1		18,8	72,7	75,1
380	22,5	61,8	65,8		22,5	61,8	65,8
390	23,5	43,0	49,0		23,5	43,0	49,0
400	22,5	28,6	36,4		22,5	28,6	36,4
410	11,5	22,7	25,4		11,5	22,7	25,4
420	9,3	23,7	25,4		9,3	23,7	25,4
430	7,5	27,6	28,6		7,5	27,6	28,6
440	3,1	35,5	35,7		3,1	35,5	35,7
450	1,8	45,1	45,1		1,8	45,1	45,1
460	12,6	61,6	62,9		12,6	61,6	62,9
470	18,8	72,7	75,1		18,8	72,7	75,1
480	22,5	61,8	65,8		22,5	61,8	65,8
490	23,5	43,0	49,0		23,5	43,0	49,0
500	22,5	28,6	36,4		22,5	28,6	36,4
510	11,5	22,7	25,4		11,5	22,7	25,4
520	9,3	23,7	25,4		9,3	23,7	25,4
530	7,5	27,6	28,6		7,5	27,6	28,6
540	3,1	35,5	35,7		3,1	35,5	35,7
550	1,8	45,1	45,1		1,8	45,1	45,1
560	12,6	61,6	62,9		12,6	61,6	62,9
570	18,8	72,7	75,1		18,8	72,7	75,1
580	22,5	61,8	65,8		22,5	61,8	65,8
590	23,5	43	49		23,5	43	49
600	22,5	28,6	36,4		22,5	28,6	36,4
610	11,5	22,7	25,4		11,5	22,7	25,4
620	9,3	23,7	25,4		9,3	23,7	25,4
630	7,5	27,6	28,6		7,5	27,6	28,6
640	3,1	35,5	35,7		3,1	35,5	35,7
650	1,8	45,1	45,1		1,8	45,1	45,1
660	12,6	61,6	62,9		12,6	61,6	62,9
670	18,8	72,7	75,1		18,8	72,7	75,1
680	22,5	61,8	65,8		22,5	61,8	65,8
690	23,5	43	49		23,5	43	49
700	22,5	28,6	36,4		22,5	28,6	36,4
710	11,5	22,7	25,4		11,5	22,7	25,4
720	10	22,8	24,9		10	22,8	24,9

Рис. 6.15. Диаграмма износа 1-ой коренной шейки.

5.3 Расчет уравновешенности двигателя

Уравновешенным двигателем называется двигатель, оказывающий постоянную по величине и направленную нагрузку на узлы его крепления. Полного уравновешивания двигателя достичь невозможно, так как суммарный крутящий момент двигателя и реактивный момент всегда переменны. Сила тяги вентилятора, силы реакции выхлопных газов и движущихся жидкостей, изменяются мало и на уравновешенность двигателя практически не влияют.

Наиболее значимыми в плане уравновешивания являются:

Р_j1 - сила инерции первого порядка возвратно-поступательно движущихся масс;

Р_j2 - сила инерции второго порядка возвратно-поступательно движущихся масс;

K_R - центробежная сила инерции вращающихся масс;

М_j1 - момент от сил инерции первого порядка;

М_j2 - момент от сил инерции второго порядка;

М_С - момент от центробежных сил инерции вращающихся масс.

 

Рис. 6.16. Схема сил инерции, действующих в однорядном звездообразном двигателе

Центробежные силы инерции вращающихся масс колена вала и шатунного механизма уравновешиваются противовесами, расположенными на продолжении щек. Величина этих противовесов может быть определена по формуле:

,

где m_к - масса кривошипа, m_вр.ш. - масса вращательно-движущейся части шатуна;

Перейдем к исследованию уравновешивания сил инерции первого порядка поступательно-движущихся масс. По оси главного цилиндра действует сила инерции первого порядка:

которую условно можно заменить двумя эквивалентными вращающимися векторами и , величиной

По оси n-го цилиндра с прицепным шатуном действует сила:

,

которую можно заменить двумя эквивалентными вращающимися векторами  и

Прямой вектор  располагается относительно оси n-го цилиндра под углом (α-γ_n), а обратный  - под углом (α-γ_n)=(γ_n-α). Так как кривошип относительно оси n-го цилиндра находится под углом (α-γ_n), то направление прямого вектора A_n совпадает с направлением кривошипа.

Рис. 6.17. Определение суммарных неуравновешанных сил инерции первого порядка звездообразного двигателя.

Если провести замену сил инерции первого порядка всех цилиндров вращающимися векторами (рис. 2.12), то окажется, что все прямые векторы наложатся на кривошип и их сумма будет:

Величина результирующего вектора:

Вектор  направлен по кривошипу, вращается вместе с ним с угловой скоростью коленчатого вала и может быть уравновешен увеличением массы противовесов, располагаемых на продолжении щек колена.

В случае симметричного колена можно определить массу противовесов по формуле [2]:

Обратные векторы ,,… образуют звездочку, но не симметричную, вследствие того, что (так как m_п>m_пl). Геометрическая сумма обратных векторов

,

где - вектор, совпадающий по направлению с вектором , а по величине равный

, кг

Вектор  вращается в сторону, противоположную направлению вращения коленчатого вала, и остается неуравновешенным. Величина силы не превышает 150 кг.

По оси цилиндра с главным шатуном действует сила инерции второго порядка:

По оси n-го цилиндра с прицепным шатуном действует сила инерции второго порядка:

Силы инерции , действующие по оси каждого из цилиндров, можно заменить эквивалентными вращающимися прямыми F_n и обратными F_n векторами величиной

и располагаемыми к осям соответствующих цилиндров под углами 2α и -2α (рис. 6.16а)

Рис. 6.18. Представление сил инерции второго порядка  вращающимися прямыми и обратными векторами.

Как видно из рис. 6.16б:

Следовательно, первые члены сил инерции второго порядка в звездообразном двигателе взаимо-уравновешиваются.

Силу инерции  n-го цилиндра можно заменить эквивалентными вращающимися прямыми  и обратным  векторами величиной:

Рис. 6.19. Представление сил инерции второго порядка  вращающимися прямыми и обратными векторами.

Прямой вектор , располагается к оси n-го цилиндра под углом , а обратный  - под углом  (рис. 6.17).

Если выполнить такую замену для всех i цилиндров, то окажется, что для двигателей с i > 3:

Таким образом, при i > 3 вторые члены сил инерции второго порядка у звездообразного двигателя взаимно-уравновешены.

Результаты расчетов сведены в таблицу 6.6.

Таблица 6.6                            Таблица 6.6 (продолжение)

α0	PJ1,кН	PJ2,кН	Kкш, кН		α0	PJ1,кН	PJ2,кН	Kкш, кН
0	14,744	2,901	26,101		360	14,744	2,901	64,059
10	14,520	2,726	26,576		370	14,520	2,726	76,261
20	13,855	2,222	29,778		380	13,855	2,222	66,918
30	12,769	1,450	36,818		390	12,769	1,450	50,139
40	11,295	0,504	46,292		400	11,295	0,504	37,511
50	9,477	-0,504	64,059		410	9,477	-0,504	26,605
60	7,372	-1,450	76,261		420	7,372	-1,450	25,895
70	5,043	-2,222	66,918		430	5,043	-2,222	29,778
80	2,560	-2,726	50,139		440	2,560	-2,726	36,818
90	0,000	-2,901	37,511		450	0,000	-2,901	46,292
100	-2,560	-2,726	26,605		460	-2,560	-2,726	64,059
110	-5,043	-2,222	26,576		470	-5,043	-2,222	76,261
120	-7,372	-1,450	29,778		480	-7,372	-1,450	66,918
130	-9,477	-0,504	36,818		490	-9,477	-0,504	50,139
140	-11,295	0,504	46,292		500	-11,295	0,504	37,511
150	-12,769	1,450	64,059		510	-12,769	1,450	26,605
160	-13,855	2,222	76,261		520	-13,855	2,222	26,576
170	-14,520	2,726	66,918		530	-14,520	2,726	29,778
180	-14,744	2,901	50,139		540	-14,744	2,901	36,818
190	-14,520	2,726	37,511		550	-14,520	2,726	46,292
200	-13,855	2,222	26,605		560	-13,855	2,222	64,059
210	-12,769	1,450	26,576		570	-12,769	1,450	76,261
220	-11,295	0,504	29,778		580	-11,295	0,504	66,918
230	-9,477	-0,504	36,818		590	-9,477	-0,504	50,139
240	-7,372	-1,450	46,292		600	-7,372	-1,450	37,511
250	-5,043	-2,222	64,059		610	-5,043	-2,222	26,605
260	-2,560	-2,726	76,261		620	-2,560	-2,726	26,576
270	0,000	-2,901	66,918		630	0,000	-2,901	29,778
280	2,560	-2,726	50,139		640	2,560	-2,726	36,818
290	5,043	-2,222	37,511		650	5,043	-2,222	46,292
300	7,372	-1,450	26,605		660	7,372	-1,450	64,059
310	9,477	-0,504	26,101		670	9,477	-0,504	76,261
320	11,295	0,504	26,576		680	11,295	0,504	66,918
330	12,769	1,450	29,778		690	12,769	1,450	50,139
340	13,855	2,222	36,818		700	13,855	2,222	37,511
350	14,520	2,726	46,292		710	14,520	2,726	26,605
360	14,744	2,901	64,059		720	14,744	2,901	26,101

Рис. 6.20. Диаграмма износа 1-ой шатунной шейки с учетом противовесов.

6. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ

Расчёт поршня

На основании данных теплового расчёта, скоростной характеристики и динамического расчёта принимаем:

Рис 7.1. Схема поршня

Диаметр цилиндра D = 125 мм;

Ход поршня S = 125 мм;

Максимальное давление сгорания p_z = 8,99 МПа при n = 1600;

Площадь поршня F_п = 122,72 см²;

Масса поршневой группы m_п = 3,804 кг;

Наибольшая нормальная сила N = 0,005321 МН при φ = 380°;

Частота вращения n_N = 2100 ;

λ = 0,197.

Принимаем [1]:

Высота поршня Н = 125 мм;

Высота юбки поршня h_ю = 75 мм;

Радиальная высота первого компрессионного кольца t = 5 мм;

Радиальный зазор кольца в головке поршня ∆t = 0,7 мм;

Толщина стенки головки поршня s = 8,75 мм;

Толщина верхней кольцевой перемычки h_п = 4 мм;

Число и диаметр масляных каналов в поршне n’_м = 8 и d_м = 1,5 мм.

Материал поршня - алюминиевый сплав:

α_п = 22∙10^-6 ;

Материал гильзы цилиндра - серый чугун:

α_ц = 11∙10^-6 .

а) Напряжение сжатия в сечении х - х:

площадь сечения х - х:

где d_к = D-2∙(t+∆t) = 125-2∙(5+0,7) = 113,6 мм - диаметр поршня по дну канавок;

d_i = D-2∙(s+t+∆t) = 125-2∙(8,75+5+0,7) = 96,1 мм - внутренний диаметр

поршня, принимаем равным 96 мм;

.

максимальная сжимающая сила:

 

p_zmax = p_z∙F_п = 8,99∙122,72∙10^-4 = 0,1103 МН

напряжение сжатия:

Полученное значение напряжения лежит в требуемых пределах [1]  для алюминиевых поршней.

б) Напряжение разрыва в сечении х - х:

максимальная угловая скорость холостого хода:

масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения х - х:

m_x-x = 0,55∙m_п = 0,55∙3,704 = 2,037 кг

максимальная разрывающая сила:

p_j = m_x-x∙R∙ω²_x.x.max∙(1+λ) = 2,037∙0,0625∙303,48²∙(1+0,197)∙10^-6 = 1,175 МН

напряжение разрыва:

Полученное значение напряжения лежит в требуемых пределах [1]  для алюминиевых поршней.

в) Напряжение в верхней кольцевой перемычке:

среза:

изгиба:

сложное:

Полученное значение напряжения лежит в требуемых пределах [1]  для алюминиевых поршней.

г) Удельные давления поршня на стенку цилиндра:

Полученное значение напряжения лежит в требуемых пределах [1] .

Полученное значение напряжения лежит в требуемых пределах [1] .

д) Гарантированная подвижность поршня в цилиндре:

диаметры головки и юбки поршня:

 

D_г = D - ∆_г = 125-0,75 = 124,25 мм,

где ∆_г = (0,006÷0,008)D = 0,006∙125 = 0,75 мм - монтажный зазор между стенкой цилиндра и головкой.

D_ю = D - ∆_ю = 125-0,163 = 124,84 мм,

где ∆_ю = (0,001÷0,002)D = 0,0013∙125 = 0,0013 мм - монтажный зазор между стенкой цилиндра и юбкой.

диаметральные зазоры в горячем состоянии:

здесь Т_ц = 383÷388 = 385 К - температура стенок цилиндра;

Т_г = 473÷723 = 598 К - температура головки поршня;

Т_ю = 403÷473 = 438 К - температура юбки поршня;

Т_о = 293 К - начальная температура цилиндра и поршня.

Расчёт поршневого пальца

Основные данные для расчёта приведены в расчёте поршня. Кроме того, принимаем [1]:

Наружный диаметр пальца d_п = 40 мм;

Внутренний диаметр пальца d_в = 20 мм;

Длина пальца l_п = 107,5 мм;

Длина втулки шатуна l_ш = 40 мм;

Расстояние между торцами бобышек b = 50 мм.

Материал поршневого пальца - сталь 12ХН3А: Е = 2,2∙10⁵ МПа.

Палец плавающего типа.

Рис. 7.2. Расчетная схема поршневого пальца:

а - распределение нагрузки; б эпюры напряжений

а) Расчётная сила, действующая на поршневой палец:

газовая:

 

p_zmax = p_zmax∙F_п = 8,99∙122,72∙10^-4 = 0,099 МН

инерционная:

 

p_j = -m_п∙ω²∙R∙(1+λ) = -3,804∙219,9²∙0,0625∙(1+0,197) = -0,00137 МН,

где ω = .

расчётная:

 

p = p_zmax+k∙p_j = 0,099+0,8∙(-0,00137) = 0,1 МН,

где k = 0,68÷0,81 = 0,8 - коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца.

Удельное давление пальца на бобышки:

Полученное значение удельного давления лежит в требуемых пределах [1] .

Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна:

Полученное значение удельного давления лежит в требуемых пределах [1] .

Напряжение изгиба в среднем сечении пальца:

,

где

Полученное значение лежит в требуемых пределах:

Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна:

полученное значение лежит в требуемых пределах:

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации:

б) Напряжение овализации на внешней поверхности пальца:

в горизонтальной плоскости:

в вертикальной плоскости:

в) Напряжение овализации на внутренней поверхности пальца:

в горизонтальной плоскости:

в вертикальной плоскости:

Наибольшее напряжение овализации возникает на внутреней поверхности пальца в вертикальной плоскости: . Это напряжение находится в допускаемых пределах

Расчёт поршневого кольца

Необходимые данные для расчёта приведены в расчёте поршня.

Материал кольца - серый чугун: Е = 1∙10⁵ МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра:

,

где А_о = 3∙t = 3∙3,44 = 10,32 мм - разность между величинами зазоров кольца в свободном и рабочем состояниях. Полученное значение находится в требуемых пределах для компрессионных колец:

Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности при каплевидной форме эпюры давления: р = р_ср∙μ_к

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии:

Таблица 7.1.

ψ	0	30	60	90	120	150	180	150	120	90	60	30
µк	1,05	1,04	1,02	1,00	1,02	1,27	1,50	1,27	1,02	1,00	1,02	1,04
p, МПа	0,163	0,16	0,158	0,155	0,158	0,19	0,23	0,19	0,158	0,155	0,158	0,16

Рис. 7.3. Каплевидная эпюра

Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:

,

где m = 1,57 - коэффициент, зависящий от способа надевания кольца.

монтажный зазор в замке поршневого кольца:

здесь  = 0,08 мм - минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя; Т_к = 473÷573 = 523 К - температура кольца.

.2. Шатунная группа

При работе двигателя шатун подвергается воздействию знакопеременных газовых и инерционных сил, а в отдельных случаях эти силы создают ударные нагрузки. Поэтому шатуны изготовляют из марганцовистых, хромистых, хромоникелевых сталей с содержанием углерода 0,3 - 0,45%. Для повышения усталостной прочности при достаточной вязкости и пластичности стальные шатуны подвергают в процессе штамповки промежуточной термообработке, а после штамповки - полированию, обдувке дробью, нормализации, закалке и отпуску.

Рис. 7.4. Расчетная схема шатунной группы.

Поршневая головка шатуна рассчитывается на [1]:

а) усталостную прочность в сечении I-I от действия инерционных сил, достигающих максимальных значений при работе на режиме максимальной частоты вращения холостого хода;

б) напряжение, возникающее в головке от воздействия на нее запрессованной втулки;

в) усталостную прочность в сечении А-А от действия суммарных сил и запрессованной втулки.

Расчет в этом случае проводится для режима работы двигателя, при котором амплитуда изменения суммарных сил максимальна.

Расчёт поршневой головки шатуна

Данные для расчёта на прочность взяты из теплового и динамического расчётов:

максимальное давление сгорания p_zд = 8,99 МПа на режиме n = 1600 при φ = 380°;

масса поршневой группы m_п = 3,804 кг;

масса шатунной группы m_ш = 4,295 кг;

частота вращения n_N = 2100;

ход поршня S = 125 мм;

площадь поршня F_п = 122,72 см²;

λ = 0,197;

диаметр поршневого пальца d_п = 40 мм;

длина поршневой головки шатуна l_ш = 40 мм.

По табличным значениям [1] принимаем:

наружный диаметр головки d_г = 66 мм;

внутренний диаметр головки d = 46 мм;

радиальная толщина стенки головки h_г = мм

радиальная толщина стенки втулки s_в =  мм

материал шатуна - сталь 45Г2;

модуль упругости Е_ш = 2,2∙10⁵ МПа;

термический коэффициент расширения стальной головки α_г = 1∙10^-5 .

Материал втулки - бронза;

модуль упругости Е_в = 1,15∙10⁵ МПа;

термический коэффициент расширения α_в = 1,8∙10^-5 .

По табличным значениям выберем для стали 45Г2:

предел прочности σ_в = 810 МПа;

предел усталости при изгибе σ_-1 = 355 МПа;

предел усталости при растяжении - сжатии σ_-1р = 210 МПа;

предел текучести σ_т = 420 МПа;

коэффициент приведения цикла при изгибе α_σ = 0,17;

коэффициент приведения цикла при растяжении - сжатии α_σ = 0,13.

Определим при изгибе:

 

Определим при растяжении - сжатии:

а) расчёт сечения I - I:

Максимальное напряжение пульсирующего цикла:

МПа,

где m_в.г. = 0,08∙m_п = 0,08∙3,804 = 0,349 кг - масса части головки выше сечения I-I;

ω_х.х.max =

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

 МПа

 МПа,

где k_σ = 0,864 - эффективный коэффициент концентрации напряжений (головка не имеет резких переходов);

ε_м = 0,86 - масштабный коэффициент [1];

ε_п = 0,9 - коэффициент поверхностной чувствительности [1].

Так как

,

то запас прочности в сечении I - I определяется по пределу усталости:

Запас прочности в сечении I-I находится в рекомендованных пределах 2,5÷5 [1].

Напряжение от запрессованной втулки:

Суммарный натяг:

∆_∑ = ∆+∆_t = 0,04+0,0552 = 0,095 мм,

где ∆ = 0,04 мм - натяг посадки бронзовой втулки ;

∆_t = d(α_в-α_г)∆Т = 46∙(1,8∙10^-5-1,0∙10^-5)∙150 = 0,0552 мм;

∆Т = 150 К - средняя температура подогрева головки и втулки.

Удельное давление на поверхности соприкосновения втулки с головкой:

,

где μ = 0,3 - коэффициент Пуассона.

Напряжение от суммарного натяга на внешней поверхности головки:

Напряжение от суммарного натяга на внутренней поверхности головки:

б) расчёт сечения А - А на изгиб:

Максимальная сила, растягивающая головку:

 

p_jп = -m_п∙R∙ω²∙(1+λ) = -3,804∙0,0625∙219,9²∙(1+0,197) = -13759,8 Н,

где ω = ;

Нормальная сила и изгибающий момент в сечении О - О:

 

N_jo = -p_jп(0,572-0,0008φ_ш.з) =

= -(-13759,8)∙(0,572-0,0008∙100) = 6769,8 Н,

где φ_ш.з = 100 ° - угол заделки;

Рис. 7.5. Распределение нагрузок на поршневую головку шатуна:

а - при растяжении, б - при сжатии

M_jo = -p_jп∙r_cp∙(0,00033φ_ш.з-0,0297) =

= -(-13759,8)∙0,028∙(0,00033∙100-0,0297) =

= 1,27 Н∙м,

где r_ср = ;

Нормальная сила и изгибающий момент от растягивающей силы:      

N_jφш.з = N_jocosφ_ш.з-0,5p_jп(sinφ_ш.з-cosφ_ш.з) =

= 6769,8∙cos100∙-0,5∙(-13759,8)∙(sin100-cos100) = 6794,5 H

M_jφш.з = M_jo+N_jor_cp(1-cosφ_ш.з)+0,5p_jпr_cp∙(sin_φш.з-cos_φш.з) =

= 1,27+6794,5∙0,028∙(1-cos100)+0,5∙(-13759,8)∙0,028∙(sin100-cos100) = 0,58 Н∙м

Напряжение на внешнем волокне от растягивающей силы:

,

где K = ;

F_г = ( d_г- d)l_ш = (66 - 46)∙40 = 800 мм²;

F_в = (d - d_п)l_ш = (66 - 46)∙ 40 = 240 мм².

Суммарная сила, сжимающая головку:

 

p_сж = (р_zд-р_о)∙F_п-m_п∙R∙ω²∙(cosφ+λ∙cos2∙φ) =

=(12,2-0,1013)∙0,0058-0,93∙0,0461∙418,67²∙(cos380+0,279cos2∙380) = 60839,69 Н

Нормальная сила и изгибающий момент от сжимающей силы:

, Н

, Н·м

где значения

 и  ,  и  

определены по табличным значениям [1].

Напряжение на внешнем волокне от сжимающей силы:

МПа

Максимальное и минимальное напряжение асимметричного цикла:

σ_max = σ’_a+σ_aj = 52,48+17,83 = 70,3 МПа

σ_min = σ’_a+σ_aсж = 52,48+(-1,48) = 50,9 МПа

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

 МПа;

 МПа;

 МПа

Так как

<4,36 ,

то запас прочности в сечении А - А определяется по пределу текучести:

Запас прочности поршневой головки находится в рекомендованных пределах 2,5÷5 [1].

Расчёт кривошипной головки

Для проведения расчётов из динамического расчёта и расчёта поршневой головки имеем:

радиус кривошипа R = 0,0625 м;

масса поршневой группы m_п = 3,804 кг;

масса шатунной группы m_ш = 4,295 кг;

ω_х.х.max = 303,48 ;

λ = 0,197.

По табличным значениям примем :

диаметр шатунной шейки d_ш.ш = 65 мм;

толщина стенки вкладыша t_в = 3 мм;

расстояние между шатунными болтами С_б = 98 мм;

длина кривошипной головки шатуна l_к = 41 мм.

Максимальная сила инерции:

 

P_jp = -ω²_х.х.maxR((m_п+m_ш.п)(1+λ)+(m_ш.к-m_кр))∙10^-6 =

= -303,48²∙0,0625∙((3,804+4,295)∙(1+0,197)+(3,561-1,066)∙10^-6 = -0,07 МН,

где m_кр = 0,25∙m_ш = 0,26∙4,1 = 1,066 кг - масса крышки кривошипной головки.

Момент сопротивления расчётного сечения:

где r₁ = 0,5∙(d_ш.ш+2∙t_в) = 0,5∙(65+2∙3) = 35,5 мм - внутренний радиус кривошипной головки шатуна.

Момент инерции вкладыша:

 

J_в = l_к∙t_в² = 40∙3²∙10^-12 = 1,1∙10^-10 м⁴

Момент инерции крышки:

 

J_к = l_к∙(0,5С_б - r₁)³ = 40∙(0,5∙98-35,5)³ = 1,01∙10^-9 м⁴.

Напряжение изгиба крышки и вкладыша:

,

где F_г = l_к∙0,5∙(С_б-d_ш.ш) = 25∙0,5∙(98-65)∙10^-6 = 0,0006765 м² - суммарная площадь крышки и вкладыша в расчётном сечении.

Расчёт стержня шатуна

Для проведения расчёта нам понадобятся данные из динамического расчёта:

_сж = p_г+p_j = 78,8 кН = 0,0788 МН при φ = 380°;

p_р = p_г+P_j = -18 кН = -0,018 МН при φ = 0°;

длина шатуна L_ш = 318 мм.

По табличным значениям [1] примем:

 

h_ш = 44 мм;

b_ш = 24 мм;

а_ш = 4 мм;

t_ш = 4 мм.

 

d = 46 мм;

d₁ = 71 мм,

а также характеристики прочности материала шатуна.

Площади и моменты инерции расчётного сечения В - В:

 

F_cp = h_ш∙b_ш-(b_ш-а_ш)(h_ш-2t_ш) = 44∙24-(24-4)(44-2∙4) = 336 мм² =33,6∙10^-5 м²

;

Максимальные напряжения от сжимающей силы:

а) в плоскости качания шатуна:

 МПа,

где

коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости качания шатуна;

σ_е = σ_в = 800 МПа;

б) в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна:

 МПа,

где  -

коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна;

 мм

длина стержня шатуна между поршневой и кривошипной головками.

Минимальное напряжение от растягивающей силы:

σ_min =  МПа

Средние напряжения и амплитуды цикла:

 МПа

 МПа

 МПа

 МПа

 МПа

 МПа,

где k_σ = 1,2+1,8∙10^-4∙(810-400) = 1,274;

ε_м = 0,92 - масштабный коэффициент;

ε_п = 1,8 - коэффициент поверхностной чувствительности.

Так как >0,74 и

> 0,74,

то запас прочности в сечении В - В определяется по пределу усталости:

 

 

Полученные значения удовлетворяют необходимым условиям усталостной прочности, которые по [1] > 1,5.

Расчёт шатунных болтов

Из расчёта кривошипной головки шатуна имеем:

максимальная сила инерции, разрывающую кривошипную головку и шатунные болты p_jp = 0,07 МН;

Примем для болта:

номинальный диаметр болта d = 12 мм;

шаг резьбы t = 1 мм;

количество болтов i_б = 2 шт.

Материал - сталь 40ХН.

По табличным значениям определим:

предел прочности σ_в = 1300 МПа;

предел текучести σ_т = 1150 МПа;

предел усталости при растяжении - сжатии σ_-1р =390 МПа;

коэффициент приведения цикла при растяжении - сжатии α_σ = 0,2.

Определим:

, ,

Сила предварительной затяжки:

МН

Суммарная сила, растягивающая болт:

МН,

где χ = 0,2 - коэффициент основной нагрузки резьбового соединения.

Максимальные и минимальные напряжения, возникающие в болте:

МПа,

где d_в² = d-1,4t = 12 - 1,4∙1 = 10,6 мм = 0,0106 м - внутренний диаметр резьбы болта.

МПа

среднее напряжение и амплитуды цикла:

МПа

 МПа

 МПа,

где k_σ = 1+q∙(α_кσ-1) = 1+0,8∙(3-1) = 2,6;

α_кσ = 3 - теоретический коэффициент концентрации напряжений;

q = 0,8 - коэффициент чувствительности сталей к концентрации напряжений;

ε_м = 1 - масштабный коэффициент;

ε_п = 1,1 - коэффициент поверхностной чувствительности.

Так как

>,

то запас прочности болта определяется по пределу текучести:

Полученное значение больше требуемого минимального значения предела усталости, равного 2.

7. СИСТЕМА ТОПЛИВОПИТАНИЯ

Описание конструкции

Система Common Rail (CR) - это предназначенная для дизелей система впрыска топлива под высоким давлением. Ее называют также аккумуляторной системой впрыска.

Понятие «Common Rail» (означает дословно «общая направляющая», под которой подразумевается общий для всех форсунок топливный аккумулятор высокого давления) подчеркивает разницу между способами подачи топлива в старых и новых конструкциях. Во-первых, за основу для внедрения новой системы был взят двигатель с непосредственным впрыском топлива как изначально более экономичный и успешно изживающий «старые болезни» - «жесткость» работы, повышенный уровень вибраций и шумность. Во-вторых, был создан блок управления, который с помощью своих многочисленных программ позволил качественно улучшить работу всей системы питания. И, наконец, был изменен сам принцип работы всей этой системы.

В обычных системах питания для впрыска каждой порции топлива ТНВД должен повышать давление в соответствующем топливопроводе и форсунке. Поскольку производительность насоса зависит от числа оборотов кулачкового вала, результат в каждом конкретном случае получается далеко не оптимальным. Необходимо отметить, что также далека от идеальной и работа форсунки. Ее запорная игла открывается под действием ударной волны в топливной магистрали, а закрывается под действием пружины. В новой системе все иначе.

Топливо постоянно находится под высоким давлением в общей для всех форсунок топливной магистрали. В ней блок управления дизелем поддерживает, меняя производительность насоса, давление, равное 160 МПа, при различных режимах работы двигателя, то есть независимо от его оборотов и нагрузки при любой последовательности впрыска по цилиндрам.

Форсунки также претерпели существенные изменения. Они оснащены специальными пьезоэлектрическими клапанами и управляются по гибкому алгоритму в соответствии с конкретными условиями работы дизеля. Высокое давление, под которым топливо впрыскивается в цилиндр, создается уже при самом малом числе оборотов коленвала. Благодаря ему, а также электронному управлению процессом впрыска достигается значительно лучшая подготовка смеси в цилиндрах, что приводит к уменьшению расхода топлива и снижению токсичности выхлопных газов. В системе CR электроника регулирует момент впрыска, продолжительность, количество тактов впрыска и его количество. Именно этим и достигается оптимальный на каждом конкретном режиме работы дизеля результат. Общая магистраль оборудована датчиком давления и обратным клапаном, перепускающим топливо обратно в бак.

Работа топливного насоса с разной производительностью, малой при низких оборотах и высокой на больших, сказалась на уровне шума, производимого дизелем. Замеры показали, что переход на систему CR позволил уменьшить его на 10%.

К премуществам системы Common Rail относятся:

практически свободный выбор давления впрыскивания для каждого режима работы двигателя,

возможность впрыска топлива под высоким давлением при низких частотах вращения вала двигателя и при частичных нагрузках,

- управляемое начало впрыска с подачей предварительной дозы, отделенной от основной порции топлива,

улучшенный расход топлива на 10-15%, мощность возросла на 40% и это при существенном снижении выбросов вредных веществ в атмосферу (дизельные двигатели выбрасывают примерно на 25 % меньше парникового углекислого газа, чем их бензиновые аналоги без специального оборудования).

Ниже на рис. 8.1. приведена схема топливной системы двигателя с пояснениями.

В топливную систему входят: топливный бак (1) с топливным насосом (2), ТНВД (6) с подкачивающим насосом (8), пьезоэлектрические форсунки (13), сетчатые фильтры и фильтр тонкой очистки (3), топливные магистрали низкого и высокого давления и магистраль слива топлива в бак.

Электронасос (2) расположен в топливном баке. Он обеспечивает на всех режимах работы двигателя досаточную подачу топлива к шестеренному насосу, находящемуся в корпусе насоса высокого давления.

Подаваемое электронасосом топливо поступает в компенсационный бачок. Из него топливо направляется к шестеренному насосу.

При включении зажигания блок управления топливной системой дизеля включает электронасос посредством его реле. После этого насос работает в течение 3 секунд, создавая предварительное давление в топливной системе.

После пуска двигателя этот насос работает постоянно, подавая топливо в контур низкого давления.

Подаваемое электронасосом топливо поступает в компенсационный бачок. Из него топливо направляется к шестеренному насосу.

Компенсационный бачок (5) служит для стабилизации давления топлива на входе шестеренного насоса на всех режимах работы двигателя.

Подаваемое электронасосом топливо поступает в компенсационный бачок. Из него оно направляется к шестеренному насосу. Чтобы сгладить колебания давления, избыточное топливо направляется из компенсационного бачка через тройник на слив.

В тройнике смешивается топливо, возвращаемое от двигателя, и топливо, поступающее из компенсационного бачка. Благодаря этому производится охлаждение возвращаемого в бак топлива.

Топливный фильтр (3) оснащен электронагревательным элементом.

Включение электронагревательного элемента производится посредством его реле. С помощью этого элемента производится подогрев топлива в магистрали его подачи к двигателю.

Благодаря подогреву топлива предотвращается блокировка фильтра кристаллами парафина, выпадающими из топлива при низких температурах.

Шестеренный насос (8) является механическим топливоподкачивающим насосом. Этот насос повышает давление поступающего от электронасоса (2) топлива до уровня, которое необходимо для обеспечения работы насоса высокого давления на всех режимах работы двигателя.

Шестеренный насос установлен непосредственно на насосе высокого давления. Оба эти насоса приводятся от общего вала.

В корпусе шестеренного насоса расположены две шестерни, вращающиеся в противоположных направлениях. Одна из этих шестерен соединена с ведущим валом.

При вращении шестерен находящееся в объемах между зубьями топливо транспортируется вдоль внутренних стенок насоса в направлении к полости нагнетания. Далее топливо направляется в корпус насоса высокого давления.

Находящиеся в зацеплении зубья шестерен предотвращают возврат топлива в полость всасывания.

Контур высокого давления предназначен для подачи топлива под необходимым для впрыска давлением. Высокое давление создается плунжерами, расположенными звездообразно под углом 120⁰ друг к другу.

Насос высокого давления (7) закреплен винтами на промежуточном фланце распределительного механизма. Он приводится от коленчатого вала через шестерни этого механизма.

На насосе высокого давления установлены шестеренный насос и клапан регулятора давления.

На валу насоса высокого давления находится эксцентрик. Вращение эксцентрика преобразуется посредством установленной на нем шайбы в возвратно-поступательное движение плунжеров трех насосных элементов.

Аккумулятор высокого давления (11) представляет собою трубу, изготовленную из кованой стали. Он служит для накопления подаваемого под высоким давлением топлива, которое впрыскивается затем в цилиндры двигателя. Благодаря достаточно большому объему аккумулятора сглаживаются колебания давления топлива, возникающие из-за неравномерной подачи насоса высокого давления и в процессе впрыска.

На аккумуляторе высокого давления расположены штуцер подвода топлива от насоса высокого давления, штуцеры отвода топлива к форсункам, штуцер слива топлива в бак, предохранительный клапан, а также датчик давления топлива.

Заключенное в аккумуляторе топливо постоянно находится под высоким давлением. Благодаря большому объему аккумулятора давление топлива в нем при производстве впрыска практически не изменяется. Сглаживаются также колебания давления, вызываемые пульсирующей подачей топлива насосом высокого давления.

Предохранительный клапан (12) установлен непосредственно на аккумуляторе высокого давления.

Этот клапан должен ограничивать максимальное давление в аккумуляторе, предохраняя его от слишком высоких давлений.

Клапан открывается при давлении в аккумуляторе 1450 бар. Перепускаемое через него топливо отводится в сливную магистраль.

Для сравнения: давление 1450 бар соответствует весу легкового автомобиля среднего класса, приходящемуся на площадку размером в один квадратный сантиметр.

Форсунки (13) установлены в головке цилиндров и предназначены для впрыска топлива в камеры сгорания в нужном количестве и в нужный момент. Они управляются блоком управления топливной системой дизеля с непосредственным впрыском.

а) В исходном состоянии форсунка закрыта. Ее электромагнитный клапан при этом обесточен. Якорь электромагнитного клапана прижимается пружиной к его седлу. Игла распылителя форсунки прижимается к ее седлу силой давления топлива, действующего на поршень мультипликатора сверху, и превышающей силу давления, действующую на значительно меньшую площадь иглы снизу.

б) Впрыск топлива производится по команде блока управления системой впрыска дизеля. При этом на электромагнитный клапан подается напряжение. Как только создаваемое электромагнитом усилие превышает силу затяжки пружины клапана, якорь электромагнита поднимается, открывая выпускной дроссель.

В результате топливо из камеры управления вытекает через дроссель в сливную магистраль. Впускной дроссель препятствует быстрому уравниванию давлений в топливоподводящем канале и в камере управления. При этом сила давления, действующая на поршень мультипликатора, снижается до уровня, при котором она преодолевается силой давления на иглу распылителя. В результате игла поднимается и начинается впрыск топлива.

в) Впрыск топлива заканчивается, как только блок управления системой впрыска дизеля прекращает подавать напряжение на электромагнитный клапан форсунки. При этом электромагнитный клапан обесточивается. Пружина электромагнитного клапана вновь прижимает его якорь к седлу, перекрывая сливной дроссель.

Давление топлива в камере управления повышается до его уровня в аккумуляторе. При этом давление в камере управления равно давлению, действующему на иглу распылителя.

Это означает восстановление равенства давлений топлива в камере управления и в контуре высокого давления. Ввиду большей площади поршня мультипликатора действующая на него сила вызывает посадку иглы распылителя на ее седло.

Таким образом процесс впрыска заканчивается, после чего игла распылителя остается неподвижной.

Далее приведены расчеты ТНВД с подкачивающим насосом и электромагнитной форсунка.

7.1 Расчёт ТНВД

Исходные данные:

Мощность двигателя  кВт,

Эффективный удельный расход топлива  г/кВт·ч,

Число цилиндров ,

Плотность топлива  кг/м³.

Цикловая подача топлива:

Теоретическая подача секции топливного насоса:

,

где  - коэффициент подачи насоса.

Полная производительность секции насоса:

Диаметр плунжера:

 мм,

где  задаем из интервала , мм принимаю по ГОСТу.

Ход плунжера:

 мм

Активный ход плунжера:

мм.

Из конструктивных и технологических соображений принимяю длину плунжера равной  мм.

Конструктивные размеры толкателя.

Диаметр толкателя:

 мм

Высота толкателя:

 мм.

Из конструктивных соображений примем =15 мм.

Мощность, затрачиваемая на привод ТНВД:

,

где р = 160∙10⁶ Па - давление топлива в системе после ТНВД;

η_м.н. = 0,8 - механический КПД насоса;

i_П = 3 - количество секций насоса.

Относительная мощность, затрачиваемая на привод ТНВД:

Выбор объема аккумулятора

Цикловая подача топлива =202,85 мм³/цикл, давление в аккумуляторе МПа. Допускаемая нестабильность цикловой подачи 1%, тогда  МПа и  МПа.

Теоретический объем аккумулятора:

 мл

Необходимый  подбирают из условия обеспечения быстроты протекания переходных режимов. Наиболее важные переходные режимы- резкий наброс нагрузки на средгих частотах вращения и пуск дизеля. По этой причине наблюдается тенденция миниатюризации аккумуляторов. Поэтому принимаем  равным 60 мл. Сброс давления при резком снижении нагрузки возможен не только за счет умньшения производительности ТНВД, но и за счет открытия электроуправляемого регулятора давления.

.2 Расчёт форсунки

Исходные данные:

Диаметр цилиндра  мм,

Ход поршня  мм,

Мощность двигателя  кВт,

Удельный расход топлива г/кВт·ч,

Частота вращения коленчатого вала  об/мин,

Давление впрыска  МПа,

Число цилиндров ,

Топливо - дизельное Л-0,2-40 (ГОСТ 305-82),

Литраж двигателя и рабочий объем одного цилиндра были найдены в тепловом расчете, и составляют:

 л,

 л.

Часовой расход топлива:

 кг/ч,

Расход топлива на один цилиндр:

 г/с,

где i=7- число цилиндров.

Время одного цикла:

 с.

Выберем угол подачи топлива топлива: при объемном смесеобразовании, где требуется высокая скорость впрыска, .

Тогда время открытия форсунки:

с.

Средняя скорость истечения топлива:

м/с,

где υ=0,5- скоростной коэффициент.

Цикловая доза в массовых единицах:

г/цикл.

Цикловая доза в объемных единицах:

 мм³/цикл,

Суммарная эффективная площадь сопловых отверстий:

 мм²,

где =0,65- коэффициент расхода форсунки.

Диаметр сопловых отверстий:

мм,

где m=5- число сопловых отверстий.

8. СИСТЕМА СМАЗКИ

Система смазки двигателя (рис. 9.1) комбинированная с сухим картером, и состоит из внешней и внутренней систем. К внешней системе относится масляный бак, масляный радиатор, маслоотстойник и трубопроводы. К внутренней системе относится масляный насос, внутренние полости и агрегаты двигателя.

Все трущиеся поверхности деталей двигателя смазываются одним из трех способов:

а) под давлением - масло под давлением поступает непосредственно на трущиеся поверхности по специальным каналам в деталях;

б) направленной струей, когда масло под давлением фонтанирует из специальных отверстий в строго определенном направлении и обильно покрывает трущиеся поверхности деталей, смазывая и охлаждая их;

в) барботажем или разбрызгиванием мелкораспыленного масла на трущиеся поверхности. Разбрызгиванием производится коленчатым валом и другими вращающимися деталями двигателя, расположенными в картере. При этом все свободные пространство внутри картера наполняется мельчайшими капельками масла (масляным туманом), которые проникают в зазоры между трущимися поверхностями или оседают на них.

Маслом под давлением смазываются все подшипники скольжения, за исключением втулок верхних головок шатунов, и подшипники качения рычагов клапанов верхних цилиндров.

Направленной струей смазываются и охлаждаются трущиеся поверхности цилиндро-поршневой группы.

Менее требовательны к смазке подшипники качения (коренной роликовый и коренной радиально-упорный шариковый подшипники) и зубчатые зацепления шестерен всех приводов смазываются посредством барботажа.

Циркуляция масла во внутренней масляной системе двигателя

Циркуляция масла в двигателе (рис. 9.1) обеспечивается масляным насосом МШ-8 (3). Из маслобака (16) по трубопроводу масло подводится к входному штуцеру насоса, входит в его нагнетающую ступень, откуда под давлением 5-6 кг/см² поступает в канал задней крышки картера. Отжимая шарик перепускного клапана (17), отрегулированного на давление 0,5 кг/см², масло входит в полость фильтра МФМ-25 (4) и очищается в нем от механических примесей. По выходе из фильтра масло расходится в двух направлениях:

а) основная доля масла через кольцевую канавку поступает во внутреннюю полость задней коренной шейки коленчатого вала. Откуда по каналу в его задней щеке попадает в полость шатунной шейки. Из этой полости масло выходит:

по сеператорной трубке на лыску шатунной шейки для смазки втулки главного шатуна и пальцев прицепных шатунов;

через отверстие диаметром 1,3 мм в болте крепления заглушки внутренней полости шатунной шейки и жиклер диаметром 1 мм запрессованный в заднюю часть шатунной шейки, - на смазку трущихся поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы. Это масло непрерывно фонтанирует на гильзы цилиндров и поршни, обеспечивая их смазку и дополнительное охлаждение;

по каналу в передней щеке коленчатого вала и внутреннюю полость передней коренной шейки на смазку шлицевого соединения привода водяного насоса и подшипника скольжения кулачковой шайбы, а также шестерней механизма газораспределения;

б) по каналу в верхнем приливе крышки масляного фильтра МФМ-25 к штуцеру для присоединения трубки наружного подвода масла к толкателям клапанов впуска и выпуска верхних цилиндров. Подшипники качения рычагов клапанов нижних цилиндров смазываются маслом, поступающим из картера самотеком по зазорам между толкателями и их направляющими.

Откачка масла из двигателя

Все масло, вытекающее из зазоров между деталями двигателя, фонтанирующее из отверстий попадает на вращающиеся детали, мелко разбрызгивается, смазывая трущиеся поверхности деталей, к которым оно под давлением не подводится, и стекает в нижнюю часть картера. Из нижней части картера масло сливается в масляный отстойник (1) следующими путями:

из носка картера - по сливной трубе;

из среднего картера - по специальному каналу;

Из масляного отстойника масло проходит через сетчатый фильтр, а затем по трубопроводу и каналу в задней крышке поступает в насос МШ-8 и откачивается им во внешнюю масляную систему двигателя.

Двигатель имеет масляную систему с так называемым «сухим картером». Это означает, что при нормальных условиях работы масляной системы масло в картере не скапливается и всегда полностью сливается в отстойник. В отстойнике остается обычно около 2-3 литров масла.

Циркуляция масла во внешней масляной системе двигателя

Проходя через двигатель, масло нагревается на 30-40ºС, насыщается воздухом, а также газами и парами бензина, прорывающимися из цилиндров. Кроме того, в масле имеется свободный воздух в виде воздушных пузырей, находящихся во взвешенном состоянии. Поэтому практически в отстойник двигателя сливается и из него откачивается во внешнюю систему не масло, а воздушно-масляная эмульсия.

К нагнетающей ступени насоса должно быть подведено масло, по возможности освобожденное от воздуха, потому что наличие в масле воздушных пузырей уменьшает производительность, ухудшает смазку подшипников вследствие местных разрывов масляной пленки, также ухудшает охлаждающую способность масла.

Таким образом, во внешней масляной системе необходимо не только охладить все циркулирующее через двигатель масло и восполнить его количество, сгоревшее в цилиндрах, но и обеспечить удаление из масла воздушных пузырей, газов и паров бензина.

Главными элементами внешней масляной системы двигателя (рис. 9.1) являются масляный радиатор (8); масляный бак (16) и трубопроводы, соединяющие их между собою и с масляным насосом.

Из откачивающей ступени масляного насоса по трубопроводу масло поступает в радиатор, проходит по каналам между его сотами и охлаждается воздухом, проходящим через соты. При нормальных рабочих температурах масла давление его в трубопроводе между насосом и радиатором и в самом радиаторе не превышает 1-3 кг/см². Если же масло холодное, то его давление, особенно в момент запуска двигателя, резко возрастает из-за увеличения гидравлических сопротивлений в радиаторе и может достичь на короткий промежуток времени 15 кг/см² и выше. Чтобы это не привело к разрыву радиатора или не вызвало срыва шлангов со штуцеров радиатора и масляного насоса, на радиаторе устроен предохранительный клапан, отрегулированный на давление 4 кг/см².

Когда давление масла поднимается выше 4 кг/см², клапан открывается и масло поступает в маслобак, минуя соты радиатора и не охлаждаясь. Наличие клапана не только предохраняет от разрушения радиатор, но и способствует более быстрому прогреву масла, циркулирующего через двигатель.

В результате прогрева масла его вязкость, а следовательно, и гидравлические сопротивления в радиаторе уменьшаются, давление понижается и клапан закрывается. Все масло начинает проходить через каналы между сотами и охлаждаться.

Требуемая температура масла на входе в двигатель поддерживается специальными заслонками, регулирующими количество подводимого к радиатору охлаждающего воздуха.

Из радиатора масло поступает в масляный бак, являющийся резервной емкостью масляной системы. Кроме тогo, в баке имеются устройства, частично отделяющие от масла воздух, газы и пары бензина. Таким устройством является циркуляционный колодец. Масло, поступающее в бак из радиатора, входит в циркуляционный колодец по касательной к его внутренней поверхности и получает вращательное движение, перемещаясь по нему сверху вниз.

Под действием центробежных сил масло отбрасывается к стенкам колодца, а более легкие - пары бензина, газ и воздух собираются в его средней части и выходят в воздушную полость бака. Вращательное движение потока масла затухает под действием крестообразного дефлектора, установленного в нижней части колодца.

Из колодца масло поступает к выходному штуцеру, соединяясь по пути к нему со свежим маслом из основной емкости бака. Перед выходом из бака масло проходит через сетчатый фильтр грубой очистки.

Кроме пеногашения, циркуляционный колодец позволяет добиться и других существенных преимуществ. Во-первых, благодаря тому, что через двигатель циркулирует не весь запас масла, имеющийся в баке, а лишь его часть, находящаяся в колодце, сокращается время прогрева масла после запуска двигателя и, следовательно, время подготовки двигателя. Во-вторых, вредному действию нагрева до высоких температур, загрязнению и вспениванию подвергается только часть масла, циркулирующая через двигатель. Так как объем этого масла сравнительно мал, то оно быстро расходуется и постепенно заменяется свежим из основной емкости бака, не принимавшим участия в циркуляции.

Бак заполняется маслом настолько, чтобы в верхней его части имелась свободная полость. Это предотвращает разрушение бака вследствие увеличения объема масла, когда оно нагревается и вспенивается.

Воздушная полость масляного бака сообщена суфлирующими трубопроводами с внутренней полостью картера, а дренажной трубой - с атмосферой. Такая схема суфлирования и дренажа уменьшает возможность выброса масла в атмосферу при переполнении картера или масляного бака. Вывод дренажного трубопровода маслобака внутрь капота двигателя не разрешается, так как выброшенное масло может воспламениться, а также нарушить работу электрических агрегатов. Выводить трубопровод следует за капот и направлять по потоку. Это уменьшает возможность попадания в бак пыли и песка, закупорки дренажа вследствие засорения или обмерзания трубки в зимнее время, а также создания в баке избыточного давления.

Масляная система заполняется через горловину масляного бака. В горловине устанавливается сетчатый фильтр для предохранения от попадания в бак песка, грязи и посторонних предметов во время заправки.

Масло из системы сливается через сливные краны, расположенные в ее нижних точках: на масляном отстойнике и радиаторе.

Работа всей масляной системы двигателя контролируется по показаниям манометра, установленного в нагнетающей магистрали, и термометра входящего масла. Приемник манометра устанавливается на масляном насосе МШ-8 в полости входа масла в его нагнетающую ступень.

Суфлирование двигателя

В результате нагрева двигателя повышается давление воздуха и паров масла в картере. Кроме того, повышение давления в картере происходит за счет прорыва в него смеси и газов из цилиндров, особенно в случае износа поршневых колец.

Повышение давления внутри картера приводит к снижению мощности двигателя из-за увеличения противодействия ходу поршней в тактах впуска и рабочего хода, а также вызывает течь масла из мест разъемов частей картера. С целью предотвратить повышение давления все внутренние полости картера сообщаются между собой и через суфлер-с атмосферой.

Суфлер устанавливается на той полости картера, в которой имеется меньше всего завихрений. К суфлеру присоединяется суфлерная трубка, выходящая или непосредственно в атмосферу, или в воздушное пространство маслобака. В последнем случае суфлирование картера и дренажирование маслобака производятся совместно через дренажную трубку бака.

8.1 Расчет масляного насоса МШ-8

Рис. 9.2. Двухсекционный масляный насос МШ-8.

Масляный насос МШ-8 (рис. 9.2) предназначен для обеспечения постоянной циркуляции масла через двигатель. Насос шестеренчатого типа, имеет две ступени - нагнетающую и откачивающую. Нагнетающая ступень подает необходимое количество масла из масляного бака в двигатель под давлением 5-6 кг/см², а откачивающая - откачивает все масло из маслоотстойника двигателя в масляный бак.

Масляные насосы шестеренчатого типа обладают целым рядом преимуществ, к числу которых относятся простота конструкции, компактность, большая надежность работы, равномерность подачи масла и т.д. Поэтому они используются на большинстве звездообразных двигателей.

Произведем расчет подающей секции насоса.

Расчет масляного насоса заключается в определении размеров его шестерен. Этому расчету предшествует определение циркуляционного расхода масла в системе.

Количество теплоты, выделяемое топливом в течение 1 секунды, определяется по данным теплового расчета:

Количество теплоты, отводимой маслом от двигателя:

Теплоемкость масла

Плотность масла

Температура нагрева масла в двигателе

Циркуляционный расход масла для подающей секции насоса:

Циркуляционный расход с учетом стабилизации давления масла в системе:

Объемный коэффициент подачи

Расчетная производительность подающей секции насоса:

Модуль зацепления зуба m = 3,8 мм = 0,0038 м.

Высота зуба h = 2·m = 2·3,8 = 7,6 мм = 0,0076 м.

Число зубьев шестерен z = 7.

Диаметр начальной окружности шестерни

 м.

Диаметр внешней окружности шестерни

 м.

Окружная скорость на внешнем диаметре шестерни

Частота вращения шестерни (насоса)

мин^-1.

Длина зуба шестерни

Рабочее давление масла в системе

Механический КПД масляного насоса

Мощность, затрачиваемая на привод масляного насоса:

Определим основные параметры откачивающей секции.

Количество теплоты, выделяемое топливом в течение 1 секунды, берем по данным теплового расчета:

Количество теплоты, отводимой маслом от двигателя:

Т.к. через откачивающую ступень насоса проходит масляно-воздушная эмульсия, зададим следующие дополнительные параметры:

Коэффициент соотношения масла в масляно-воздушной эмульсии

Коэффициент соотношения воздуха в масляно-воздушной эмульсии

Плотность масла

Плотность воздуха

Далее из заданных параметров находим массу масла:

Масса воздуха:

Общая масса масляно-воздушной пены:

Теплоемкость масла

Теплоемкость воздуха

Отсюда имеем теплоемкость эмульсии:

Плотность пенной эмульсии

Температура нагрева масла в двигателе

Из расчета видно, что циркуляционный расход масла подающей ступени насоса равен

Отталкиваясь от полученного значения V_ц.под. найдем значение циркуляционного расхода для откачивающей ступени насоса:

,

где k - коэффициент учета работы откачивающей секции, k = 2,5.

Циркуляционный расход с учетом стабилизации давления масла в системе

Объемный коэффициент подачи

Расчетная производительность откачивающей секции насоса:

Характеристики шестерен откачивающей ступени аналогичны подающей, за исключением различных значений высоты шестерен.

Высота нагнетающих шестерен - 30 мм.

Высота откачивающих шестерен - 45 мм.

Основные данные шестерен откачивающей ступени:

Модуль зацепления зуба m = 3,8 мм = 0,0038 м.

Высота зуба h = 2·m = 2·3,8 = 7,6 мм = 0,0076 м.

Число зубьев шестерен z = 7.

Диаметр начальной окружности шестерни

 м.

Диаметр внешней окружности шестерни

 м.

Окружная скорость на внешнем диаметре шестерни

Частота вращения шестерни (насоса)

мин^-1.

Длина зуба шестерни

Рабочее давление масла в системе

Механический КПД масляного насоса

Мощность, затрачиваемая на привод масляного насоса:

8.2 Расчет подшипников

Расчет подшипников скольжения заключается в определении минимально допустимого зазора между валом и подшипником, при котором сохраняется надежное жидкостное трение. Расчет производится на режиме максимальной мощности.

Расчет шатунного подшипника

Из динамического расчета имеем:

- диаметр шатунной шейки

частота вращения коленчатого вала

рабочая ширина шатунного вкладыша

среднее удельное давление на поверхности шейки

Диаметральный зазор

Относительный зазор

Коэффициент, учитывающий геометрию шатунной шейки:

Минимальная толщина масляного слоя

где  - динамическая вязкость масла.

Величина критического слоя масла

где  - величина неровностей поверхности шейки после чистового шлифования,

 - величина неровностей поверхности вкладыша после алмазного растачивания.

Коэффициент запаса надежности подшипника

Расчет коренного подшипника

Из динамического расчета имеем:

диаметр коренной шейки

частота вращения коленчатого вала

рабочая ширина коренного вкладыша

среднее удельное давление на поверхности шейки

Диаметральный зазор

Относительный зазор

Коэффициент, учитывающий геометрию шатунной шейки:

Минимальная толщина масляного слоя

где  - динамическая вязкость масла.

Величина критического слоя масла

где  - величина неровностей поверхности шейки после чистового шлифования,

 - величина неровностей поверхности вкладыша после алмазного растачивания.

Коэффициент запаса надежности подшипника

9. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

Система охлаждения комбинированная жидкостно-воздушная.

Основным преимуществом радиального (звездообразного) расположения цилиндров двигателя является возможность применения воздушного охлаждения. С целью использования этого преимущества введено развитое оребрение поверхности цилиндров и головок цилиндров.

Жидкостная часть системы - закрытого типа с принудительной циркуляцией жидкости по наиболее термически-нагруженным деталям двигателя.

Благодаря высокой теплопроводности алюминиевых сплавов и введенному оребрению температура головки и цилиндра при прочих равных условиях значительно ниже, что благоприятно сказывается на наполнении цилиндра, что дает возможность работать двигателю на больших степенях сжатия и предотвращает перегрев клапанов.

Оребрение позволяет значительно увеличить поверхность охлаждения и практически обеспечить тепловой режим двигателя.

Оребрение головки и цилиндра выполнено эксцентрично с эксцентриситетом в сторону выхлопа. Отношение площади охлаждающих ребер к объему цилиндра составляет , м²/литр.

Однако, ввиду отсутствия вентилятора охлаждения и невозможности обеспечения высокой интенсивности циркуляции внешнего воздуха в систему дополнительно введено замкнутое принудительное охлаждение.

Кроме того жидкостная система позволяет обеспечить более гибкое регулирование охлаждение и прогрева двигателя, т.е. поддержание оптимальной, устойчивой температуры.

Воздушного охлаждение позволило значительно сократить объем водяной рубашки головки и цилиндра, уменьшить объем охлаждающей жидкости и уменьшить мощность водяного наоса.

Основными элементами замкнутой принудительной системы охлаждения (рис. 10.1) являются: полости вокруг каждого из цилиндров и в головках цилиндров (8), образованные наружными стенками, заполненные охлаждающим телом; насос (7); радиатор (1); расширительный бачок (13); электровентилятор (5); соединительные трубы; термостат (11).

Радиатор (1) предназначен для передачи теплоты охлаждающей жидкости окружающему воздуху. Он состоит из верхнего и нижнего бачков, соединенных между собой тремя рядами латунных трубок. Для увеличения площади теплоотдачи между трубками установлены гофрированные ленты, припаянные к трубкам.

Расширительный бачок (13) предназначен для поддержания постоянного объема циркулирующей жидкости.

Расширительный бачок соединен трубкой с наливной горловиной радиатора и имеет сообщение с атмосферой, через клапан с пробке. При увеличении объема охлаждающей жидкости пар или избыточная жидкость отводится в расширительный бачок. При охлаждении жидкости и уменьшении ее объема жидкость из бачка возвращается в радиатор.

Насос системы охлаждения (7) - водяной, центробежного типа, с индивидуальными отводами охлаждающей жидкости на вход каждого цилиндра и привидится в действие шлицевым соединением с коленчатым валом. Насос создает циркуляцию жидкости в системе охлаждения, препятствует образованию паровоздушных пробок и обеспечивает равномерное охлаждение двигателя.

Термостат (11) - жидкостного типа, автоматически поддерживает устойчивый тепловой режим двигателя.

Водяная рубашка (8) состоит из рубашки цилиндра и головки цилиндра, соединенных между собой отверстиями в прокладке.

Далее приведены расчеты радиатора, центробежного насоса и вентилятора.

.1 Расчет радиатора

Радиатор является теплорассеивающим устройством, предназначенным для передачи тепла от охлаждающей жидкости окружающей среде. Радиаторы относятся к рекуперативным (поверхностным) теплообменникам, то есть таким, в которых теплота от горячего теплоносителя к холодному передается через стенку, разделяющую теплоносители. Кроме этого, радиатор является теплообменником перекрестного тока, в котором потоки воздуха и охлаждающей жидкости пересекаются под прямым углом.

Суть расчета сводится к получению компактного радиатора, обладающего небольшим гидравлическим сопротивлением, который должен обеспечить рассеивание заданного количества тепла Qp.

Исходные данные:

Количество отводимого радиатором тепла

 

Qp=Qдв=q_дв^.N_emax=0,75^.167100 = 125325 Вт;

Массовый расход охлаждающей жидкости через радиатор при параллельном соединении расширительного бачка Gж=0,95^.Gдв [кг/с];

 кг/с,

где - теплоемкость рабочего тела (жидкости) [Дж/(кг·К)];

, - температура жидкости после двигателя и до него [К].

При циркуляционной системе охлаждения: ˚С, ˚С,

=6 ˚С.

Теплоемкость антифриза А-40 при заданной температуре =3600Дж/(кг·К)

 кг/с

Температура охлаждающей жидкости на входе в радиатор

˚С и на выходе из него ˚С;

Атмосферное давление Па;

Температура окружающего воздуха ˚С.

Расчетное количество тепла с учетом реализации потенциальных свойств радиатора:

Вт,

где  - коэффициент реализации потенциальных свойств радиатора при его работе, который учитывает ограничения:

влияние неравномерности воздушного потока по фронту радиатора =0,75...0,9=0,88;

влияние турбулентности воздушного потока на входе в радиатор =1,15…1,20=1,18;

влияние аэрации потока жидкости =0,8...1,0=0,98;

влияние свойств охлаждающей жидкости =0,85…0,98=0,98;

влияние неравномерности скорости течения жидкости в радиаторе =0,85…0,95=0,90;

влияние технологии изготовления, конструкции и монтажа

=0,85…0,90=0,89;

влияние рециркуляции воздушного потока =0,9…1,0=0,98.

Зададимся скоростью жидкости в каналах сердцевины

w_С=0,5…1,0=0,5 м/с и длиной трубок сердцевины Н=0,576 м.

Общая площадь поперечного сечения жидкостных каналов:

м²,

где ρж=965,6 кг/м³ при t_ж.ср.=(t_ж.вх.+t_ж.вых.)/2 = 95 ˚С.

Выбираем тип поверхности охлаждения

Таблица 10.1

Тип поверхности охлаждения ТП-36
Парметры, мм				Теплоотдача		Сопротивление
dг.в.	ψ	S1	S2	CT	n	Cг	m
3,52	6,82	14,4	13,7	1,17	0,33	12,2	1,48

Размер поперченного сечения единичного жидкостного канала dж=0,011 м.

Число жидкостных каналов сердцевины радиатора:

.

Площадь охлаждения с жидкостной стороны:

 м².

Площадь охлаждения с воздушной стороны:

 м².

Зададимся числом трубок в сердцевине z=2…5=3.

Количество трубок в одном ряде: при шахматном расположении при нечетном числе рядов в первом ряде

.

Ширина сердцевины радиатора:

 м.

Глубина радиатора:

м.

Площадь фронтовой поверхности:

 м².

Коэффициент объемной компактности:

 м²/ м³.

Зададимся следующими значениями:

скорость течения воздуха на входе в радиатор wв=6…18=10,2 м/с;

давление воздуха перед радиатором Па;

температура воздуха на входе в радиатор tв.вх=40 ˚С.

Расход воздуха через радиатор (кг/с):

Подогрев воздуха в радиаторе:

˚С;

Средняя температура: ˚С;

Температура на выходе из радиатора: ˚С.

Числа Рейнольдса для жидкостного и воздушного потоков:

;

,

где =0,0000009 м²/с при tж.ср=95 ˚С, =0,0000196 м²/с при tв.ср=59,5 ˚С, а скорость воздуха  берем в наименьшем поперечном сечении сердцевины.

Средние числа Нуссельта жидкостного и воздушного потоков:

Для переходного режима течения:

;

где ; =1,1;

, где =0,417 Вт/м·К

,

где СТ = 1,17 - эмпирический коэффициент.

Средние значения коэффициентов теплоотдачи:

 Вт/м²·К;

 Вт/м²·К,

где =0,419 Вт/м·К при tж.ср=95 ˚С, =0,0278 Вт/м·К при tв.ср=59,5 ˚С.

Определим коэффициент теплопередачи от потока жидкости воздушному потоку. Ввиду тонкой стенки трубок сердцевины и большого коэффициента теплопроводности материала трубок термическим сопротивлением стенки можно пренебречь:

 Вт/м²·К.

Средний логарифмический температурный напор:

где R и P-вспомогательные величины:

 ;

;

,

где =0,595 - коэффициент противоточности теплообменника при однократном перекрестном токе.

Количество тепла, которое рассеивается в идеальном случае спроектированным радиатором:

 Вт.

Погрешность расчета:

.

Погрешность находится в пределах допустимой, следовательно расчет можно считать законченным.

Гидравлическое сопротивление воздушного тракта радиатора:

,

где =1,17-эмпирический коэффициент.

Потери полного давления в воздушном тракте радиатора:

Па

Давление воздуха за радиатором, если пренебречь его тепловым сопротивлением:

Па

9.2 Расчет центробежного насоса

Геометрия насоса рассчитывается при определенных подаче Qн, напоре Hн и частоте вращения n. Расчет осуществляется при требовании минимальных гидравлических потерь. Этот режим называется расчетным.

Исходные данные:

- подача насоса м³/с,

где кг/с, а ρ_ж=959б7 кг/м³ при ˚С

напор насоса Дж/кг,

где ρ =1013 кг/м³- плотность воды при t =20˚С, Δpр.к.=37739 Па - потери полного давления в радиаторном контуре.

- частота вращения 1/с

Коэффициент быстроходности:

рассчитываемый насос считается нормальным.

Объемный КПД:

.

Приведенный диаметр на входе:

м.

Гидравлический кпд насоса:

.

Механический кпд .

Общий кпд насоса: .

Мощность, потребляемая насосом, и крутящий момент:

Вт.

Н·м.

=357б1 Вт составляет 0,22% от N_e.

Диаметр вала насоса:

 м,

где =(1,22,0)· Па=1,2·Па- допускаемое напряжение кручения для вала из материала типа Х18Н9Т и 1Х17Н2.

По конструктивным соображениям увеличим диаметр вала насоса: =0,006 м

Размеры втулки:

диаметр втулки м;

длина втулки м.

Наружный диаметр входа в колесо:

м.

Принимаем .

Скорость жидкости перед рабочим колесом при отсутствии закрутки на входе ():

м/c.

Скорость жидкости на входе в рабочее колесо:

 м/c,

где =0,85-коэффициент стеснения.

Окружная скорость на входе в межлопаточные каналы:

 м/с.

Входной угол потока жидкости:

, °.

Входной угол установки лопатки:

°, где i=312=3° - угол атаки.

Ширина лопатки на входе в колесо:

м.

Теоретический напор:

Дж/кг.

Окружная скорость на выходе из колеса:

м/с,

где .

Диаметр колеса на выходе:

м.

Зададимся углом °С.

Число лопаток:

,

где .

Вычислим теоретический напор для схемы с бесконечным числом лопаток:

;

;

Дж/кг.

Принимаем  и уточняем скорость (м/с):

Уточняем : м.

Ширина лопатки на выходе из колеса (полагая ):

м,

где =0,90,95=0,92 - коэффициент стеснения лопатками на выходе из колеса.

Определим геометрические размеры отводящего устройства. Для отвода жидкости из насоса применим спиральный отвод (улитку), заканчивающийся коническим диффузором. Для расчета спирального отвода используем метод, основанный на предположении постоянной скорости в нем.

Примем скорость в спиральном отводе м/с, где м/с.

Расходы жидкости, проходящие через наперед заданные (под углом φ от начального сечения) радиальные сечения отвода, равны расходам жидкости, вытекающим из колеса в пределах соответствующих дуг, расположенных на диаметре . Следовательно:

, м³/с.

Площади Fi, определенные углом  поперечных (радиальных) сечений отвода, определяются как:

, м².

Таблица 10.2

φi , º		0		30	60		90		120		150		180
Qi , м³/с		0,00000		0,00058	0,00116		0,00174		0,00232		0,00290		0,00348
Fi , м²		0,00000		0,00030	0,00059		0,00089		0,00118		0,00148		0,00178
φi , º	210		240			270		300		330		360
Qi , м³/с	0,00405		0,00463			0,00521		0,00579		0,00637		0,00695
Fi , м²	0,00207		0,00236			0,00266		0,00295		0,00325		0,00355

Площадь поперечного сечения на выходе отвода:

м².

Определим размеры поперечного сечения улитки: начало спиральной улитки расположим на диаметре м; ширина входа в отвод м.

Скорость жидкости на выходе из диффузора:

1,96^.0,0035/0,0036=1,9 м/с,

где F_вых - площадь на выходе = 0,0036 м².

Так как насос выполнен по нестандартной схеме и имеет 7 отводящих каналов для каждого из цилиндров, то площадь поперечного сечения на выходе F_вых необходимо разделить на 7 равных по площади частей.

9.3 Расчет осевого вентилятора

Исходные данные: - производительность насоса. При установке вентилятора за радиатором величину Qв определяют с учетом увеличения объемного расхода за счет подогрева воздуха в радиаторе (в связи с изменением плотности):

где м/с - скорость воздуха перед радиатором;

Fфр = 0,332 м² - площадь фронтовой поверхности;

kЦ = 1,12 - коэффициент, учитывающий рециркуляцию воздуха как перед радиатором, так и за ним;

pВ.ВХ = pН = 101300 Па - давление воздуха перед радиатором;

ΔpР.В = 0,12354 Па - гидравлическое сопротивление радиатора по воздушной стороне;

ΔtВ = 38 К - подогрев воздуха в радиаторе;

TВ.ВХ = 351 К - температура воздуха перед радиатором.

Напор вентилятора HВ определим по результатам расчета

Для обдува радиатора двигателя внутреннего сгорания часто используется осевой вентилятор, который представляет рабочее колесо, состоящее из консольно-закрепленных на втулке лопастей. Втулка крепится на валу, крутящий момент к которому подводится обычно от коленчатого вала двигателя, либо имеет свой электромотор для непосредственного привода.

В осевом вентиляторе воздух движется по цилиндрическим поверхностям, соосным с валом вентилятора. При течении воздуха через вращающееся колесо на лицевой и тыльной стороне лопаток появляется разница давлений, а, следовательно, и поперечная аэродинамическая сила, приложенная к лопаткам со стороны потока воздуха. Для преодоления момента этой силы к вентилятору требуется подвести момент противоположного направления, то есть затратить определенную работу.

По данным расчета жидкостного радиатора

массовый расход воздуха, подаваемый вентилятором - GВ = 3,82 кг/с;

средняя температура TВ.СР = 332,65 К;

напор, создаваемый вентилятором ΔpТР = 900 Па, принимается по рекомендациям [2].

Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе

 ;

Производительность вентилятора

Диаметр вентилятора

 = 0,576 м.

где B и H габариты радиатора.

Окружная скорость вентилятора

,

где ψл = 2,9 - безразмерный коэффициент для криволинейных лопастей

Уточненная окружная скорость:

Частота вращения вентилятора

Мощность, затрачиваемая на привод осевого вентилятора

,

где ηВ = 0,65 - КПД литого вентилятора.

10. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЯ СО СПРОЕКТИРОВАННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Исходные данные:

- Масса загруженного автомобиля

База автомобиля

Высота автомобиля

Ширина автомобиля

Шины 295/80 R22,5;

Передаточные числа трансмиссии:

          - первой передачи

          - второй передачи

          - третьей передачи

          - четвертой передачи

- пятой передачи

          - главной передачи

Коэффициент аэродинамического сопротивления

Максимальная мощность N_max = 167 кВт при n_N = 2300 об/мин;

10.1 Силовой баланс автомобиля

Уравнение силового баланса является формой записи уравнения движения автомобиля. Оно связывает тяговую силу на ведущих колесах с силами сопротивления движению:

,

где P_т - тяговая сила;

P_к - сила сопротивления качению;

P_п - сила сопротивления подъему;

P_в -сила сопротивления воздуха;

P_и - приведенная сила инерции;

P_д =P_к +P_п - сила сопротивления дороги.

Для удобства решения и графического представления уравнение силового баланса может быть записано с использованием свободной силы тяги

;

Скорость автомобиля в зависимости от частоты вращения коленчатого вала:

,

где r_к - радиус колеса.

 - передаточное число трансмиссии;

u_к - передаточное число коробки передач;

u_г - передаточное число главной передачи.

Радиус колеса для грузового автомобиля принимаем r =0,493 м.

Сила тяги представляет отношение тягового момента, проводимого при равномерном движении к полуосям ведущих колес, к радиусу ведущих колес:

;

Сила сопротивления воздуха при установившемся движении:

где с_х - коэффициент аэродинамического сопротивления;

F - площадь лобового сопротивления, вычисляем для данного автомобиля по формуле: ;

ρ_в - плотность воздуха (принимается равной 1,225 кг/м³);

 - относительная скорость автомобиля при наличии встречного ветра; v_в =0 м/с - скорость ветра.

Свободная сила тяги:

Вычисляем силу сопротивления дороги при равномерном движении:

где  - вес автомобиля, α - угол продольного наклона дороги;

Коэффициент сопротивления качению -  ().

Величина f₀ зависит от типа и состояния дороги. Для рассматриваемого участка с асфальтовым покрытием примем f₀ = 0,012.

Зависимость  наносим на график тяговой характеристики.

Сила тяги по сцеплению:

,

где а=0,7 ^.L=3570 мм - расстояние от передней оси до центра масс;

h = 1300 мм - высота центра масс.

Величина свободной силы тяги:

 

Р_св.сц = Р_т.сц - Р_в = 129492 - 12,96=129479,04 Н.

Производим расчет по вышеприведенным формулам для режимов работы двигателя на различных оборотах и сводим результаты в таблицу 11.1.

Таблица 11.1

n, об/мин	800	1100	1250	1600	2100	2300
1передача
v, м/с	1,901	2,6	3,3	4,3	5,0	5,5
Рт, Н	30725	33567,4	32439,9	28860,5	26155,8	24459,1
Pв, Н	13	24,5	39,7	65,6	89,3	107,1
Pсв, Н	30712	33542,9	32400,2	28794,9	26066,6	24352,1
Pт.сц, Н	129492	129492	129492	129492	129492	129492
Pcв.сц, Н	129479	129467,5	129452,3	129426,4	129402,7	129384,9
Pд, Н	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3
2передача
v, м/с	2,641	3,631	4,621	5,941	6,932	7,592
Рт, Н	22119,6	24165,9	23354,2	20777,3	18830,2	17608,7
Pв, Н	25	47,26	76,55	126,54	172,24	206,61
Pсв, Н	22094,6	24118,7	23277,6	20650,7	18657,9	17402,1
Pт.сц, Н	129492	129492	129492	129492	129492	129492
Pcв.сц, Н	129467	129444,7	129415,4	129365,5	129319,8	129285,4
Pд, Н	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3
3передача
v, м/с	4,7	6,4	8,2	10,5	12,3	13,4
Рт, Н	12516,1	13674,0	13214,6	11756,5	10654,8	9963,6
Pв, Н	78,1	147,6	239,1	395,2	538,0	645,3
Pсв, Н	12438	13526,4	12975,5	11361,3	10116,8	9318,3
Pт.сц, Н	129492	129492	129492	129492	129492	129492
Pcв.сц, Н	129413,9	129344,4	129252,9	129096,8	128954	128846,7
Pд, Н	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3
4передача
v, м/с	7,4	10,2	13,0	16,7	19,5	21,3
Рт, Н	7871,7	8600,0	8311,1	7394,1	6701,1	6266,4
Pв, Н	197,4	373,2	604,5	999,2	1360,0	1631,4
Pсв, Н	7674,4	8226,8	7706,6	6394,8	5341,1	4635,0
Pт.сц, Н	129492	129492,0	129492,0	129492,0	129492,0	129492,0
Pcв.сц, Н	129294,6	129118,8	128887,5	128492,8	128132,0	127860,6
Pд, Н	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3	3237,3
5передача
v, м/с	9,8	13,4	17,1	22,0	25,6	28,1
Рт, Н	5982,5	6536,0	6316,4	5619,5	5092,9	4762,5
Pв, Н	341,7	646,1	1046,5	1729,9	2354,6	2824,5
Pсв, Н	6148,5	5889,9	5269,9	3889,5	2738,2	1938,0
Pт.сц, Н	129492,0	129492,0	129492,0	129492,0	129492,0	129492,0
Pcв.сц, Н	129150,3	128845,9	128445,5	127762,1	127137,4	126667,5
Pд, Н	3237,3	3441,5	3568,1	3784,1	3981,5	4130,0

Рис. 11.1 Силовой баланс автомобиля

11.2 Динамическая характеристика автомобиля

Динамической характеристикой автомобиля называется зависимость динамического фактора от скорости движения автомобиля.

Определяем динамический фактор по условию равномерного движения на данной дороге:

где ψ - коэффициент сопротивления дороги.

Определяем динамический фактор по сцеплению:

Вычисленная зависимость наносится на график динамической характеристики.

Таблица 11.2

	n, об/мин	800	1100	1250	1600	2100	2300
I передача	Dа1	0,19	0,207	0,2	0,178	0,161	0,15
II передача	Dа2	0,137	0,149	0,144	0,128	0,115	0,108
III передача	Dа3	0,077	0,084	0,08	0,07	0,063	0,058
IV передача	Dа4	0,047	0,051	0,048	0,04	0,029
V передача	Dа5	0,038	0,036	0,033	0,024	0,017	0,012

Рис. 11.2 Динамическая характеристика автомобиля

.3 Мощностной баланс автомобиля

Для определения тягово-скоростных свойств автомобиля можно пользоваться графиком мощностного баланса, являющимся графическим представлением уравнения мощностного баланса:

 

N_т=N_д+N_в + N_и,

где N_т = N_eтp - тяговая мощность;

N_д= N_к + N_п - мощность, потребная для преодоления сопротивления дороги;

N_к = Р_к^. v - мощность, потребная для преодоления сопротивления качению;

N_п = P_п^. v- мощность, потребная для преодоления сопротивления подъему;

N_в = Р_в^. v - мощность, потребная для преодоления сопротивления воздуха;

N_и = Р_и^. v - мощность, потребная для преодоления сопротивления разгона.

Зависимость N_т =f(v) определяется таким же образом, как тяговую характеристику автомобиля. КПД трансмиссии в общем случае зависит от скорости автомобиля и используемой ступени коробки передач. По результатам расчета следует построить кривые зависимости N_e =f(v) и N_т= f(v) для всех ступеней коробки передач.

Совокупность этих кривых является мощностной характеристикой автомобиля. Мощности, потребные для преодоления сопротивления дороги и воздуха, также вычисляются и зависимость N_д =f(v) наносится на график мощностной характеристики автомобиля. Вверх от этой кривой откладываются значения N_в=f(v) при соответствующих скоростях движения или от оси абсцисс откладывается величина (N_д + N_в) =f(v). Результатом построения является график мощностного баланса.

Абсцисса точек пересечения кривых N_т и (N_д + N_в) определяет максимальную скорость равномерного движения автомобиля в заданных условиях. Ее следует отметить на графике.

Таблица 11.3

n, об/мин	800	1100	1250	1600	2100	2300
1 передача
v, м/с	1,9	2,6	3,3	4,3	5	5,5
Nт,Вт	58409,3	87742,6	107921,2	123445,6	130523,3	133680,8
Nдор,Вт	6154,2	8462,1	10769,9	13847	16154,8	17693,4
Nвоз,Вт	24,6	64	132	280,5	445,5	585,3
Nи,Вт	52230,5	79216,6	97019,4	109318,2	113923,1	115402,3
2 передача
v, м/с	2,6	3,6	4,6	5,9	6,9	7,6
Nт,Вт	58409,3	87742,6	107921,2	123445,6	130523,3	133680,8
Nдор,Вт	8548,5	11754,1	14959,8	19234	22439,7	24576,8
Nвоз,Вт	66,0	171,6	353,8	751,9	1193,9	1568,5
Nи,Вт	49794,9	75817	92607,7	103459,9	106889,8	107535,6
3 передача
v, м/с	4,7	6,4	8,2	10,5	12,3	13,4
Nт,Вт	58409,3	87742,6	107921,2	123445,6	130523,3	133680,8
Nдор,Вт	15107,6	20773	26438,4	33992,2	39657,6	43434,5
Nвоз,Вт	364,3	947,2	1952,7	4150,1	6590,2	8658,1
Nи,Вт	42937,3	66022,6	79530,3	85303,4	84275,6	81588,3
4 передача
v, м/с	7,4	10,2	13,0	16,7	19,5	21,3
Nт,Вт	58409,3	87742,6	107921,2	123445,6	130523,3	133680,8
Nдор,Вт	24021,2	33029,1	42037,0	54047,6	63055,5	69060,8
Nвоз,Вт	1464,5	3807,2	7849,0	16682,1	26490,5	34803
Nи,Вт	32923,6	50906,4	58035,2	52716	40977,3	29817,1
5 передача
v, м/с	9,8	13,4	17,1	22	25,6	28,1
Nт,Вт	65710,4	87742,6	107921,2	123445,6	130523,3	133680,8
Nдор,Вт	31606,8	46200,6	60963,3	83126,6	102041,3	115928,1
Nвоз,Вт	3336,3	8673	17880,4	38002,3	60346,2	79282,2
Nи,Вт	28422,8	32869,1	29077,6	2316,9	-31864,2	-61529,4

Рис. 11.3 Мощностной баланс автомобиля

Приемистость автомобиля

Приемистость оценивается максимально возможным ускорением, временем и путем разгона. Пользуясь результатами расчета динамической характеристики, можно определить зависимость ускорения автомобиля от скорости движения при разгоне, происходящем при полной подаче топлива в двигатель. При этом полагаем, что динамическая и статическая внешние скоростные характеристики совпадают.

Ускорение вычисляется по выражению, полученному из уравнения движения:

в котором коэффициент δ_вр учета вращающихся масс принимаем:

 

δ_вр1=1,94; δ_вр2=1,35; δ_вр3=1,14; δ_вр4=1,08; δ_вр5=1,06;

Рассматриваем разгон из статического положения до максимально возможной скорости при последовательном включении ступеней коробки передач, начиная с первой. Для определения времени разгона автомобиля на графике ускорений весь диапазон изменения скорости от v_min до v_max разбиваем на участки. Считаем, что движение начинается при v_min. Сначала вычисляем среднее ускорение автомобиля на этих участках

,

где j_н - ускорение в начале, а j_к - в конце i-го участка.

Затем вычисляем время разгона автомобиля при изменении скорости от v_н в начале i-го участка до v_к в конце i-го участка:

Полное время разгона автомобиля до скорости v_max рассчитывается как

,

где второй член правой части уравнения определяет время, затраченное на переключение передач; n - число ступеней коробки передач (берем 5 передач, так как максимальная скорость достигается на 5ой передаче); τ_п - время переключения передач, выбираем равным 1,5 секунды.

За время переключения передач автомобиль движется накатом. Падение скорости при этом можно определить как

,

где коэффициент учета вращающихся масс при движении накатом - .

Далее определяем путь, пройденный при разгоне.

Путь разгона при изменении скорости на каждом участке разбиения от v_нi до v_кi вычисляется как:

Полный путь разгона находится как:

,

где S_пj - путь, пройденный автомобилем за время переключения передач.

Таблица 11.4

1передача	800	1100	1250	1600	2100	2300
v, м/с	1,901	2,614	3,327	4,277	4,990	5,465
j, м/с2	0,856	0,944	0,908	0,796	0,711	0,658
jсред. , м/с2	0,428	0,939	0,92	0,826	0,724	0,685
Δt, с	4,444	0,253	0,387	0,575	0,328	0,694
ΔS, м	4,224	0,331	0,644	1,230	0,818	1,897
2передача	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
v, м/с	3,631	4,126	4,621	5,281	5,941	6,602	6,932	7,592
j, м/с2	0,934	0,922	0,896	0,842	0,779	0,718	0,69	0,634
jсред. , м/с2	0,928	0,909	0,869	0,811	0,749	0,704	0,662	-
Δt, с	0,534	0,545	0,76	0,814	0,882	0,469	0,997	-
ΔS, м	2,07	2,382	3,761	4,57	5,531	3,172	7,238	-
3передача	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
v, м/с	5,833	6,417	7,292	8,167	9,333	11,667	12,250
j, м/с2	0,542	0,547	0,538	0,519	0,48	0,434	0,389	0,369
jсред. , м/с2	0,545	0,543	0,528	0,499	0,457	0,412	0,379	-
Δt, с	1,071	1,613	1,656	2,337	2,554	2,833	1,538	-
ΔS, м	6,558	11,053	12,803	20,450	25,325	31,402	18,396	-
4передача	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
v, м/с	10,203	11,594	12,985	14,840	16,695	18,550	19,478	21,333
j, м/с2	0,283	0,272	0,255	0,208	0,166	0,124	0,103	0,061
jсред. , м/с2	0,277	0,264	0,232	0,187	0,145	0,114	0,082	-
Δt, с	5,016	5,278	8,009	9,902	12,771	8,154	22,565	-
ΔS, м	54,661	64,863	111,429	156,139	225,059	155,036	460,443	-
5передача	1100	1250	1400	1600	1800	2000	2100	2300
v, м/с	-	17,086	19,527	21,967	24,408	25,629	28,070	28,070
j, м/с2	-	0,104	0,064	0,018	-0,030	-0,054	-0,105	-0,105
jсред. , м/с2	-	0,084	0,041	-0,006	-0,042	-0,079	-0,105	-
Δt, с	-	28,911	59,019	-422,679	-29,061	-30,714	0,000	-
ΔS, м	-	529,253	1224,479	-9801,01	-727,070	-824,657	0,000	-

Рис. 11.4 Приемистость автомобиля

Вывод: максимальной скорости 93 км/ч автомобиль достигнет за 130 секунды.

11. ТЕХНОЛОГИЯ

Назначение детали и условие ее работы

Клапан впускной устанавливается на двигателях внутреннего сгорания. Является неотъемлемой частью газораспределительного механизма двигателя. Имеет рабочую фаску, которой плотно садится в седло клапана, обеспечивая герметичность камеры сгорания. Клапан крепится при помощи двух сухариков, которые устанавливаются в опорной тарелке пружин. Материал впускного клапана 40Х10С2М.

твердость НB = 252 … 378

химический состав С = 0,40 %; Cr =0,10

масса детали 0,115 кг;

Точность сборки детали обеспечивается при установке ее в узел и доработки размеров, путем притирания рабочей фаски, по которой она устанавливается.

Анализ технологичности детали

При производстве детали «клапан» имеют место унифицированные элементы и параметры детали: фаска, большинство диаметральных размеров.

Наличие унифицированных элементов и параметров детали сокращают потребную номенклатуру режущего инструмента и измерительного инструмента.

Деталь имеет достаточную точность и наличие поверхностей удовлетворяющих требованиям достаточной точности для возможного удобного закрепления детали. При контроле применяют стандартные мерительные инструменты.

Процесс ее изготовления состоит из 10 различных операций.

Все размеры детали стандартизированы в соответствии с нормальным рядом чисел, допустимые отклонения назначены по ГОСТам.

Клапан представляет собой тело вращения, что определяет широкое использование при изготовлении детали токарно-фрезерных центров - Index G200 или других. В детали предусмотрена фрезерно-центровальная операция, которая выполняется на фрезерно-центровальном станке EM535M.

Конфигурация детали в основном позволяет использовать стандартные станочные приспособления.

Обоснование разработанного технологического процесса обработки детали

Так как поверхность клапана, по которой деталь сажается в седло клапана, должна быть точной, то обработку поверхности завершаем шлифованием. Обработка поверхности стержня клапана заканчивается тонким шлифованием, для уменьшения трения между стержнем и направляющей втулкой клапана и более точной центровки.

В технологическом процессе следует стараться совместить исходные, установочные и измерительные базы, но это удается не всегда. Установочная база - самая важная из всех, поэтому она должна обеспечить хорошую устойчивость детали на установочных элементах и простоту закрепления детали. Характер технологического процесса в значительной мере зависит от типа производства деталей.

Методика установления типа производства основана на расчетном определении коэффициента стойкости.

     

где     А - количество деталь-операций в производственной группе

А_i - число технологических операций по обработке i-ой детали

n - число деталей обрабатываемых в производственной группе

С - количество рабочих мест в производственной группе.

Установим тип производства в зависимости от количества деталей - среднесерийное производство. Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготовляемых или ремонтируемых периодически повторяющимися партиями и сравнительно большим объемом выпуска. В зависимости от количества изделий или серий и значения коэффициента закрепления операций различают мелкосерийное и крупносерийное производство. Коэффициент закрепления операций определяется отношением числа всех технологических операций, выполняемых или подлежащих выполнению в течение месяца к числу рабочих мест.

Серийное производство является основным типом современного машиностроительного производства и предприятиями этого типа выпускается 65-70% всей продукции машиностроительного производства. По всем технологическим и производственным характеристикам серийное производство занимает промежуточное положение между единичным и массовым производством.

Выбор режущего инструмента

При выборе режущего инструмента необходимо учитывать условия достижения заданной шероховатости поверхности и ее физико-механических показателей качества, снижения машинного времени и стоимости обработки.

Важным фактором, влияющим на уровень режима резания, является материал режущей части инструмента. В данном проекте рассматривается обработка заготовки из жаропрочной высоколегированной стали 40Х10С2М.

Для черновых операций рекомендуется назначать твердосплавной инструмент, который позволяет повысить режимы резания в 2-3 раза по сравнению с инструментами из быстрорежущей стали.

Выбор оборудования

Выбор модели станка, прежде всего, определяется его возможностью обеспечить точность размеров и формы, а также качество поверхности изготовляемой детали. Если эти требования можно обеспечить обработкой на различных станках, определенную модель выбирают из следующих соображений:

1. Соответствие основных размеров станка габаритам обрабатываемых деталей, устанавливаемых по принятой схеме обработки.

2. Мощность станка должна быть достаточной для выполнения операций и не превышать потребную более, чем на 25%. Расчет мощности выполнения операции и сравнение ее со станочной.

3. Выбранная модель станка должна обеспечить заданные требования по точности, качеству и производительности обработки.

4. Соответствие станка по производительности заданному масштабу производства.

5. Возможность работы на оптимальных режимах резания.

6. Возможность механизации и автоматизации выполняемой обработки.

7. Наименьшая себестоимость обработки.

8. Реальная возможность приобретения станка.

Для операции 005 подобран фрезерно-центровальный станок EM535M

Технические характеристики фрезерно-центровального станка EM535M

Наименование показателей	Показатели
Размеры заготовки (длина x диаметр), мм	16-100x1000
Диаметр и глубина сверления	3,15-12/160
Поворот фрезерной головки в градусах	45
Число оборотов шпинделя в минуту	264 - 522
Продольных и поперечных подач, мм/мин	25 - 1250
Мощность главного электродвигателя, кВт	9
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота	3200 2160 2400

Для операций 010, 015, 035 подобран токарный станок Index G200

Технические характеристики токарного станка Index G200

Наименование показателейПоказатели
Наибольший диаметр обрабатываемой детали, мм:	420
Пропускное отверстие шпинделя, мм:	42
Путь перемещения суппорта - Рев. 1(X/Z) мм: - Рев. 1(X/Z) мм	120/400 105/400
Геометрия режущего инструмента - задний угол, α º: - передний угол, γ º: - радиус при вершине, мм: - величина фаски, мм: - главный угол в плане, φ º:	12 15 1 0,2 60
Число оборотов шпинделя в минуту	12,5 - 1600
Число ступеней оборотов шпинделя	30
Подача суппорта в мм/об: продольная поперечная	0,05 - 2,8 0,025 - 1,4
Мощность главного электродвигателя, кВт	10

Для операций 025, 030 подобран круглошлифовальный станок 3C120B

Технические характеристики круглошлифовального станка 3C120B

Наименование показателейПоказатели
Расстояние между центрами, мм	400мм
Высота цетров, мм	135
Диаметр заготовки, мм	125
Длина заготовки, мм	400
Масса заготовки, кг	8/15
Наружный диаметр шлифовального круга, мм	350
Внутренний диаметр шлифованного круга, мм	127
Высота шлифованного круга, мм	40
Окружная скорость шлифованного круга, м/с	35
Диапазон оборотов, об/мин	40-500
Мощность главного привода, кВт	3
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота	2020 2100 1600
Масса, кг	3000

Расчет размерных цепей

Расчет линейных размеров

 

Из размерной цепи №6:

;

- взяты из рабочего чертежа детали;

 ТА=0,09; Зададим в «тело»;

; ;

По номинальному значению назначаем допуск по ГОСТ25346-89 в соответствующую сторону [20]:

Из размерной цепи №5:

;

;

 ТА=0,46;

; ;

Из размерной цепи №3:

;

;

 ТА=0,20;

;;

Из размерной цепи №7:

;

;

 ТА=0,08;

; ;

Из раз мерной цепи №4:

;

;

;

;

; TA=0,20;

Из размерной цепи №2:

;

;

;

 ТА=0,46;

; ;

Из размерной цепи №1:

;

 ТА=0,46;

;;

Расчет диаметральных размеров

Здесь D_i - операционные размеры; D_Hi - размеры заготовки; а_i - припуск на радиус соответствующего размера. Значения припуска берутся согласно примечания. Методика расчёта диаметральных размеров аналогична линейным.

Из размерной цепи №6:

;

Из размерной цепи №5:

;

Из размерной цепи №4:

;

Из размерной цепи №3:

;

Из размерной цепи №2:

;

Из размерной цепи №1:

;

Применяя метод размерных цепей, мы получили больший коэффициент использования материала чем при помощи метода РТМ. Наш метод является более экономичным.

Расчет режимов резание

Режимы резания конструкционных материалов определяют точность и качество обработанной поверхности заготовки, а также производительность и себестоимость обработки.

Режим резания определяется совокупностью значений глубины резания t ( либо ширины фрезерования В ), подачей на оборот So, скоростью резания V при заданной величине стойкости инструмента Т. В порядке возрастания влияния элементов режима резания на стойкость инструмента они располагаются следующим образом: t, Sо, V. Поэтому для одноинструмельтальной обработки при расчете режимов резания, в первую очередь, назначают глубину резания, а затем подачу и скорость резания. Элементы режима резания определяют силы резания, значения которых используются для прочностных расчетов режущего инструмента, станочных приспособлений и металлорежущего оборудования. Значения сил резания Рx, Py, Pz используются также при расчете эффективной мощности резания Ne при проверке соответствия выбранного для данной операции станка по мощности. К элементам процесса резания относиться также основное время, т.е. время, затрачиваемое непосредственно на изменение формы и размеров заготовки. Значения t, So, V, заносятся в соответствующие графы операционной карты механической обработки, совокупность которых и составляет технологический процесс обработки данной детали.

Методы расчета режимов резания

Существуют различные методы расчета режимов резания, которым присущи свои достоинства и недостатки.

. Нормативный (табличный) метод - режимы резания с учетом условий обработки выбирается по соответствующим нормативам из технологических справочников.

Достоинством метода является простота и развитая база данных, недостатком - приближенность и неоптимальность результатов.

. Аналитический метод - режимы резания рассчитываются по степенным зависимостям. Недостатком является большая трудоемкость расчетов, неуниверсальность аналитических зависимостей, их отсутствие для ряда видов обработки и диапазон значений элементов режимов резания.

. Автоматизированный расчет режима резания на базе ПЭВМ - в данном случае ПВЭМ работает в режиме автоматизированного справочника с кодированной нормативной базой данных.Достоинством метода является быстродействие и практически неограниченное наращивание базы данных, недостатком - приближенность и неоптимальность результатов.

В данной работе расчет режимов резания выполняется по первому методу, с использованием справочных данных.

Режимы резания

ОП. 005 Фрезерная IT12 Ra 12,5

Заготовка - штамповка. Материал сталь 40Х10С2М по ГОСТ 19807-91. Термическая обработка - нормализация и закалка до 252…378 НВ. s_в=950-1100 МПа.

Глубина фрезерования: t = 2 мм

Согласно [20] для наших условий фрезерования рекомендуется следующая подача S_zп = 0,22 мм/зуб.

Выбор Сож-5% рвствор эмульсола Аквол-10М.

Выполним корректировку выбранной подачи.

Значение поправочных коэффициентов на подачу

K_Szc = 1 - коэффициент, учитывающий шифр схемы фрезерования

K_Szи = 0,85 - коэффициент, учитывающий материал фрезы

K_SzR = 0,5 - коэффициент, учитывающий шероховатость обрабатываемой поверхности

K_Szф = 0,57 - коэффициент, учитывающий форму обрабатываемой поверхности

Поправочный коэффициент

K_Sz = K_Szc ∙ K_Szи ∙ K_SzR ∙ K_Szф = 1 ∙ 0,85 ∙ 0,5 ∙ 0,57 = 0,24225

Скорректированная подача: S_z = S_zм ∙ K_Sz = 0,22 ∙ 0,24225 = 0,053 мм/зуб

Согласно [20] выберем рекомендуемую скорость резания для наших условий фрезерования: V_м = 42 м/мин

Выполним корректировку V_м согласно конкретным условиям.

Значения поправочных коэффициентов на скорость:

K_VM = 0,8 - коэффициент, учитывающий марку обрабатываемого материала

K_Vи = 1,1 - коэффициент, учитывающий материал инструмента

K_Vп = 1,0 - коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

K_Vс = 1.0 - коэффициент, учитывающий шифр типовой схемы

K_Vф = 1.05 - коэффициент, учитывающий форму обрабатываемой поверхности

K_V0 = 1.0 - коэффициент, учитывающий условия обработки

K_Vв = 1,0 - коэффициент, учитывающий отношения фактической ширины фрезерования к нормальной.

K_V = K_VM ∙ K_Vи ∙ K_Vп ∙ K_Vс ∙ K_Vф ∙ K_V0 ∙ K_Vв= 0,8 ∙ 1,1 ∙ 1,0 ∙ 1,0 ∙ 1.05 ∙ 1,0 ∙ 1,0 = 0,924

Скорректированная скорость резания V = V_м ∙ K_V = 42 ∙ 0,924 =38,8 м/мин

Частота вращения фрезы:

Рассчитаем фактическую скорость резания V_ф

м/мин

Рассчитаем силу резания P_z

, здесь z - число зубьев.

 кг

крутящий момент на шпинделе согласно формуле

 кг ∙ м

Мощность резания

 кВт < N_c

Основное время:

,

здесь L₁и L₂ величина врезания и перебега.

Основное время

где Т_в - вспомогательное время

Штучное время

 

ОП. 010 Токарная черновая. IT12 Ra 12,5

Анализ исходных данных:

. Заготовка - штамповка из жаропрочной высоколегированной стали 40Х10С2М. Материал группы X, твёрдость НВ 252…378.

. Выполняемые переходы.

Операция включает следующие переходы:

точение поверхности на диаметре D1 = 10,8мм, глубиной резания - 1 мм.

точение поверхности на диаметре D2 = 43,1 мм, глубиной резания - 1,7мм .

. Приспособление. Заготовка закрепляется в центрах и 3-х кулачковом патроне

. Оборудование.

В качестве оборудования выбран токарный станок Index G200

Выбор инструментального материала.

Для условий чернового точения стали 40Х10С2М, относящейся к группе X обрабатываемых материалов [20] рекомендуется твёрдый сплав Т15К6 для протачивания поверхности.

Выбор геометрии режущих инструментов.

1. Задний угол ;

. Передний угол ;

. Радиус при вершине ;

. Величина фаски .

Выбор смазочно-охлаждающей жидкости.

Согласно [20] для приведенных условий рекомендуется 5-10% раствор эмульсола Аквол-10М.

Назначение подач S.

Согласно [20] при Ra = 12,5мкм и r = 1мм - Sт1,2=0,6 мм/об.

Выполним корректировку выбранной подачи для конкретных условий обработки.

Значения поправочных коэффициентов для подачи выбираются согласно [20].

1) К_sи = 1,0 коэффициент, учитывающий материал инструмента

К_sп = 1,0 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

К_sж = 0,45 коэффициент, учитывающий жесткость системы

К_sм = 1,0 коэффициент, учитывающий материал обрабатываемой заготовки

К_sз = 0,8 коэффициент, учитывающий влияние закалки

К_sф = 1,0 коэффициент, учитывающий форму обрабатываемой поверхности

Полный поправочный коэффициент:

К_so = К_sи ∙ К_sп ∙ К_sж ∙ К_sм ∙ К_sз ∙ К_sф = 1,0 ∙ 1,0 ∙ 0,45 ∙ 1,0 ∙ 0,8 ∙ 1,0 = 0,36

) К_sи = 1,0 коэффициент, учитывающий материал инструмента

К_sп = 1,0 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

К_sж = 0,62 коэффициент, учитывающий жесткость системы

К_sм = 1,0 коэффициент, учитывающий материал обрабатываемой заготовки

К_sз = 0,8 коэффициент, учитывающий влияние закалки

К_sф = 1,0 коэффициент, учитывающий форму обрабатываемой поверхности

Полный поправочный коэффициент:

К_so = К_sи ∙ К_sп ∙ К_sж ∙ К_sм ∙ К_sз ∙ К_sф = 1,0 ∙ 1,0 ∙ 0,62 ∙ 1,0 ∙ 0,8 ∙ 1,0 = 0,496

Найдем значения скорректированных подач:

Sт1 = 0,36·0,6 = 0,216 = 0,22 мм/об.

Sт2 = 0,496·0,6 = 0,30 мм/об.

Выбор стойкости резания Т.

Согласно [20] при обработке материалов группы X твердосплавным инструментом, износ , период стойкости .

Назначение скорости резания V.

Согласно [20] для материалов группы X, скорость резания

Vт1 = 59 м/с; Vт2 = 54 м/с

Выполним корректировку согласно конкретным условиям обработки.

Поправочные коэффициенты  выбираем из [20] и находим полный поправочный коэффициент:

1)K₁ =1,0 коэффициент, учитывающий свойства материала заготовки

K₂ =1,9 коэффициент, учитывающий свойства материала инструмента

K₃ = 0,87 коэффициент, учитывающий влияние угла в плане

K₄ = 1,45 коэффициент, учитывающий вид обработки

K₅=0,35 коэффициент, учитывающий жесткость технологической системы

K₆=1,0 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

K₇= 1,0 коэффициент, учитывающий влияние СОЖ.

Полный поправочный коэффициент

К_v = K_Vм∙ K_Vи∙ K_Vγ∙ K_V5∙ K_Vж∙ K_Vп ∙ K_V0 = 1,0 ∙ 1,9 ∙ 0,87 ∙ 1,45 ∙0,35∙ 1,0 ∙1,0 = 0,839

) K₁ =1,0 коэффициент, учитывающий свойства материала заготовки

K₂ =1,9 коэффициент, учитывающий свойства материала инструмента

K₃ = 0,87 коэффициент, учитывающий влияние угла в плане

K₄ = 1,45 коэффициент, учитывающий вид обработки

K₅=0,53 коэффициент, учитывающий жесткость технологической системы

K₆=1,0 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

K₇= 1,0 коэффициент, учитывающий влияние СОЖ.

Полный поправочный коэффициент

К_v = K_Vм∙ K_Vи∙ K_Vγ∙ K_V5∙ K_Vж∙ K_Vп ∙ K_V0 = 1,0 ∙ 1,9 ∙ 0,87 ∙ 1,45 ∙0,53∙ 1,0 ∙1,0 = 1,27

Скорректированная скорость резания:

V1 = V_T1 ∙ K_V1 = 59 ∙ 0,839 = 49,5 м/мин;

V2 = V_T3 ∙ K_V3 = 54 ∙ 1,27 = 68,6 м/мин;

Расчет частоты вращения заготовки n.

Частота определяется по известной зависимости:

где - диаметр обрабатываемой поверхности заготовки.

Рассчитанное значение n должно быть скорректировано с .

Выполним расчет и корректировку частоты вращения:

;

 

принимаем для стандартного ряда частот;

Рассчитаем фактические скорости резания :

;

;

Расчет силы резания Pz.

Окружная составляющая силы резания определяется выражением:

;

Выбрав для наших условий значения постоянных, получим расчетную зависимость:

;

Поправочный коэффициент представляет собой произведение ряда коэффициентов, найдем их:

;

где K_φp = 0,89 - коэффициент, учитывающий влияние главного угла в плане на составляющую силы резания

K_γp = 1,0 - коэффициент, учитывающий влияние переднего угла на составляющую силы резания при обработке

K_λp = 1,0 - коэффициент, учитывающий влияние угла наклона главного лезвия на составляющую силы резания

K_rp = 1,0 - коэффициент, учитывающий влияние радиуса при вершине резца на составляющую силы резания при обработке

Полный поправочный коэффициент:

Pz1 = 204·1¹·0,22^0,75·3 ^1,0·0,89 = 174,97 кг

Pz2 = 204·1,7¹·0,3 ^0,75·3 ^1,0·0,89 = 375,35 кг

Расчет мощности резания Ne.

Выполняется для сравнения эффективной мощности резания с помощью станка Nст. Расчет выполняется по формуле:

;

Таким образом:

;

;

Расчет основного времени

где соответственно величины врезания и перебега резца, мм; L- длина обрабатываемой поверхности, мм.

;

Основное время

где Т_в - вспомогательное время

Штучное время

 

ОП. 015 Токарная чистовая IT11 Ra 6,3

Операция включает следующие переходы:

точение поверхности на диаметре D1 = 10,4мм, глубиной резания - 0,6 мм.

точение поверхности на диаметре D2 = 40,3 мм, глубиной резания - 1,2мм .

Деталь закрепляется в 3-х кулачковый патрон с упором в левый торец.

Согласно [20] при r = 1, для таких условий точения рекомендуется следующая табличная подача S₀ = 0,33 мм/об

Выберем корректировку выбранной подачи. Значения поправочных коэффициентов на подачу

. К_sи = 1,0 коэффициент, учитывающий материал инструмента

К_sп = 0,8 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

К_sж = 0,45 коэффициент, учитывающий жесткость системы

К_sм = 0,9 коэффициент, учитывающий материал обрабатываемой заготовки

К_sз = 1,0 коэффициент, учитывающий влияние закалки

К_sф = 1,0 коэффициент, учитывающий форму обрабатываемой поверхности

Полный поправочный коэффициент:

К_so1 = К_sи ∙ К_sп ∙ К_sж ∙ К_sм ∙ К_sз ∙ К_sф = 1 ∙ 0,8 ∙ 0,45 ∙ 0,9 ∙ 1,0 ∙ 1,0 = 0,324

. К_sи = 1,0 коэффициент, учитывающий материал инструмента

К_sп = 0,8 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

К_sж = 0,62 коэффициент, учитывающий жесткость системы

К_sм = 0,9 коэффициент, учитывающий материал обрабатываемой заготовки

К_sз = 1,0 коэффициент, учитывающий влияние закалки

К_sф = 1,0 коэффициент, учитывающий форму обрабатываемой поверхности

Полный поправочный коэффициент:

К_so2 = К_sи ∙ К_sп ∙ К_sж ∙ К_sм ∙ К_sз ∙ К_sф = 1 ∙ 0,8 ∙ 0,62 ∙ 0,9 ∙ 1,0 ∙ 1,0 = 0,446

Найдем значение скорректированной подачи:

S₁ = S₀ ∙ К_so1 = 0,33 ∙ 0,324 =0,10 мм/об.

S₂ = S₀ ∙ К_so2 = 0,33 ∙ 0,446 =0,147 мм/об.

Стойкость резцов: h_з=0,6 Т=60мин.

Согласно [20] и подачи S₁ = 0,10 мм/об; S₂ = 0,147 мм/об рекомендуется следующее значение скорости: V_Т1 = 87 м/мин; V_Т2 = 61 м/мин

Выполним корректировку V_T согласно конкретным условиям. Поправочные коэффициенты на скорость резания

. K₁ =1,0 коэффициент, учитывающий свойства материала заготовки

K₂ =1,9 коэффициент, учитывающий свойства материала инструмента

K₃ = 0,87 коэффициент, учитывающий влияние угла в плане

K₄ = 0,75 коэффициент, учитывающий вид обработки

K₅=0,3 коэффициент, учитывающий жесткость технологической системы

K₆=1,0 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

K₇= 1,0 коэффициент, учитывающий влияние СОЖ.

Полный поправочный коэффициент

К_v1 = K_Vм∙ K_Vи∙ K_Vγ∙ K_V5∙ K_Vж∙ K_Vп ∙ K_V0 = 1,0 ∙ 1,9 ∙ 0,87 ∙ 0,75 ∙ 0,3 ∙ 1,0 ∙1,0 = 0,372

2. K₁ =1,0 коэффициент, учитывающий свойства материала заготовки

K₂ =1,9 коэффициент, учитывающий свойства материала инструмента

K₃ = 0,87 коэффициент, учитывающий влияние угла в плане

K₄ = 0,75 коэффициент, учитывающий вид обработки

K₅=0,5 коэффициент, учитывающий жесткость технологической системы

K₆=1,0 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

K₇= 1,0 коэффициент, учитывающий влияние СОЖ.

Полный поправочный коэффициент

К_v2 = K_Vм∙ K_Vи∙ K_Vγ∙ K_V5∙ K_Vж∙ K_Vп ∙ K_V0 = 1,0 ∙ 1,9 ∙ 0,87 ∙ 0,75 ∙ 0,5 ∙ 1,0 ∙1,0 = 0,62

Скорректированная скорость резания:

V₁ = V_T1 ∙ K_V1 = 87 ∙ 0,372 =32,4м/мин

V₂ = V_T2 ∙ K_V2 = 61 ∙ 0,62 =37,82м/мин

Частота вращения заготовки:

 об/мин, выбираем стандартное значение nст =  1450 об/мин.

 об/мин, выбираем стандартное значение nст = 350 об/мин.

Рассчитаем фактическую скорость резания V_ф

м/мин

м/мин

Рассчитаем силу резания

P_z = Cp ∙ t^Xp ∙ S^Yp ∙ V^np ∙ K_p

K_φp = 0,89 - коэффициент, учитывающий влияние главного угла в плане на составляющую силы резания

K_γp = 1,0 - коэффициент, учитывающий влияние переднего угла на составляющую силы резания при обработке

K_λp = 1,0 - коэффициент, учитывающий влияние угла наклона главного лезвия на составляющую силы резания

K_rp = 1,0 - коэффициент, учитывающий влияние радиуса при вершине резца на составляющую силы резания при обработке

Полный поправочный коэффициент:

К_р = K_φp∙ K_γp∙ K_λp∙ K_rp = 0,89 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1 = 0,89

Ср = 300; Хр = 1; Yр = 0,75 γр=0

Тогда сила резания P_z:

P_z1 = 300 ∙ 0,6¹ ∙ 0,10^0,75 ∙ 0,89 = 28,48 кг

P_z2 = 300 ∙ 1,2¹ ∙ 0,147^0,75 ∙ 0,89 = 76,06 кг

Проведем расчет мощности резания для сравнения эффективной мощности резания N_c с мощностью N_cт.

Расчет выполним по формуле

 , кВт ≤ N_cт

Таким образом :

кВт < 10 кВт

кВт < 10 кВт

Расчет основного времени

где соответственно величины врезания и перебега резца, мм; L- длина обрабатываемой поверхности, мм.

;

Основное время

где Т_в - вспомогательное время

Штучное время

ОП. 030 Шлифовальная. IT7 Ra 0,63

Согласно [20] для операции шлифования закаленных материалов группы X рекомендуются круги со следующими характеристиками:

для чистового шлифования ПП 600·100·300-45А

Выбор Сож - 5 % раствор эмульсола Аквол-10М.

Производится шлифование на диаметре D = 10,1 мм, глубиной шлифования t =0,15 мм.

Выбор скорости вращения детали:

Согласно [20] рекомендуется Vд = 40 м/мин

Частота вращения детали:

об/мин.

Выбор скорости шлифовального круга.

С учетом [20] при шлифовании сталей группы X рекомендуется Vк = 30 м/с:

об/мин.

Выбор продольной подачи.

Согласно [20] Sпр = (0,05…0,1)B, где B - ширина круга;

Sпр = 0,08·100 = 8 мм.

Выбор поперечной подачи.

Согласно [20] при Dд < 20 мм, Vд < 26 м/мин и Sпр < 5,6 табличное значение поперечной подачи Sпп = 0,019 мм

Поправочные коэффициенты Кi на табличное значение подачи согласно [20]:

Кr = 1,0 - коэффициент, учитывающий радиус галтели детали;

КD = 1,0 - коэффициент, учитывающий радиус круга;

Кvk = 1,0 - коэффициент, учитывающий скорость круга;

Кт = 1,0 - коэффициент, учитывающий стойкость круга;

Км = 0,66 - коэффициент, учитывающий обрабатываемый материал;

К1т = 0,6 - коэффициент, учитывающий точность обработки детали;

Кh = 1,3 - коэффициент, учитывающий припуск на обработку.

Кsпп = Кr · КD · Кvk · Кт · Км · К1т · Кh = 1,0 · 1,1 · 1,0 · 1,0 · 0,66 · 0,6 · 1,3 =0,515.

Значение скорректированной подачи

Sпп = 0,017 · 0,515 = 0,0088 мм/об.

Расчет основного времени

где соответственно величины врезания и перебега резца, мм; L- длина обрабатываемой поверхности, мм. Согласно [20] =0,5*B=0,5*100=50

K=1,2…1,5 - коэффициент, учитывающий доводку и выхаживание. [20]

 = 355 - число двойных ходов.

Основное время

где Т_в - вспомогательное время

Штучное время

Расчет мощности Ne:

Согласно [20]:

=1,3; τ=0,75; x=0,85; y=0,7; q=0,2

 

ОП. 035 Шлифование тонкое. IT6 Ra 0,32

Согласно [20] для операции шлифования закаленных материалов группы X рекомендуются круги со следующими характеристиками:

для чистового шлифования ПП 600·100·300-45А

Выбор Сож - 5 % раствор эмульсола Аквол-10М.

Производится шлифование на диаметре D = 10 мм, глубиной шлифования t = 0,05 мм.

Выбор скорости вращения детали:

Согласно [20] рекомендуется V = 14 м/мин

Частота вращения детали:

об/мин.

Выбор скорости шлифовального круга.

С учетом [20] при шлифовании сталей группы X рекомендуется Vк = 30 м/с:

об/мин.

Выбор продольной подачи.

Согласно [20] Sпр = (0,05…0,1)B, где B - ширина круга;

Sпр = 0,05·100 = 5 мм.

Выбор поперечной подачи.

Согласно [20] при Dд < 20 мм, Vд < 26 м/мин и Sпр < 5,6 табличное значение поперечной подачи Sпп = 0,017 мм/ дв.х.

Поправочные коэффициенты Кi на табличное значение подачи согласно [20]:

Кr = 1,0 - коэффициент, учитывающий радиус галтели детали;

КD = 0,84 - коэффициент, учитывающий радиус круга;

Кvk = 1,0 - коэффициент, учитывающий скорость круга;

Кт = 1,0 - коэффициент, учитывающий стойкость круга;

Км = 0,66 - коэффициент, учитывающий обрабатываемый материал;

К1т = 0,6 - коэффициент, учитывающий точность обработки детали;

Кh = 1,16 - коэффициент, учитывающий припуск на обработку.

Кsпп = Кr · КD · Кvk · Кт · Км · К1т · Кh = 1,0 · 0,84 · 1,0 · 1,0 · 0,66 · 0,6 · 1,16=0,386.

Значение скорректированной подачи

Sпп = 0,017 · 0,386 = 0,007 мм/об.

Расчет основного времени

где соответственно величины врезания и перебега резца, мм; L- длина обрабатываемой поверхности, мм. Согласно [20] =0,5*B=0,5*100=50

K=1,2…1,5 - коэффициент, учитывающий доводку и выхаживание.

 = 355 - число двойных ходов.

Основное время

где Т_в - вспомогательное время

Штучное время

Расчет мощности Ne:

Согласно [20]:

=1,3; τ=0,75; x=0,85; y=0,7; q=0,2

 

ОП. 040 Токарная чистовая IT12 Ra 6,3

Операция включает следующие переходы:

отрезка бобышки на диаметре D = 12мм, глубиной резания - 3 мм.

Деталь закрепляется в 3-х кулачковый патрон с упором в правый торец.

Согласно табл. 29 стр 238 при R_a = 6,3, r = 1, для таких условий точения рекомендуется следующая табличная подача S₀ = 0,08 мм/об

Выберем корректировку выбранной подачи. Значения поправочных коэффициентов на подачу

К_sи = 1,0 коэффициент, учитывающий материал инструмента

К_sп = 1,0 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

К_sж = 0,45 коэффициент, учитывающий жесткость системы

К_sм = 0,9 коэффициент, учитывающий материал обрабатываемой заготовки

К_sз = 0,8 коэффициент, учитывающий влияние закалки

К_sф = 0,85 коэффициент, учитывающий форму обрабатываемой поверхности

Полный поправочный коэффициент:

К_so1 = К_sи ∙ К_sп ∙ К_sж ∙ К_sм ∙ К_sз ∙ К_sф = 1 ∙ 1 ∙ 0,45 ∙ 0,9 ∙ 0,8 ∙ 0,85 = 0,275

Найдем значение скорректированной подачи:

S = S₀ ∙ К_so1 = 0,08 ∙ 0,275 =0,022 мм/об.

Стойкость резцов [20]: h_з=0,6 Т=60мин.

Согласно [20] и подачи S = 0,022 мм/об рекомендуется следующее значение скорости: V_Т = 84 м/мин.

. K₁ =1,0 коэффициент, учитывающий свойства материала заготовки

K₂ =1,9 коэффициент, учитывающий свойства материала инструмента

K₃ = 0,87 коэффициент, учитывающий влияние угла в плане

K₄ = 0,65 коэффициент, учитывающий вид обработки

K₅=0,35 коэффициент, учитывающий жесткость технологической системы

K₆=1,0 коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности

K₇= 1,0 коэффициент, учитывающий влияние СОЖ.

Полный поправочный коэффициент

К_v1 = K_Vм∙ K_Vи∙ K_Vγ∙ K_V5∙ K_Vж∙ K_Vп ∙ K_V0 = 1,0 ∙ 1,9 ∙ 0,87 ∙ 0,65 ∙ 0,35 ∙ 1,0 ∙1,0 = 0,376

Скорректированная скорость резания:

V = V_T1 ∙ K_V1 = 84 ∙ 0,376 =31,5 м/мин

Частота вращения заготовки:

 об/мин, выбираем стандартное значение nст =

= 850 об/мин.

Рассчитаем фактическую скорость резания V_ф

м/мин

Рассчитаем силу резания

P_z = Cp ∙ t^Xp ∙ S^Yp ∙ V^np ∙ K_p

K_φp = 0,89 - коэффициент, учитывающий влияние главного угла в плане на составляющую силы резания

K_γp = 1,0 - коэффициент, учитывающий влияние переднего угла на составляющую силы резания при обработке

K_λp = 1,0 - коэффициент, учитывающий влияние угла наклона главного лезвия на составляющую силы резания

K_rp = 1,0 - коэффициент, учитывающий влияние радиуса при вершине резца на составляющую силы резания при обработке согласно табл. 23 (20)

Полный поправочный коэффициент:

К_р = K_φp∙ K_γp∙ K_λp∙ K_rp = 0,89 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1 = 0,89

Ср = 300; Хр = 1; Yр = 0,75 γр=0

Тогда сила резания P_z:

P_z = 300 ∙ 0,6¹ ∙ 0,10^0,75 ∙ 0,89 = 28,48 кг

Проведем расчет мощности резания для сравнения эффективной мощности резания N_c с мощностью N_cт.

Расчет выполним по формуле

 , кВт ≤ N_cт

Таким образом :

кВт < 10 кВт

Расчет основного времени

где соответственно величины врезания и перебега резца, мм; L- длина обрабатываемой поверхности, мм.

;

Основное время

где Т_в - вспомогательное время

Штучное время

12. РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Исходные данные

Режим работы предприятия двухсменный. Годовая программа выпуска 50000 шт. двигателей.

Проведем расчет технико-экономических показателей на примере одной детали - впускного клапана. Вес заготовки 0,158 кг, вес детали 0,115 кг, материал - сталь 40Х10С2М.

Расчет по организации и планированию производства, обоснование запроектированных форм и методов организации и нормирование труда работающих.

Определение такта производства.

Такт работы поточной линии - промежуток времени между запуском или выпуском отдельных изделий и определяется по формуле:

 (мин)

где  - такт в минутах:

 - годовая программа выпуска изделий, в шт., с учетом потерь на брак:

 шт.,

а - процент брака (20 - 30%), принимаем 20% ; - годовая программа выпуска изделий, без учета брака:  - действительный годовой фонд времени работы оборудования, в часах;

 ч.

 = (3072*60)/62500 = 2,95 мин.,

где  - коэффициент загрузки оборудования, =0,75;  - годовой фонд времени рабочего места:

 ч.

С =2- сменность работы;       (11.5)

где -действительный годовой фонд времени рабочего; Дк= 365 дней - количество календарных дней в году; Доо = 24 дня - продолжительность очередного минимального отпуска; Дцо - продолжительность дополнительных отпусков 3 - 6 дней; Дву- продолжительность дополнительного отпуска за тяжелые и особо вредные условия труда 6 - 12 дней; Дв = 100 дней - количество выходных дней в году; Дп = 9 дней - количество праздничных дней в году; Дуп = 10 дней - число не явочных дней по уважительным причинам; Ч = 9 ч. - количество предпраздничных часов.

Определение потребного количества оборудования, численность основных рабочих и коэффициент загрузки оборудования.

Потребность в технологическом оборудовании при поточной форме организации производственного процесса определяется отдельно для каждой операции по формуле:

 (шт.),

где Срасч.i - расчетное количество рабочих мест для выполнения i-ой операции, шт.;

Тшт.i. - штучное время на i-ю операцию, мин ;  - такт работы поточной линии, мин.

Принятое количество оборудования (Спр) (рабочих мест) для каждой операции определяется путем округления Срасч.i.; в большую сторону до ближайшего целого числа. Допускается округление в меньшую сторону, если перезагрузка станка при этом не превышает 10-12% (такая перезагрузка может быть устранена в процессе эксплуатации технологическими приемами - повышение режимов резания, уменьшение припусков).

Явочное число основных рабочих определяется по формуле:

Ряв=Срасч.i. К

Где К - коэффициент учитывающий величину отпуска и неявок по болезни, К=1,15.

Списочное число работников Рсп определяется путем округления Ряв в большую сторону до ближайшего целого числа.

Коэффициент загрузки оборудования:

Таблица 13.1

Необходимое количество оборудования и рабочих.

N	Операция Я	Тшт	С расч.	Спр	Ряв	Pсп	Кз.с.
1	Фрезерная 1	0,84	0,28475	1	0,32746	1	0,28475
2	Токарная черновая 1	1,54	0,52203	1	0,60034	1	0,52203
3	Токарная чистовая 1	1,92	0,65085	1	0,74847	1	0,65085
4	Термообработка    трптентнененое ощ  ая	4,13	1,4	2	1,61	2	0,7
5	Шлифование MV ie	1,64	0,55593	1	0,63932	1	0,55593
6	Шлифование тонкое MV ie	1,42	0,48136	1	0,55356	1	0,48136
7	Токарная чистовая ;	1,76	0,59661	1	0,6861	1	0,59661

Составление ведомости технологического оборудования.

На основании полученных результатов расчетов составляется сводная ведомость потребного технологического оборудования на производственном участке.

Для составления ведомости оборудования, данные по мощности электродвигателей, стоимости и категориях ремонтной сложности берутся по заводским данным (бухгалтерии, группы механика и энергетика цеха).

Таблица 13.2

Характеристики применяемого оборудования.

Марка оборудования	Количество	Мощность электродвигателя ,кВт		Категория ремонтной сложности		Стоимость оборудования		Амортизация
		На единицу оборудования	Всего	Механическая часть	Электрическая часть	На единицу оборудования	Всего	Процент	Сумма
EM535M	1	9	9	11	8,5	130000	130000	14,1	18330
Index G200	2	10	20	26	16	278100	556200	13	72306
Электропечь ПКМ 3.6.2	1	12	12	16	15	93300	93300	4,1	13155,3
3C120B	2	3	6	55	42,5	861000	1722000	16	275520

Расчет численности вспомогательных рабочих и ИТРиС.

Численность ремонтного и обслуживающего персонала определяется исходя из сменности работы оборудования, его ремонтной сложности, действительного фонда рабочего времени рабочего ремонтника или по нормам обслуживания с учетом совмещения работ: Ряв р. = ЕРС/Н

где ЕРС - число единиц ремонтной сложности обслуживания;

для механических частей - 189;

для электрических - 140,5,

Н - норма обслуживания для:

ремонтников - механиков (1650);

ремонтников - электриков (1000).

Списочное число работников Ряв пр определяется путем округления Ряв р в большую сторону до ближайшего целого числа.

Рсп р = Ряв р* К

Списочное число вспомогательных рабочих определяется по формуле:

где К - коэффициент учитывающий величину отпуска неявок по болезни.

Списочное число работников Рсп пр определяется путем округления Рсп р в большую сторону до ближайшего целого числа.

Таблица 13.3

Вспомогательные рабочие.

N	Профессия	Ряв.р.	Ряв.пр.	Рсп.р.	Рсп.пр
1	Электрик	0,14	1	0,161	1
2	Ремонтник	0,11	1	0,126	1

Мастер должен руководить сменой (бригадой) численностью в 30 человек. В каждой смене должен быть мастер или бригадир.

Исходя из выше сказанного, назначаем одного мастера на проектируемый участок.

Расчет потребности в электроэнергии и энергоносителях.

1. Годовой расход силовой электроэнергии.

Годовой расход силовой электроэнергии, в кВт-ч, определяется по формуле:

Эс=η(Руст.i,)-С*Фд*ψзагр.ср=(9+20+12+6)*2*3072*0,76=219464 кВт/ч

где η(Pycт.i) - установленная мощность электродвигателя (таблица 13.2.), в кВт;

Фд - действительный годовой фонд работы оборудования, в часах;

ψзагр.ср .= 0,76 - средний коэффициент загрузки оборудования по 1 времени.

Годовой расход электроэнергии на освещение, в кВт-ч, определяется по формуле:

Эосв=qэ*S*Фосв*К*Кс/1000 = 10*770*3072*1,05*0,8/1000 = 7685 кВт-ч

где qэ - средний расход электроэнергии на 1  площади цеха (включая бытовые и служебные помещения), Вт*ч; S = 770  - площадь цеха;

Фосв=3072 ч - число часов освещения при двухсменной работе в год: К = 1,05- коэффициент, учитывающий дежурное освещение;

Кс= 0,8- коэффициент спроса.

2. Расход воды, пара на бытовые нужды.

Расход воды на технологические нужды принимается:

1. На промывку деталей:

Q1.в=(Nз*qдет*q2.i)/1000=(62500*0,115*0,3)/1000=2,16

где Nз - годовой выпуск деталей, в шт.;

qдет - вес детали, в кг;

q2.i = 0,3  - расход воды на тонну промываемых деталей.

. Расход воды на бытовые нужды может быть принят из расчета:

а) для хозяйственно-бытовых нужд J = 25 литров в смену на одного работающего (всего n = 15).

Количество смен при двухсменном режиме работы и пятидневной неделе работы составляет Qсм= 424, тогда необходимое количество воды на хозяйственно бытовые нужды составит: Qхоз/быт= Qсм*n*J =424*15*25=159  

б) для душевых, в производствах связанных с загрязнением тела Jд=40 литров на одного работающего в смену.душ=Qcм*n*Jд=424*15*40=254

. Расход пара на отопление помещений.

Расход пара на отопление помещений определяется из расчета возмещения тепловых потерь здания, который принимается равным 20 ккал/ч на 1 здания.

Годовая потребность пара на отопление составляет:

Qпар=( qn*H*V)/(1000*i)=(20*4320*3850)/(1000*540)=616

где qn =20 ккал/ч - расход тепла на 1 здания;

Н=4320 - количество часов в отопительном периоде;

V=3850 - объем здания;

i=540 ккал/кг - теплота испарения пара

Таблица 13.4

Затраты на электроэнергию и теплоносители.

N п/п	Наименование энергоносителей	Единицы измерения		Годовой расход энергоносителей	Цена за единицу энергоносителя, руб	Годовая сумма затрат на энергоносители, руб
Топливо на производство
1.	Природный газ			-	-	-
2.	Мазут, диз. топливо	тонна		-	-	-
3.	Другие виды топлива	-		-	-	-
	ИТОГО	-		-	-	-
Электроэнергия на производство со стороны
4.	Двигательная эл.энергия	кВт-ч		109732	0,9	98758,8
5.	Электроэнергия на технологию	кВт-ч		-	-	-
6	Электроэнергия на другие техн. нужды	кВт-ч		-	-	-
7	Итого электроэнергия на технологические цели	кВт-ч		109732	0,9	98758,8
Энергоносители со стороны
7.	Вода промышленная			2,16	3	6,48
8.	Вода горячая			-	-	-
9.	Пар			1250	60	75000
10.	Сжатый воздух			-	-	-
11.	Другие			-	-
	ИТОГО					75006,48
	Энергоносители на бытовые нужды
12.	Пар на отопление			616	60	36960
13.	Вода питьевая			159	5	795
14.	Горячая вода			254	10	2544
	ИТОГО					40299
Электроэнергия на бытовые нужды
15.	Электроэнергия на освещение		кВт-ч	19870	0,9	17883
16.	На другие нужды		кВт-ч	-	-	-
	ИТОГО					17883

Расчет основных технико-экономических показателей.

Определение себестоимости изделия.

1. Определение затрат на основные материалы.

Определение затрат на основные материалы производится на основе годовой потребности в основных материалах и определяется по годовому количеству выпускаемых изделий, весу заготовки детали и ценам за единицу веса заготовки, взятым по справочным данным предприятия.

К основным материалам относятся отливки, поковки, штамповки, прутковый и листовой металлический прокат, т.е. те материалы, из которых изготавливается изделие, которое входит в тело изделия.

Стоимость одной тонны легированной стали марки 40ХНМА, принимается на сегодняшний день в размере 18000 руб./т.

В процессе обработки заготовок образуются отходы (стружка, выштамповка, литники, прибыли, обрезки концов заготовок).

Деловые отходы могут быть использованы как на собственные нужды в производстве в качестве оборотных материалов, так и могут быть реализованы по цене возможного их использования.

Полученные денежные суммы от реализации этих отходов уменьшают затраты на используемые основные материалы и вычитаются. Стоимость 1 тонны отходов принимается равной 2500 руб./т. Затраты на основные материалы сводятся в таблицу 13.5:

Таблица 13.5

Затраты на основные материалы.

N пп	Наименование материалов	Норма расхода на одно изделие	Цена тонны материала	Сумма затрат на одно изделие	Возвратные отходы на одно изделие	Цена одной тонны отходов	Стоимость возвратных отходо
		кг	руб/т	руб/шт	кг	руб/т	руб/шт
1	Сталь 40ХНМА	0,158	18000	2,84	0,043	3000	0,13

Определение годового фонда заработной платы

Основной системой оплаты труда является повременно-премиальная система с выдачей нормировочного задания.

На сегодняшний день основной мерой расчета является уровень минимальной заработной платы, утвержденный правительством страны.

В планируемый фонд заработной платы необходимо включить виды денежных выплат ППП участка по принятым тарифным ставкам в "Тарифном соглашении", дополнительной заработной платы, всевозможные доплаты и премии. В планируемый фонд заработной платы не включается различного рода выплаты из фонда материального поощрения.

Для разграничения и расчета в структуре фонда потребления, затрат как на собственно заработную плату, так и на материальное стимулирование отдельных показателей, фонд потребления рассматривается как величина, состоящая из двух составляющих:

-заработной платы;

-вознаграждения из прибыли (вознаграждения за выполнение хозрасчетных показателей).

Заработная плата.

Заработная плата складывается из следующих элементов:

- повременной (сдельной) части;

премии (дополнительной оплаты за выполнение номенклатурного плана, производственного задания, премии рабочим, и качество продукции) - 75 %; Повременная (сдельная) часть заработной платы состоит из:

- тарифной ставки (должностного оклада);

- надбавки за профессиональное мастерство (надбавки к должностному окладу);

- доплаты за условия труда.

Фopмa расчета годового фонда заработной платы работающих участка приведена в таблице 13.6

Таблица 13.6

Годовой фонд оплаты труда.

N пп	Профессия	Списочная численность	Часовая тарифная ставка (месяц)	Годовой тарифный фонд				Переменная часть	Итого годовой фонд
				Тариная ставка за год	Надбавка за условия	Доплата за проф. мастерство	Всего	Премия за вып. задания
			руб.	руб.	руб.	руб.	руб.	руб.	руб.
1.	Токарь	4	5500	264000	66000	66000	396000	198000	594000
2.	Шлифовальщик	3	5500	198000	49500	49500	297000	148500	445500
3.	Термист	2	5500	132000	33000	33000	198000	99000	297000
4.	Ремонтник	1	5000	60000	15000	15000	90000	45000	135000
5.	Электрик	1	5000	60000	15000	15000	90000	45000	135000
6.	Фрезеровщик	3	5500	198000	49500	49500	297000	148500	445500

Капитальные вложения на организацию производства и строительство цеха

К капитальным вложениям на организацию производства и строительство цеха необходимо отнести следующие затраты:

. Затраты на строительство производственного корпуса;

. 3атраты на строительство бытового корпуса;

. 3атраты на изготовление или покупку оборудования;

. 3атраты на изготовление или покупку технологической оснастки и производственного инвентаря (эти затраты как правило планируются заводом);

. Прочие не учтенные затраты.

Затраты на строительство производственного корпуса.

Размер производственного корпуса зависит от количества оборудования, его размещения (планировки) с учетом необходимых проходов, проездов и площадей для хранения заготовок, готовых деталей, конторы мастера, помещения для отдыха работающих.

Стоимость одного  производственной площади цеха составляет 3000 руб. в год.

S1=3000*700 = 2100000 руб.

Затраты на строительство бытового корпуса.

Бытовые помещения цеха зависят от количества работающих и установленных норм на одного работающего (гардеробы, туалеты, душевые, умывальники, медпункты, комнаты отдыха, конторские помещения).

Стоимость одного  бытовых помещений составляет 6000 руб. в год.

S2=6000*70 = 420000 руб.

Затраты на приобретение оборудования.

Расходы на приобретение оборудования составляют

S3=1810000 руб.

Затраты на технологическую оснастку, производственный инвентарь.

Эти затраты зависят от потребного количества, стоимости 1 покупки или изготовления и номенклатуры.

Таблица 13.7

Стоимости и амортизации технологической оснастки.

N пп	Наименование оснастки	Технологи ческая характери стика	Годовая потребность, шт.	Цена одной штуки	Стоимость оснастки	Амортизация
						%	Годовая сумма, руб.
1.	Верстак	Производ ственный инвентарь	4	1000	4000	20	800
2.	Шкаф			1500	6000	20	1200
3.	Тумбочка			500	2000	20	400

Затраты на прочее оборудование.

Затраты на производственное оборудование (транспортное, энергетическое, электрическое) принимаются в размере 6-ти % от стоимости технологического оборудования:

S4=S3*0,06=1690000*0,06=126700(руб.)

Таблица 13.8

Сводная ведомость капитальных вложений (затрат), руб.

№ п/п	Виды капитальных вложений	Балансовая стоимость, руб.	Амортизация за один год, руб.
1.	Технологическое оборудование	1810000	255200
2.	Технологическая оснастка, производственный инвентарь	12000	2400
3.	Прочие капитальные вложения	126700	25340
	Итого капитальные вложения на оборудование и оснастку.	1948700	282940
4.	Производственное здание (корпус)	2100000	63000
5.	Бытовые помещения	420000	21000
6.	Хозяйственный инвентарь	29400	5880
	Итого капитальные вложения на здание и хозяйственный инвентарь	2549400	89880
	Всего капитальные вложения 3505410	4498100	372820

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (РСЭО).

РСЭО - это косвенная (накладная) статья калькуляции продукции - комплексная статья расходов.

В РСЭО входят затраты на заработную плату основную и дополнительную ремонтников и отчисления от нее; амортизация оборудования, затраты на запасные части, смазки, обтирочные материалы, затраты на ремонт и содержание транспортного оборудования и дорогостоящей оснастки, возмещение износа малоценных и быстроизнашивающихся инструментов и оснастки, прочие расходы.

Таблица 13.9

Расходы на ремонт, содержание и эксплуатацию оборудования (РСЭО).

№ п/п	Статьи затрат	Сумма годовых расходов руб.
1.	3аработная плата основная и дополнительная вспомогательных рабочих занятых ремонтом и обслуживанием оборудования.	270000
2.	Единый социальный налог на зарплату рабочих (35,5%).	35100
3.	Амортизация технологического оборудования, подъемно-транспортных средств, оснастки и производственного инвентаря.	288820
4.	Затраты на вспомогательные материалы(смазка, запчасти, краска, ветошь, метизы и д.р.)	27150
5.	Затраты на ремонт и содержание транспортных средств и дорогостящей оснастки.	38974
6.	Возмешение износа малоценных и быстроизнашивающихся инструмента и оснастки.	9050
7.	Прочие расходы	33455
	Итого затраты на РСЭО.	702549

Цеховые расходы

Цеховые расходы - косвенные (накладные) расходы. Статья расходов комплексная.

В цеховые расходы включаются следующие затраты: заработная плата основная и дополнительная с отчислениями в фонд социального страхования, амотртизационные отчисления от эксплуатации зданий и хозяйственного инвентаря, затраты на отопление, освещение, вентиляцию, воду для хозяйственных нужд, расходы на охрану труда и технику безопасности (спец. одежду, мыло, молоко).

Таблица 13.10

Цеховые расходы

№ п/п	Статьи затрат	Сумма годовых расходов, руб.
1.	Содержание аппарата управления (мастер)	126000
2.	Единый социальный налог от зарплаты ИТР и С	16380
3.	Амортизация зданий и дорогостоящего инвентаря	89880
4.	Затраты на текущий ремонт зданий, хозяйственного инвентаря	38241
5.	Затраты на отопление, освещение, вентиляцию, воду для хозяйственных нужд	389977
6.	Расходы на охрану труда и технику безопасности, спец. одежду, мыло и т.д.	10000
7.	Расходы на испытания, рационализацию, изобретательство	5400
8.	Услуги других подразделений (транспортные услуги, работы и др.)	384000
9.	Прочие расходы	52994
	Итого цеховые расходы	1112872

После подсчета годовых затрат по статьям цеховых расходов высчитывают цеховую себестоимость единицы продукции (деталь, изделие), а затем и полной производственной себестоимости () заданным процентам общезаводских и внепроизводственных расходов.

Смета затрат на производство.

Группировка затрат на производство по экономическим элементам удобна для анализа хозяйственной деятельности, организации бухгалтерского учета.

Она необходима для установления общей суммы и сметы затрат на производство по цеху (заводу) и составляется на год с разбивкой по кварталам. Смета дает возможность определить потребность цеха в материальных и денежных расходах.

Таблица 13.11

Смета затрат на производство.

N п/п	Элементы затрат.	Сумма годовых расходов, руб.	Структура затрат к итого, %
1.	Сырье и основные материалы за вычетом возвратных отходов	444000	7,87
2.	Вспомогательные материалы на основное и вспомогательное производство	27150	0,48
3.	Топливо со стороны (на все виды деятельности).	-	-	Энергия со стороны (на основное и вспомогательное производство и хозяйственные нужды).	389977	6,91
5.	Основная и дополнительная заработная плата всех работающих ППП.	2178000	38,62
6.	Единый социальный налог от основной и дополнительной зарплаты ППП.	283140	5,02
7.	Амортизация основных фондов (оборудование, здания, оснастка).	372820	6,61
8.	Прочие затраты	1944593	34,48
	Итого затрат	5639680	100

Таблица 13.12

Плановая калькуляция себестоимости изделия.

N п/п	Наименование статей расходов	Сумма, руб
		На единицу Изделия	На годовую программу
1.	Сырье и материалы - всего в т.ч.:
	а) основные материалы	9,6	480000
	б) вспомогательные материалы на технологические цели	0,001	41,1
	в) комплектующие изделия	-	-
2.	Возвратные отходы (вычитаются)	0,40	25000,00
3.	Топливо и энергия на технологические цепи	6,64	331795,01
4.	Основная и дополнительная зарплата производственных рабочих	23,76	1188000,00
5.	Отчисления по единому соц. налогу от основной и дополнительной зарплаты производственных рабочих	4,63	231660,00
6.	Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования	5,10	255200,00
7.	Расходы на подготовку и освоение производства	1,19	59400,00
8.	Цеховые расходы	22,26	1112871,62
	ИТОГО цеховая себестоимость	85,56	4277967,72
9.	Общезаводские расходы	24,48	1224158,78
	ИТОГО заводская себестоимость	110,04	5502126,50
10.	Внепроизводственные расходы (2,5% от заводской себестоимости)	2,75	137553,16
	ИТОГО полная производственная себестоимость	112,79	5639679,67

Технико-экономические показатели участка.

Составление таблицы технико-экономических показателей и их анализ является заключительным разделом планированию участка предприятия.

Показатели взаимосвязаны между собой и основываются на результатах расчетов предыдущих форм и расчетов, а некоторые из них рассчитаны при заполнении таблицы 13.13

Технико - экономические показатели.

Таблица 13.13

№ п/п	Наименование показателей	Ед. измерения	Показатели работы цеха
1.	Годовая программа выпуска изделий
	- в натуральном выражении	шт.	50000
	- в денежном выражении	руб.	7049600
2.	Капитальные затраты (основные фонды)	руб.	4498100
3.	Производственная площадь		700
4.	Численность работающих в т.ч. основных рабочих	чел.	14
5.	Цеховая себестоимость одного изделия	руб.	85,56
6.	Сменность работы цеха	см./сутки	2
7.	Выработка продукции
	- на одного основного рабочего	руб/чел	440600
	- на одного работающего	руб/чел	503543
8.	Фондовооруженность (основного рабочего по основным фондам активной части)	руб/чел	150833
9.	Фондоотдача	руб/руб	1,567
10.	Среднемесячная зарплата
	- одного работающего	руб/чел	12375
	- одного основного рабочего	руб/чел	12214

Оптовая цена детали складывается из полной промышленной себестоимости и прибыли (25%).

Прибыль на одно изделие: П_шт=Ц_опт-С_п

Прибыль за год: П_год ⁼В_год'П_шт

1	Нормативная рентабельность, %	25
2	Полная производственная себестоимость	112,79 руб.
3	Оптовая цена изделия	140,99 руб.
4	Прибыль на одно изделие	28,2 руб.
5	Прибыль за год	2 820 000 руб.

Инвестиции необходимые для изготовления партии двигателей (50000 шт.)

Себестоимость двигателя.

Себестоимость остальных деталей двигателя можно найти аналогично, но для упрощения расчета ее возьмем исходя из стоимости аналогичных изделий.

Себестоимость узлов двигателя.

Таблица 13.14

№	Наименование	Цена, руб
1	Цилиндры	36000
2	Коленчатый вал (в сборе)	10000
3	Генератор	2400
4	Головки цилиндров (в сборе)	8400
5	Выпускной коллектор	1200
6	Водяной насос	1800
7	Масляный насос	2400
8	Поршневая группа (поршень, кольца, поршневой палец 6шт.)	8640
11	Гильза (7 шт)	4200
12	Система Common Rail	12000
13	Впускной коллектор	1200
14	Топливопровод низкого давления	240
16	Фильтр воздушный	600
17	Фильтр масляный	1800
18	Фильтр топливный	1200
19	Радиатор масляный	1200
20	Стартер	3000
21	Форсунка	10800
22	Шатун (7 шт.)	8200
23	Кулачковая шайба	2300
24	Маховик	3000
25	Поддон	1200
26	Прочие узлы и детали	6000
27	Итого	133640

Оптовая цена двигателя складывается из полной промышленной себестоимости (Табл. 13.12) и прибыли (25%):

Сдв.опт=(1+0,25)*Сдв=1,25*133640=167050 (руб.)

Прибыль от продажи одного двигателя:

Пдв=Сдв.опт-Сдв=167050-133640=33410 (руб.)

Прибыль от продажи партии двигателей (5000 шт.):

Пгод = Пдв*Nдв = 33410*50000 =1671 млн. руб.

Анализ полученных результатов позволяет выяснить следующее:

1.   Годовая сумма прибыли (по впускному клапану) при рентабельности 25% составит 2,82 млн. руб.

2.       Если найти более дешевого поставщика материала, то можно снизить себестоимость изделия.

Полученная себестоимость двигателя составляет 133 640 руб.

13. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ОХРАНА ТРУДА

Тенденция развития автомобильного транспорта выражается в непрерывном возрастании максимальной и средней скорости движения, повышении приемистости, грузоподъемности или пассажировместимости при одновременном снижении расхода топлива и токсичности отработавших газов. Такого эффекта при использовании дизельного двигателя можно добиться несколькими способами:

использование охладителей надувочного воздуха, снижающего температуру воздушного заряда до 50-70 ⁰С, позволяет снизить концентрацию оксидов азота до 60%.

при работе на переходных режимах, из-за большой инерционности обмена системы газообмена, по сравнению с системой подачи топлива, происходит снижение коэффициента избытка воздуха α, что соответственно вызывает повышение концентрации сажи и углеводорода в продуктах сгорания, т.е. необходимо избегать этого эффекта.

При работе дизельных ДВС выделяются следующие вредные компоненты:

угарный газ СО

Оксид углерода образуется в результате незавершённости процесса горения и концентрация CO во многом определяется коэффициентом избытка воздуха α. В связи с особенностями организации рабочего процесса

(обедненная смесь), концентрация СО в продуктах сгорания дизелей в среднем на порядок ниже, чем концентрация СО в бензиновом двигателе.

Характеристика СО: бесцветный газ, без вкуса и запаха. Горюч, плохо растворяется в воде, но очень хорошо в крови - в 200 раз лучше.

При попадании СО в организм человека, СО объединяется с гемоглобином крови, тем самым препятствуя насыщению организма кислородом, мешает разносу крови по телу. При вдыхании большой концентрации оксида углерода может произойти летальный исход.

недогоревшие углеводороды СnНm

Концентрация углеводородов СnНm определяется как исходным составом смеси, так и режимом работы двигателя. Углеводороды могут образовываться разными способами:

) группа СnНm образуется в основном на такте рабочего хода поршня в следующих зонах:

над днищем поршня;

в пристеночной области;

над верхним компрессионным кольцом.

В этих областях происходит гашение пламени из-за низких температур и рекомбинации радикалов и горения на стенках. При этом толщина замороженного слоя - 50-400 мкм.

) углеводороды СnНm также образуются с помощью механизма адсорбции-десорбции.

Свежая топливовоздушная смесь поступающая в цилиндр частично поглощается масляной пленкой и поверхностью нагара (адсорбция). При движении поршня от ВМТ к НМТ происходит обратное выделение углеводородов в продукты сгорания (десорбция), которые выбрасываются в атмосферу.

) термический пиролиз в локальных переобогащенных зонах.

) углеводороды выделяются в окружающую среду через негерметичности и неплотности системы питания.

) также СnНm выбрасываются в результате пропусков воспламенения.

Большинство СnНm неопасны для человека, но попадая в атмосферу многие из них вступают в реакцию с образованием вредных веществ и вызывают образование смога в атмосфере. Однако среди них имеется группа высокотоксичных веществ - это полициклические ароматические углеводороды и самым токсичным из них является бенз(а)пирен C₂₀H₁₂. Он образуется в результате низкотемпературного термического пиролиза из легких и средних фракций топлива. Бенз(а)пирен приводит к возникновению онкологических заболеваний у человека.

оксиды азота NOx

Основным фактором образования оксидов азота является высокая температура. NO_x образуется во фронте пламени и в зоне догорания. Наиболее благоприятными условиями образования оксидов азота являются зоны повышенных температур ( > 2000 К). В дизелях максимальное образование оксидов азота наблюдается в тех локальных зонах, которые сгорают первыми и длительное время находятся в зоне высоких температур.

В соответствии со способом и источниками оксиды азота NO_x делят на 3 группы:

топливные NO_x, образующиеся из азотосодержащих топлив при сравнительно низких температурах;

термические NO_x, образуются из молекул азота содержащихся в воздухе при высоких температурах;

быстрые NO_x, образуются во фронте пламени через промежуточные вещества, содержащие циановые группы CN.

Для ДВС характерны термические NO_x.

Оксиды азота воздействуют на нервную систему, слизистую оболочку глаз. HNO₂ и HNO₃, попадая в организм, разрушают легочную ткань и воздействуют на сердечнососудистую систему. Способствуют образованию бурого смога в атмосфере.

соединения серы S

Эта группа состоит из оксидов серы SO₂, SO₃ и сероводорода H₂S.

Концентрация соединений серы в продуктах сгорания ДВС определяется содержанием серы в исходном топливе, что характерно для дизелей.

Характеристика: диоксид серы SO₂ - бесцветный газ с резким запахом, при взаимодействии с парами воды образует сернистую кислоту H₂SO₃; триоксид серы SO₃ - жидкость (при нормальных условиях), при взаимодействии с парами воды образует серную кислоту H₂SO₄; сероводород H₂S - бесцветный газ с характерным запахом «тухлых яиц» и сладковатым вкусом.

Оксиды серы попадая в атмосферу способствуют образования смога и кислотных дождей. Губительно действуют на животных и людей. Способствуют раздражению слизистой оболочки дыхательных путей и обострению хронического бронхита.

Вещества, образующиеся при сгорании в дизеле, приведены в следующей таблице 14.1:

Таблица 14.1.

Содержание веществ в отработавших газах дизельного ДВС в % по объему
Азот	74-78
Кислород	2-18
Водяной пар	0,5-9,0
Углекислый газ (диоксид углерода)	1-12
Оксид углерода (угарный газ)	0,005-0,4
Оксид азота	0,004-0,5
Углеводороды	0,009-0,3
Альдегиды	0,001-0,009
Сажа	0,01-1,1
Бенз(а)пирен	до 10
Оксиды серы	0,002-0.02
Оксиды свинца	отсутствуют
Размерность: [г], [г/ч], [г/кВт∙ч], [г/км], [г/м3], [мкг/м3], [г/исп], в объемных [%], массовых [gi] и мольных [ri] долях.

Основными источниками вредных веществ в ДВС являются отработавшие газы, картерные газы и пары топлива.

Мероприятия по снижению токсичности отработавших газов

Различают активные и пассивные методы снижения концентрации вредных веществ. Активные методы предполагают воздействие на рабочий процесс двигателя. Пассивные методы основываются на нейтрализации вредных веществ в выпускной системе.

Угарный газ СО:

Активные методы:

1)    Обеднение смеси

2)       Повышение температуры стенок надпоршневого пространства

)         Повышение однородности смеси

)         Увеличение времени пребывания в цилиндре

Пассивные методы:

1)    Применение дожигателей

2)       Применение окислительных, каталитических нейтрализаторов

Углеводороды СН:

Активные методы:

1)    Поддержание слегка обедненного состава смеси

2)       Повышение температуры смеси

)         Повышение однородности

)         Увеличение времени пребывания в цилиндре

)         Уменьшение расхода масла на угар

Пассивные методы:

1)    Дожигатели

2)       Каталитические нейтрализаторы

Оксиды азота NO_x:

Активные методы:

1)    Обеспечение рециркуляции выхлопных газов

2)       Снижение степени сжатия

)         Применение охладителей надувного воздуха

)         Обогащение, либо обеднение смеси

Пассивные методы:

1)    Применение восстановительного каталитического нейтрализатора

2)       Впрыск мочевины во впускную систему

Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе

Система рециркуляции выхлопных газов (ЕGR) применяется на бензиновых, дизельных и газовых двигателях. Предназначена для снижения токсичности отработавших газов (главным образом содержания оксидов азота NOx) в режимах прогрева и резкого ускорения двигателя, который на данных режимах работает на обогащённой топливной смеси. Часть отработавших газов попадает обратно в цилиндры, что вызывает снижение максимальной температуры горения и, как следствие, уменьшение выбросов оксидов азота, образующихся при высоких температурах и являющихся одними из самых токсичных веществ. Система EGR не используется на холостых оборотах (прогретый двигатель), на холодном двигателе и при полностью открытой заслонке. Работа системы вызывает снижение эффективной мощности двигателя.

Сажевые фильтры изготавливают в виде пористого фильтрующего материала из карбида кремния. В конструкциях прошлых лет фильтры периодически очищали от накопившейся сажи отработавшими газами, температуру которых для этого повышали путем обогащения смеси. Очистка фильтра происходила по команде блока управления после каждых 400-500 км пробега автомобиля. Однако в этом случае резко увеличиваются выбросы других вредных веществ. Поэтому современный сажевый фильтр (рис. 14.1) чаще всего работает в паре с окислительным нейтрализатором, который восстанавливает NОx до NO₂ и одновременно дожигает сажу, причем при более низких температурах - около 250°С.

В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: задержать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество поступающего в цилиндр топлива. И, наконец, главное: поверхность фильтрующего элемента покрыта тонким слоем катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (карбид кремния) микропористой губки.

Рисунок 14.1. Сажевый фильтр.

Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого катализатором. Набивка настолько плотная, что задерживает до 80% частиц размером 20-100 нм. Новые фильтры стали активно участвовать в управлении работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давления, установленных на входе и выходе фильтра. Когда разность показаний становится значительной, компьютер воспринимает это как признак закупоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с помощью датчика температуры.

Яркий пример современного механизма очистки выхлопа дизелей - электронная система управления дизельным двигателем EDС (Electronic Diesel Control), разработанная компанией Bosch. Ее конструкция включает в себя многокомпонентную систему выпуска отработавших газов, в которой предусмотрено семь датчиков - два лямбда-зонда, два температурных, два давления и один уровня сажи в выхлопе, а также три очистительных элемента - каталитический нейтрализатор, катализатор-накопитель и сажевый фильтр накопительного типа (рис. 14.2).

Рисунок 14.2. Система управлением дизелем EDC.

Датчики в системе выхлопа позволили оптимизировать процессы смесеобразования и сгорания. Кстати, для этого под контроль «мозгу» EDС передали и многие системы двигателя - топливо- и воздухоподачи, рециркуляции отработавших газов, электронную дроссельную заслонку и турбонаддув. С помощью датчиков давления на входе и выходе из сажевого фильтра EDС контролирует степень его загрязнения. Эффективность работы катализаторов оценивается по показаниям двух лямбда-зондов (на входе и выходе). Корректировка работы систем двигателя осуществляется на основании показаний лямбда-зондов, датчиков температуры и уровня сажи на выходе. Каталитический нейтрализатор «перерабатывает» токсичные составляющие выхлопа - NO, NO₂, CO, CН - в нетоксичные и малотоксичные соединения - H₂O, N₂, CO₂, а катализатор-накопитель выполняет функции дополнительной очистки от окиси азота (NO₂) и предварительной - от частиц сажи.

Испытания двигателей на токсичность

Все более ужесточающиеся нормы определяют снижение предельного содержания количества токсичных компонентов в отработавших газах. Эти выбросы могут быть замерены при заданных определенных условиях работы двигателя.

Как правило, выбросы токсичных веществ с отработавшими газами двигателей определяются на испытательном моторном стенде.

В Европе проводятся 13-режимные испытания, регламентируемые правилами ЕЭК R49. Последовательность испытания - это серия из тринадцати различных стационарных рабочих режимов, а именно:

3 режима с частотой n_{хх min} - при минимальной частоте вращения на холостом ходу;

5 режимов при n_N - при номинальной частоте вращения коленчатого вала;

5 режимов при n_M - при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей максимальному крутящему моменту

Предельные нормируемые значения выбросов токсичных компонентов отработавших газов для дизельных двигателей представлены в таблице 14.2.

Таблица 14.2.

Нормы	СО, CH, NOх, Твердые частицы
EURO II	1	0,9/0,7*	0,9/0,7*	0,1/0,08*
EURO III	0,64	0,56	0,56	0,05
EURO IV	0,5	0,3	0,3	0,025
EURO V	0,5	0,25	0,25	0,005
* Первое значение для двигателей с непосредственным впрыском, второе - с разделенными камерами

Испытания дизельных двигателей на токсичность осуществляются как в виде дополнительной процедуры, так и во время проведения регулярных техосмотров автомобилей. Для этой цели применяются два стандартизованных метода:

по первому методу определенное количество отработавшего газа пропускается через фильтрующий элемент, степень обесцвечивания фильтра характеризует содержание сажи в отработавших газах.

абсорбционный метод (испытание на непрозрачность или потемнение газа) основан на определении снижения яркости луча света, пропускаемого через отработавшие газы.

Шумность двигателя

Измерения уровней шума, используемые для определения его предельных значений в соответствии с требованиями законодательства, касаются исключительно внешних уровней шума. Процедуры проведения испытаний и предельные значения для неподвижных и движущихся транспортных средств, приведены в руководстве ЕС 81/334.

В процессе испытаний автомобили движется от микрофона на расстояние 10 м, а затем ускоряется на «полном газе» на расстоянии 10 м от микрофона. Уровень шума от движения автомобиля определяется как максимальный уровень звука, зарегистрированный микрофоном, располагаемым на расстоянии 7,5 м от средней линии проезжей части.

При контроле уровня шума от неподвижного автомобиля его замеры производятся вблизи отверстия выхлопной трубы, на частоте вращения коленчатого вала равной 0,75 n_N. После установления постоянной частоты вращения педаль газа резко переводится в положение холостого хода. Во время этого процесса замеряется максимальное А - скорректированное значение уровня звукового давления на расстоянии 50 см от отверстия выхлопной трубы под углом (4510°) в горизонтальной плоскости к направлению выхода потока газов. Полученные данные заносят в паспорт автомобиля.

Электромагнитное излучение

Электромагнитная совместимость - способность системы оставаться нейтральной в пределах действия других систем. Другими словами, она является совместимой, если не создаёт помех другим системам и остаётся непроницаемой по отношению к таким помехам, которые могут исходить от них.

Генератор питает электросистему постоянным током. Хотя ток - довольно плавный и выравнивается в аккумуляторе, однако остаточные пульсации всё ещё остаются. Амплитуда пульсации зависит в основном от нагрузки системы и принципиальной электрической схемы, а частота пульсации изменяется в зависимости от частоты вращения генератора. Основная частота пульсаций лежит в килогерцовом диапазоне.

Импульсы помех образуются, когда в автомобиле происходит включение или выключение электрического оборудования. Эти импульсы воспринрмаются смежными системами непосредственно через систему подачи питания или косвенно как эффект наведения. Если источник помех и система, которая воспринимает импульс помехи, не согласованны друг с другом, это может привести к ложным срабатываниям и даже разрушению смежных систем.

В автомобиле в целом основным источником возникновения помех является работа системы зажигания. Уровни электромагнитного излучения, которые могут испускаться, определяются законодательными актами (директива исполнительного комитета ЕЭК 10).

Утилизация

Возможность утилизации должна быть предусмотрена ещё на стадии проектирования двигателя.

Так как двигатель производится из не возобновляемых ресурсов, то важным этапом его жизненного пути является утилизация. Этапы утилизации предназначены для выявления в двигателе деталей и узлов, пригодных к переработке. Процесс утилизации состоит из нескольких этапов:

а) доставка двигателя на предприятие по переработке, на котором производится разборка двигателя;

б) из двигателя сливают смазочное масло и охлаждающую жидкость; процесс должен быть максимально герметичным, так как данные жидкости являются загрязнителями окружающей среды;

в) разборка двигателя по агрегатам;

г) разборка агрегатов на детали и сортировка деталей по виду материалов из которого они изготовлены;

д) отправка пригодных к переработке деталей на соответствующие заводы и непригодных деталей на утилизацию.

В результате более широкого использования вторичных ресурсов некоторыми отраслями промышленностями уже достигнут не только экологический, но и весьма существенный экономический эффект. С целью более эффективного использования металлолома, как правило, его направляют сначала на специализированные обогатительные предприятия, где проводится сортировка по видам и другие операции. В тех случаях, когда металлоломом занимает большой объем, например стружка, его предварительно брикетируют. Имеются специальные установки по размельчению крупногабаритных, в том числе литых металлических изделий, отслуживших свой срок. Есть установки с гидравлическим приводом, оснащенные электронной системой управления, которые всего за несколько минут могут спрессовать металлический корпус автофургона средних размеров до формата обычного чемодана. Получаемые таким образом металлические пакеты разрезаются на куски размером от 30 до 100 см. В таком виде железный лом направляется на переплавку.

Производственная безопасность

С развитием научно-технического прогресса немаловажную роль играет возможность безопасного исполнения людьми своих трудовых обязанностей. В связи с этим была создана и развивается наука о безопасности труда и жизнедеятельности человека.

Безопасность жизнедеятельности (БЖД) - это комплекс мероприятий, направленных на обеспечение безопасности человека в среде обитания, сохранение его здоровья, разработку методов и средств защиты путем снижения влияния вредных и опасных факторов до допустимых значений, выработку мер по ограничению ущерба в ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций мирного и военного времени.

Охрана здоровья трудящихся, обеспечение безопасности условий труда, ликвидация профессиональных заболеваний и производственного травматизма - это одна из главных задач на предприятии. Необходимо обратить внимание на необходимость широкого применения прогрессивных форм научной организации труда, сведения к минимуму ручного, малоквалифицированного труда, создания обстановки, исключающей профессиональные заболевания и производственный травматизм.

На рабочем месте должны быть предусмотрены меры защиты от возможного воздействия опасных и вредных факторов производства. Уровни этих факторов не должны превышать предельных значений, оговоренных правовыми, техническими и санитарно-техническими нормами.

Анализ опасных и вредных факторов на рабочем месте

Во время работы работник находится под воздействием следующих факторов:

а) метеоусловия;

б) производственное освещение;

в) шум;

г) вибрация;

г) электробезопасность;

д) пожаробезопасность.

Рассмотрим каждый из этих фактор в отдельности.

Метеоусловия

Температура, влажность, скорость движения воздуха и давление воздуха относятся к метеорологическим условиям или к так называемому микроклимату. От состояния воздушной среды зависят самочувствие, работоспособность и здоровье человека.

Повышение температуры воздуха в помещении выше (ниже) нормированных значений может оказать вредное воздействие на человека не только за счет роста удельной эмиссии вредного вещества, но и способствовать перегреву (переохлаждению) организма, расстройству центральной нервной системы, повышенному потоотделению, потери внимания, головокружению и другим негативным проявлениям. Это приводит к снижению производительности труда. Поэтому комфортные температурные условия нужно определить с учетом реальных метеоусловий в помещении в соответствии с «Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.2.4.548 - 96».

Согласно ГОСТ 12.1.005-88 устанавливается комплекс оптимальных и допустимых метеорологических условий для рабочей зоны помещения, включающий и категорию работ в зависимости от тяжести выполнения работы: Iа категория - легкие физические работы, производимые сидя, при которых энергозатраты человека не превышают 139 Вт; Iб категория - легкие физические работы с энергозатратами 121…174 Вт; IIа и IIб - физические работы средней тяжести с энергозатратами до 290 Вт; III - категория тяжелые физические работы с энергозатратами более 290 Вт, связанные с систематическим физическим напряжением и переносом тяжестей более 10 кг. Работа сборщика относится к III категории работ.

Оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений определяются в зависимости от времени года и представлены в таблице 14.3.

Таблица 14.3.

Период года	Категория работы	Температура воздуха, оС	Относительная влажность, %	Скорость движения воздуха,
Холодный	III	16 - 18	40 - 60	0,3
Теплый	III	18 - 20	60 - 40	0,3

Для повышения влажности воздуха в помещениях следует применять увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченной водой.

В целях профилактики микроклимата должны быть использованы защитные мероприятия: установка систем местного кондиционирования воздуха, воздушное душирование, регламентация времени работы, в частности, перерывы в работе, сокращение рабочего дня.

В помещениях необходимо предусматривать систему отопления. Она должна обеспечить достаточное, постоянное и равномерное нагревание воздуха в помещениях в холодный период года. При этом температура в течение суток не должна превышать 2 - 3 ^оС на каждый метр длины, а в вертикальном - 1 ^оС на каждый метр высоты помещения.

Система отопления должна компенсировать:

потери тепла через строительные ограждения;

потери на нагрев проникающего в помещение холодного воздуха;

потери на нагрев поступающих извне материалов и оборудования.

Для отопления помещений используются водяные, воздушные, панельно-лучистые системы центрального отопления.

В водяных системах отопления нагретая вода подается в нагревательные приборы с помощью насосов и элеваторов от собственной котельной, районной котельной или ТЭЦ.

В системах панельно-лучистого отопления нагревательные приборы и трубопроводы скрыты в панелях стен и междуэтажных перекрытий, в качестве теплоносителя используется пар и вода. Эти системы отопления наиболее гигиеничны и не нарушают архитектурной отделки помещений.

Для обеспечения установленных норм микроклиматических параметров и чистоты воздуха в помещениях применяют вентиляцию. Вентиляция - организованный воздухообмен, заключающийся в удалении из рабочего помещения загрязненного воздуха и подаче вместо него свежего наружного или очищенного воздуха. По месту действия вентиляция бывает:

общеобменной;

местной.

Действие общеобменной вентиляции основано на разбавлении загрязненного, нагретого, влажного воздуха помещения свежим воздухом до предельно допустимых норм. Эту систему вентиляции наиболее часто применяют в случаях, когда вредные вещества, теплота, влага выделяются равномерно по всему помещению. При такой вентиляции обеспечивается поддержание необходимых параметров воздушной среды во всем объеме помещения. Воздухообмен в помещении можно значительно сократить, если улавливать вредные вещества в местах их выделения, не допуская распространения по помещению. Местная вентиляция по сравнению с общеобменной требует значительно меньших затрат на устройство и эксплуатацию.

В зависимости от назначения вентиляция бывает:

приточная;

вытяжная.

Приточная и вытяжная вентиляция. В этих системах воздух подается в помещения приточной вентиляцией, а удаляется вытяжной вентиляцией.

В зависимости от способа перемещения воздуха вентиляция бывает:

естественная;

принудительная.

Воздухообмен при естественной вентиляции происходит вследствие разности температур воздуха в помещении и наружного воздуха, а также в результате действия ветра. Разность температур воздуха внутри и снаружи помещения вызывают поступление холодного воздуха в помещение и вытеснение из него теплого воздуха.

Естественная вентиляция производственных помещений может быть неорганизованной и организованной.

При неорганизованной вентиляции поступление и удаление воздуха происходит через не плотности и поры наружных ограждений, через окна, форточки, специальные проемы.

Организованная вентиляция производственных помещений осуществляется аэрацией и дефлекторами.

Аэрация. Она осуществляется в холодных цехах за счет ветрового давления, а в горячих цехах за счет совместного или раздельного действия гравитационного и ветрового давлений.

Преимуществом аэрации является то, что большие объемы воздуха подаются и удаляются без применения вентиляторов и воздуховодов.

Недостатками аэрации является то, что в летнее время эффективность аэрации может значительно снижаться вследствие повышения температуры наружного воздуха, особенно в безветренную погоду; кроме того, поступающий в помещение воздух не обрабатывается.

Дефлекторы представляют собой специальные насадки, устанавливаемые на вытяжных воздуховодах и использующие энергию ветра. Дефлекторы применяют для удаления загрязненного или перегретого воздуха из помещений сравнительно небольшого объема, а также для местной вентиляции.

В системах с принудительной вентиляцией движение воздуха осуществляется вентиляторами и в некоторых случаях эжекторами.

Вытяжка нагретого воздуха из помещений может обеспечиваться из верхнего или нижнего уровня или одновременно из верхнего и нижнего уровня. Для удаления воздуха используют напольное или одновременно подпольное пространство. Вытяжные устройства чаще устраиваются в подвесном потолке над тепловыделяющим оборудованием. Методы контроля состояния воздуха рабочей зоны определены санитарными нормами СН 4088-86.

Производственное освещение

Правильно спроектированное и рационально выполненное освещение производственных помещений на предприятиях машиностроительной промышленности оказывает положительное психофизиологическое воздействие на работающих. Оно способствует повышению качества продукции и производительности труда, обеспечению его безопасности, снижает утомление и травматизм на производстве, сохраняет высокую работоспособность в процессе труда.

Производственное освещение, отвечающее требованиям санитарных норм, обеспечивает возможность нормальной деятельности человека, так как

% всей информации поступает в мозг человека через глаза. При хорошем освещении устраняется напряжение глаз, облегчается различение обрабатываемых деталей.

Для создания светового комфорта используют: естественное освещение, создаваемое солнечными лучами и рассеянным светом небосвода; искусственное освещение, создаваемое электрическими источниками света, и совмещенное освещение, при котором недостаточное по нормам освещение дополняется искусственным. Естественное и искусственное освещение в помещениях регламентируется нормами СниП 11-4-79.      

Освещённость Е характеризует поверхностную плотность светового потока и определяется отношением светового потока, падающего на поверхность, к её площади: Е = ,

где Ф - световой поток; S - площадь.

Следует иметь в виду, что освещённость не зависит от свойств освещаемой поверхности: её формы, цвета и т.п. Одинаковый световой поток создаёт равную освещенность на тёмных и светлых поверхностях при условии равенства площадей. Единицей освещённости является люкс (лк). Один люкс равен освещённости поверхности площадью в 1м², по которой равномерно распределён световой поток, равный 1 лм. Освещённость в 1 лк не позволяет выполнять большинство видов работ. Оценить понятие освещённость можно, зная, что освещённость поверхности Земли в лунную ночь составляет примерно 0,2 лк, а в солнечный день доходит до 100 000 лк.

Многочисленными исследованиями установлено большое влияние освещённости рабочих поверхностей на производительность труда. Например, по данным НИИ труда, увеличение освещённости в сборочных цехах с 200 до 800 лк и с 250 до 600 лк привело к увеличению производительности труда соответственно на 7,8 и 5,7%. В механическом цехе увеличение освещённости с 100 до 200 лк вызвало рост производительности труда на 4,3% и снизило брак на 1,2%. Особенно велико влияние освещённости на производительность труда для технологических процессов с большим объёмом зрительных работ.

Естественное освещение подразделяют на боковое (осуществляется через световые проёмы в наружных стенах), верхнее (осуществляемое через аэрационные и зенитные фонари, проёмы в местах перепада высот смежных пролётов зданий) и комбинированное (когда к верхнему освещению добавляется боковое).

По конструктивному исполнению искусственное освещение может быть двух систем - общее и комбинированное, когда к общему освещению добавляется местное, концентрирующее световой поток непосредственно на рабочих местах.

Общее освещение подразделяют на общее равномерное освещение (при равномерном распределении светового потока без учета расположения оборудования) и общее локализованное освещение (при распределении светового потока с учетом расположения рабочих мест). Применение одного местного освещения внутри здания не допускается.

Если рабочие места сосредоточены на отдельных участках, например у конвейеров, разметочных плит, целесообразно локализовано размещать светильники общего освещения.

По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на следующие виды: рабочее, аварийнее, охранное, дежурное.

а) расчёт освещения:

Задачей расчета является определение потребной мощности электрической осветительной установки для создания в производственном помещении заданной освещенности.

Для расчета общего равномерного освещения при горизонтальной рабочей поверхности основным является метод светового потока (коэффициент использования), учитывающий поток, отраженный от потолка и стен. Световой поток лампы Ф_Л (лм) при лампах накаливания или световой поток группы ламп светильника при люминесцентных лампах рассчитывают по формуле:

,

где Е_Н - нормированная минимальная освещенность, лк;

S - площадь освещаемого помещения, м² ;

z - коэффициент минимальной освещенности;

k - коэффициент запаса;

N - число светильников в помещении;

 - коэффициент использования светового потока ламп.

Примем:

z=1,1;

=43;

N=6;

k=1,3;

Е_Н = 340 лк.

при  

где А = 4,5м и В = 3,5м - два характерных размера помещения;

H_p - высота светильников над рабочей поверхностью ( =2,5 м ).

 

Подберем стандартную ближайшую лампу и определим мощность всей электрической системы:

тип лампы ЛД 80.

Точечный метод применяют для расчета локализованного и комбинированного освещения, освещения наклонных и вертикальных плоскостей и для проверки расчета равномерного освещения, когда отраженным световым потоком можно пренебречь.

В основу точечного метода положено уравнение:

,

где I_а - сила света в направлении от источника на данную точку рабочей поверхности, кд;

r - расстояние от светильника до расчетной точки, м;

 - угол между нормалью рабочей поверхности и направлением светового потока от источника.

Для практического использования введем в формулу коэффициент запаса k и заменим r на Н_pcos, откуда

При  и равномерном освещении сила света I_а = 260 кд.

лк

Метод удельной мощности является наиболее простым, но и наименее точным, поэтому его применяют только при ориентировочных расчетах. Этот метод позволяет определить мощность каждой лампы Р_л (Вт) для создания в помещении нормируемой освещенности:

,

где p - удельная мощность, Вт/м²;

S - площадь помещения;

n - число ламп в осветительной установке.

 Вт.

Шум и мероприятия по его снижению

С физиологической точки зрения шум рассматривают как звук, мешающий разговорной речи и негативно влияющий на здоровье человека. В соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ, СниП 11-12-77 шум классифицируется по спектральным и временным характеристикам. Для оценки и сравнения шумов, изменяющихся во времени, применяют уровни звука, измеряется в децибелах.

Диапазон слышимых частот лежит в пределах 16…20000 Гц. Ниже 16 Гц (инфразвук), выше 20 кГц (ультразвук) - это область колебаний, не воспринимаемых ухом человека как звук, но при определенной интенсивности являющихся вредными для него.

Шум уровнем звукового давления 30…35 дБ является привычным для человека и не беспокоит его, повышение уровня до 40…70 дБ создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия, снижение производительности труда. Шум с уровнем 80 дБ затрудняет разборчивость речи, вызывает снижение работоспособности и мешает нормальному отдыху. Люди, работающие в условиях повышенного шума, жалуются на быструю утомляемость, головную боль, бессонницу. У человека ослабляется внимание, страдает память. Длительное воздействие шума с уровнем 100-120 дБ на низких частотах и 80-90 дБ на средних и высоких частотах может вызвать необратимые потери слуха или даже механическое повреждение органов слуха. Допустимым уровнем звукового давления является уровень звука до 50 дБ.

Технические средства, например перфораторы, создают механический шум, установки кондиционирования - аэродинамический, преобразователи напряжения - электромагнитный.

В производственных помещениях наиболее эффективное снижение шума можно достичь путем установки звукоизолирующих преград в виде стен, перегородок, кожухов, кабин, выгородок и т.д.

Звуконепроницаемые материалы и конструкции предназначены для поглощения звука как в помещениях с источником, так и в соседних помещениях. Для уменьшения шума в помещениях применяются еще звукоизолирующие конструкции, ослабляющие шум в соседних помещениях на 30-50 дБ.

Невыгодно, а иногда и практически невозможно уменьшить шум до допустимых величин общетехническими мероприятиями. Тогда применяются средства индивидуальной защиты, которые являются основными мерами, предотвращающими профессиональное заболевание работающих.

К средствам индивидуальной защиты относят вкладыши, беруши, наушники и шлемы.

Вибрация и средства индивидуальной защиты от вибрации

В соответствии с ГОСТ 2446-80 под вибрацией принято понимать движение точек или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание, и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты.

По характеру воздействия на человека вибрации делятся на общие и локальные. Общие вибрации приложены к опорным поверхностям тела человека в положении стоя или сидя. Общая вибрация с частотой 0,7 Гц хотя и неприятна, но не приводит к вибрационной болезни. Следствием такой вибрации является морская болезнь, происходящая из-за нарушения нормальной деятельности органов равновесия по причине резонансных явлений. Опасность воздействия общей вибрации возникает вследствие возможного развития резонансных колебаний внутренних органов, что может привести к их смещению и механическому повреждению.

Локальная высокочастотная вибрация обычно воздействует на отдельные части тела: руки, ноги человека. Местная вибрация может вызвать ухудшение кровообращения кистей рук, пальцев, предплечья, сосудов сердца. В результате может возникнуть нарушение чувствительности кожи, отложение солей, окостенение сухожилий мышц в кистях рук и пальцах и, как следствие, деформирование и снижение подвижности суставов.

Воздействие вибраций не только ухудшает самочувствие работающего, но часто приводит к тяжкому профессиональному заболеванию - виброболезни. Поэтому вопросам борьбы с вибрацией отдается большое значение.

Основными методами борьбы с вибрациями машин являются: снижение вибрации в источнике ее возникновения; демпфирование и динамическое гашение вибраций; виброизоляция.

При работе с ручным механизированным электрическим и пневматическим инструментом применяют средства индивидуальной защиты рук от воздействия вибраций. К ним относятся: рукавицы, перчатки, а также виброзащитные прокладки или пластины, которые снабжены креплениями в руке. Учитывая неблагоприятное воздействие холода на развитие виброболезни, при работе в зимнее время рабочих надо обеспечить теплыми рукавицами.

В целях профилактики вибрационной болезни для работающих с вибрирующим оборудованием рекомендуется специальный режим труда. Суммарное время работы в контакте с вибрацией не должно превышать  рабочей смены, при этом продолжительность непрерывного воздействия вибрации, включая микропаузы, не должна превышать 15-20 минут.

Электробезопасность

При разработке мероприятий по обеспечению электробезопасности необходим учет класса производственного помещения по опасности поражения электрическим током. Указанные помещения могут быть отнесены к трем классам: без повышенной опасности, с повышенной опасностью и особо опасные.

Помещения без повышенной опасности характеризуются нормальной температурой и влажностью, отсутствием пыли, наличием не токопроводящих полов. В них отсутствуют признаки помещений двух других классов. В большинстве случаев к помещениям относятся кабинеты, лаборатории, вычислительные центры и т.п.

Помещения с повышенной опасностью характеризуются наличием одного из следующих признаков: токопроводящих полов, повышенной температуры воздуха (более +35 ^оС), повышенной относительной влажности воздуха (более 75%), токопроводящей пыли (металлической, угольной и т.д.) на оборудовании и проводке, возможности прикосновения работающих одновременно к электрооборудованию и металлоконструкциям зданий или инженерному оборудованию, имеющим связь с землей (трубопроводы, радиаторы отопления и т.п.). К этой группе относятся: складские неотапливаемые помещения, механические цеха и участки, но с токопроводящими полами.

Помещения особо опасные характеризуются: сочетанием двух и более признаков помещений с повышенной опасностью, наличием особой сырости, наличием химически активной или органической пыли (плесени).

Работы по степени электробезопасности делятся по тем же признакам на работы без повышенной опасности, повышенной опасности и особо опасные.

Электрический ток оказывает термическое, электрическое и биологическое воздействие, проходя через организм человека. Чем больше сила тока, тем опаснее его действие на человека.

Для предотвращения электротравматизма необходимо применять защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических токоведущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

К вопросам безопасности при работе на компьютере надо подходить крайне серьезно, поэтому необходимо проводить инструктаж по правилам эксплуатации электрооборудования и оказанию первой помощи при поражении электрическим током.

Статическое электричество - совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением, релаксацией свободного диэлектрического заряда в диэлектриках и полупроводниковых материалах.

Основная опасность статического электричества связана с образованием искры, способной инсценировать пожар или взрыв. Кроме того, статическое электричество представляет опасность для людей, создавая электрические поля, значение которых превышают предельно допустимые.

Нормирование электрического поля проводится в соответствии с «Санитарно-гигиеническими нормами допустимой напряженности электрического поля № 1757-77». Допустимое значение электрического поля на рабочих местах не должно превышать 60 кВ/м при воздействии его до одного часа.

Кроме надежного заземления к числу эффективных способов борьбы с накоплением зарядов статического электричества можно отнести следующие: снижение величины тока электризации, ионизации воздуха вокруг электризующих тел или увеличения влажности воздуха, использование нейтрализаторов, а также индивидуальные средства защиты (антистатическая обувь, антистатические халаты, перчатки и др.).

Пожаробезопасность

Пожары представляют особую опасность, так как сопряжены с большими материальными потерями. Как известно пожар может возникнуть при взаимодействии горючих веществ, окисления и источников зажигания. Горючими компонентами являются: строительные материалы для акустической и эстетической отделки помещений, перегородки, двери, полы, изоляция кабелей и др.

Противопожарная защита - это комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на обеспечение безопасности людей, на предотвращение пожара, ограничение его распространения, а также на создание условий для успешного тушения пожара.

Под огнестойкостью понимают способность строительной конструкции сопротивляться воздействию высокой температуры в условиях пожара и выполнять при этом свои обычные эксплуатационные функции.

К основным видам техники, предназначенной для защиты различных объектов от пожаров, относятся средства сигнализации и пожаротушения.

Пожарная сигнализация должна быстро и точно сообщать о пожаре с указанием места его возникновения. Наиболее надежной системой пожарной сигнализации является электрическая пожарная сигнализация. Наиболее совершенные виды такой сигнализации дополнительно обеспечивают автоматический ввод в действие предусмотренных на объекте средств пожаротушения.

Комплекс мероприятий, направленных на устранение причин возникновения пожара и создание условий, при которых продолжение горения будет невозможным, называется пожаротушением.

Для ликвидации процесса горения необходимо прекратить подачу в зону горения либо горючего, либо окислителя, или уменьшить подвод теплового потока в зону реакции. Это достигается:

- сильным охлаждением очага горения или горящего материала с помощью веществ (например, воды), обладающих большой теплоемкостью;

изоляцией очага горения от атмосферного воздуха или снижением концентрации кислорода в воздухе путем подачи в зону горения инертных компонентов;

применением специальных химических средств, тормозящих скорость реакции окисления;

механическим срывом пламени сильной струей газа или воды;

созданием условий огнепреграждения, при которых пламя распространяется через узкие каналы, сечение которых меньше тушащего диаметра;

Для достижения вышеуказанных эффектов в настоящее время в качестве средств тушения используют:

- воду, которая подается в очаг пожара сплошной или распыленной струей;

различные виды пен (химическая или воздушно-механическая), представляющих собой пузырьки воздуха или углекислого газа, окруженные тонкой пленкой воды;

инертные газовые разбавители, в качестве которых могут использоваться: углекислый газ, азот, аргон, водяной пар, дымовые газы и т.д.;

гетерогенные ингибиторы - огнетушащие порошки;

комбинированные составы.

Огнетушители предназначены для тушения загораний и пожаров в начальной стадии их развития. По виду огнегасительных веществ их подразделяют: жидкостные, углекислотные, аэрозольные и порошковые. В зависимости от объёма огнетушители бывают малолитражные до 5 л; ручные промышленные до 10 л.; передвижные более 10 л.. Огнетушители маркируются буквами, характеризующими вид огнетушителя и одной- тремя цифрами, обозначающими его вместимость. СО₂- огнетушители служат для тушения загораний диоксидом углерода в газообразном или твёрдом виде. Промышленность выпускает углекислотные огнетушители в ручном (ОУ-2, ОУ-5, ОУ-8) и транспортном (ОУ-25, ОУ-80, ОУ-400) вариантах.

Углекислотно-бромэтиловые огнетушители ОУБ-3 и ОУБ-7 содержат заряд, состоящий из 97% бромистого этила, 3% сжиженного воздуха, вводимого в огнетушители для создания рабочего давления, равного 0,9МПа.

Порошковые огнетушители получают всё большее распространение. Они выпускаются типов: ОП-1 «момент», ОП-2А, ОП-10А, ОПС-10, ОП-100, ОППС-10, ОП-250, СП-120.

Ручной порошковый огнетушитель ОП-10 служит для тушения небольших загораний щелочных металлов, древесины, пластмассы и др.

Кроме описанных существует много других видов огнетушителей. Например, огнетушитель аэрозольный хладоновый (ОАХ- 0,5), огнетушители хладоновые (ОХ-3 и ОХ-7), огнетушители жидкостные (ОЖ-5, ОЖ-10), огнетушители автоматические (УАП-А5, УАП-8, УАП-А16) и др.

Вода является наиболее широко применяемым средством тушения.

Обеспечение предприятий и регионов необходимым объемом воды для пожаротушения обычно производится из общей (городской) сети водопровода или их пожарных водоемов и емкостей. Требования к системам противопожарного водоснабжения изложены в СниП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и в СниП 2.04.01.-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий».

Анализ опасных и вредных факторов на рабочем месте

При производстве детали используются следующие операции:

токарная;

протяжная;

фрезерная;

термическая;

шлифовальная;

полировальная.

При выполнении этих операции следует выполнять нижеизложенные меры безопасности:

Нельзя сметать стружку с обрабатываемой детали рукой, чтобы посмотреть, насколько чистой получается поверхность обработки; при этом можно попасть пальцами под работающий инструмент. Опасно охлаждать фрезу, сверло и другие инструменты концами, пропитанными охлаждающей жидкостью.

Очень важное условие безопасной работы - это опрятность и аккуратность в одежде. Нужно одеваться так, чтобы одежда не могла быть захвачена движущимися частями станка. Работать надо в спецодежде, плотно облегающей тело, не имеющей шнурков и завязок. Рабочий костюм необходимо плотно завязывать.

Осторожность нужна также при установке, креплении и снятии деталей. При этом существует возможность пореза о заусенцы или острые кромки деталей уже после её обработки. Кроме того, нельзя на ходу станка делать какие бы то ни было измерения детали. Особая осторожность требуется при установке тяжёлых приспособлений, которые при падении могут поранить ноги работающего.

Обрабатываемые детали следует надёжно крепить в тисках.

Для защиты работающего на станке от летящей металлической стружки применяют ограждения различных конструкций.

При работе с электрооборудованием необходимо прежде всего остерегаться непосредственного соприкосновения со всякого рода токоведущими частями, с частями оборудования и металлоконструкциями, которые оказались под напряжением вследствие нарушения изоляции в тех или иных электроустановках.

В процессе изготовления следует предусмотреть отвод снятого с заготовки металла, который при шлифовальной и полировальной операциях представляет собой частицы металла с очень малым диаметром.

Чрезвычайная ситуация

Чрезвычайно высокие потоки негативных воздействий создают чрезвычайные ситуации (ЧС). Которые изменяют комфортное или допустимое состояние среды обитания и переводят жизнедеятельность в качественно иное состояние - состояние взаимодействия человека со средой обитания в условиях опасности. Переход в ЧС принципиально меняет приоритеты задач обеспечения жизнедеятельности: вместо задач, обеспечивающих непревышение допустимых уровней негативного воздействия и задач снижения риска воздействия опасностей, на первое место выходят задачи защиты от чрезвычайно высоких уровней негативного воздействия, ликвидации последствий ЧС, реабилитации пострадавших в ЧС и восстановления повседневной жизнедеятельности.

В соответствии с ГОСТ Р.22.0.02 - 94 чрезвычайная ситуация - состояние, при котором в результате возникновения источника ЧС на объекте, определённой территории или акватории нарушаются нормальные условия жизни и деятельности людей, возникает угроза их жизни и здоровью, наносится ущерб имуществу населения, экономике и окружающей природной среде.

Чрезвычайные ситуации могут быть классифицированы по значительному числу признаков, по типам и видам событий, лежащих в основе этих ситуаций, по масштабу распространения, по сложности обстановки, тяжести последствий.

Чрезвычайные ситуации на промышленных объектах в своём развитии проходят пять условных типовых фаз:

Первая - накопление отклонений от нормального состояния или процесса; фаза относительно длительная по времени, что даёт возможность принятия мер для изменения или остановки производственного процесса и существенно снижает вероятность аварии и последующей ЧС;

Вторая - фаза инициирующего события или фаза «аварийной ситуации»; фаза значительно короче по времени, хотя в ряде случаев ещё может существовать реальная возможность либо предотвратить аварию, либо уменьшить масштабы ЧС;

Третья - процесс чрезвычайного события, во время которого происходит непосредственное воздействие на людей, объекты и природную среду первичных поражающих факторов. При аварии на производстве в этот период происходит высвобождение энергии, которое может носить разрушительный характер; при этом масштабы последствий и характер протекания аварии в значительной степени определяются не начальным событием, а структурой предприятия и используемой на нём технологией; эта особенность затрудняет прогнозирование развития наступающего бедствия;

Четвёртая - фаза действия остаточных и вторичных поражающих факторов;

Пятая - фаза ликвидации последствий ЧС.

Устойчивость промышленного объекта в ЧС может оцениваться в общей и частных постановках задачи. В общей постановке оценивается функционирование объекта в целом в соответствии с его целевым предназначением. В частных постановках может оцениваться устойчивость конструктивных элементов, участков, цехов или даже отдельных функций объекта относительно отдельных или всех в совокупности поражающих факторов ЧС.

В общей постановке под устойчивостью работы промышленного объекта понимают способность объекта выпускать установленные виды продукции в объемах и номенклатуре, предусмотренных соответствующими планами в условиях ЧС, а также приспособленность этого объекта к восстановлению в случае повреждения. Для объекта, не связанных с производством материальных ценностей (транспорта, связи, линии электропередач и т. п.), устойчивость определяется его способностью выполнять свои функции. Под устойчивостью технической системы понимается возможность сохранения нею работоспособности при ЧС.

В частной постановке устойчивость объекта в ЧС может быть оценена относительно действия какого-либо одного поражающего фактора, например, относительно температурного воздействия на здания, сооружения и оборудование объекта. Температурное воздействие является статистически преобладающим фактором, проявляющимся при различных ЧС техногенного происхождения в качестве первичного, а в ряде случаев и вторичного фактора. Оно возникает при воздействии потоков нагретого воздуха, воздействии открытого пламени, температурном воздействии при взрывах или воздействии лучистой энергии и приводит к возникновению и распространению пожаров.

Устойчивость функционирования промышленного объекта при возникновении пожара зависит от огнестойкости элементов оборудования и зданий, от их конструктивной и функциональной пожарной опасности, от наличия на объекте средств локализации и тушения пожаров и возможностей их своевременного применения.

Возможная чрезвычайная ситуация

Рассмотрим возможность возникновения пожара на предприятии.

Пожар может возникнуть по различным причинам: короткое замыкание в электрической проводке, курение в неположенном месте, сварочные работы, промасленная ветошь, брошенная в углу и др.

К примеру, в промасленной ветоши, при соприкосновении масла с кислородом, содержащемся в воздухе, происходит реакция окисления с выделением тепла, что, в конечном итоге может привести к возникновению пожара. Процесс окисления довольно длительный и его можно предотвратить, но из - за его же длительности его сложно обнаружить. Поэтому следует внимательно относится к такой неприметной вещи, как ветошь. Следует оставлять использованную ветошь в предназначенных для этого местах.

Предположим, что ветошь оставлена в неположенном месте. Существует вероятность её воспламенения при стечении определённых обстоятельств, как то: тёплое сухое место, доступ кислорода, длительное время нахождения на одном месте. Время до воспламенения может быть различным, в зависимости от обстоятельств.

Горящая ветошь может воспламенить находящиеся вокруг неё предметы.

Происходит распространение огня. Распространение огня приводит к уничтожению воспламенившихся объектов, разрушению материально - технических средств, находящихся вблизи источников огня. Распространение огня зависит от наличия горючих материалов. На предприятии они присутствуют в достаточном количестве в различных местах. Огонь может распространиться на большое расстояние по скрытым полостям в стенах, где горючим для него является изоляция токоведущих проводов, создавая всё новые и новые очаги пожара.

При пожаре выделяются продукты горения, являющиеся токсичными, не содержащими воздуха. Они приводят к отравлению и удушью людей, не успевших покинуть место горения. Дым пожара затрудняет видимость и ещё более усугубляет положение людей, не покинувших помещение. Высокая температура горения воздействует на само здание, уменьшая прочность железобетонных конструкций. Огнём уничтожается оборудование, продукция.

Для тушения возгорания на начальной стадии и небольшой площади горения следует воспользоваться огнетушителем. При горении на большей площади необходимо применение стационарных противопожарных средств.

Обязательно необходимо сообщить о возгорании в пожарную часть.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

звездообразный дизельный двигатель автобус

В результате выполнения данного дипломного проекта был спроектирован звездообразный дизельный двигатель с заданными техническими характеристиками: мощностью 162 кВт при 2100 об/мин и максимальным крутящим моментом 952 Н·м при 1100 об/мин для установки на автобус городского типа. После проведенных патентных исследований и анализа информации о существующих аналогах подобных моделей двигателей (таких как Паккард DR-980, ZOD-240A и Бристоль «Феникс») были получены представления о пределах изменения основных показателей звездообразных дизельных двигателей (литровая мощность, коэффициент приспособляемости, и другие).

Руководствуясь полученной информацией, были проведены все необходимые расчеты двигателя (тепловой, кинематический, динамический, и прочностной расчеты) и его систем (охлаждения, питания и смазки).

Анализируя результаты расчетов, можно отметить следующие положительные моменты:

·   достигнут хороший характер протекания кривых мощности и крутящего момента по ВСХ;

·   получена хорошая удельная масса двигателя по отношению к выбранным аналогам g_N = m/Ne = 0,75 кг/л.с. (1,01 кг/кВт);

·   получен высокий показатель эффективного к.п.д. η_e = 0,41;

·   получена хорошая литровая мощность N_eл = 15,2 кВт/л;

·   получены хороший расход топлива на всех режимах работы по ВСХ;

·   получены хорошие результаты прочностных расчетов деталей проектируемого двигателя;

·   получены хорошие результаты расчетов систем двигателя;

·   получены хорошие габаритные показатели двигателя, за счет изменения стандартной конструкции на новую;

·   успешно реализована попытка совместить жидкостное охлаждение с воздушным.

В экономической части были произведены расчеты технико-экономических показателей по производству разрабатываемого дизельного двигателя. С экономической точки зрения автомобиль со спроектированным двигателем является более рентабельным.

В технологической части проекта разработаны маршрутные карты обработки детали "впускной клапан механизма газораспределения", и рассчитаны режимы резания и время выполнения для каждой операции.

Разработка дизельного двигателя внутреннего сгорания со звездообразным (радиальным) расположение цилиндров совместно с системами предложенными в данном проекте позволила получить улучшение следующих параметров по сравнению с аналогичными дизельными двигателями:

улучшение габаритных характеристик;

получение высокой удельной и литровой мощности;

улучшение уравновешенности двигателя, а значит уменьшение вибраций и излишней шумности двигателя;

упростить производство и повысить надежность двигателя за счет упрощения схемы кривошипно-шатунного механизма;

повышение ремонтопригодности двигателя, за счет звездообразного расположения цилиндров.

Рекомендации:

Продолжить работы по разработке двигателей внутреннего сгорания со звездообразным расположение цилиндров. Необходимо рассмотреть вопрос о постановке электропомпы в системе охлаждения двигателя, управляемой от ЭБУ, режим работы которой будет полностью зависеть от температуры двигателя, а не от оборотов, как в представленной схеме. Это позволит сделать систему воздушного охлаждения основной, а жидкостную систему - дополнительной. Тем самым уменьшить потери мощности затрачиваемой на жидкостную систему охлаждения. Так же это позволит держать температурный режим двигателя на оптимальном уровне.

ЛИТЕРАТУРА

1.     Расчёт автомобильных и тракторных двигателей / А.И.Колчин, В.П. Демидов. М.: Машиностроение, 2002. 496 с.

2.       Авиационные двигатели - динамика, конструкция и расчет на прочность. Выпуск I / А.В. Штода. Издание ВВИА им.проф. Н.Е. Жуковского: 1951. 235 с.

.         Авиационные двигатели - динамика, конструкция и расчет на прочность. Выпуск II / А.В. Штода. Издание ВВИА им.проф. Н.Е. Жуковского: 1952. 239 с.

.         Авиационные двигатели - динамика, конструкция и расчет на прочность. Выпуск III / А.В. Штода. Издание ВВИА им.проф. Н.Е. Жуковского: 1952. 279 с.

.         Динамика и расчет на прочность авиационных моторов - Справочник, Часть I / И.Ш. Нейман. Москва-Ленинград: Государственное Авиационное и Автотракторное Издательство, 1933. 222 с.

.         Динамика и расчет на прочность авиационных моторов - Справочник, Часть II / И.Ш. Нейман. Москва-Ленинград: Государственное Научно-Техническое Издательство по Машиностроению и Металлообработке, 1934. 222 с.

.         Авиационные дизели / Т.М. Мелькумов. Москва: Государственное военное издательство Наркомата Обороны Союза ССР, 1940. 250 с.

.         Авиационный мотор АШ-62ИР - Описание конструкции и эксплуатация / В.Е. Бочаров, Л.Д. Гутман. Москва: Редакционно-издательский отдел Аэрофлота, 1951. 348 с.

.         Авиационный двигатель АШ-62ИР / П.С. Лабзин. Москва: Редакционно-Издательский Отдел Аэрофлота, 1956. 530 с.

.         Авиационный мотор АШ-82ФН - Описание конструкции / А.М. Абрамов, С.Н. Раппопорт. Москва: Государственное Издательство Оборонной Промышленности, 1947. 241 с.

.         Авиационные поршневые двигатели - кинематика, динамика и расчет на прочность / И.А. Биргер, Н.И. Дружинин. Москва: Государственное Издательство Оборонной Промышленности, 1950. 870 с.

.         Авиационные моторы ВВС иностранных государств. Москва: Государственное военное издательство Наркомата Обороны Союза ССР, 1939. 163 с.

.         Масляные насосы МШ-8 и МШ-1 / С.И. Бармин. Москва: Государственное Издательство Оборонной Промышленности, 1940. 37 с.

.         Масляные фильтры МФМ-25, МФ-1 и МФ-2 / А.А. Веденский. Москва: Государственное Издательство Оборонной Промышленности, 1939. 38 с.

.         Об определенни времени приемистости авиационного двигателя / Б.Е. Брусянов. Москва: Государственное Издательство Оборонной Промышленности, 1948. 20 с.

.         Проектирование систем жидкостного охлаждения поршневых двигателей. А.Б. Березовский. Учебное пособие к курсовому и дипломному проектированию / Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2000. 87с.

.         Березовский А.Б., Егоров С.В. Эксплуатационные свойства автомобиля: Учебное пособие к курсовой работе. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2002. 51с.

.         Методические рекомендации по определению экономической эффективности новой техники / Сост. Е.В. Голдобеев, А.М. Яушев; Казан. гос. техн. ун-т. Казань, 2000. 36 с.

.         Апенко В.П. Справочник по освещению. - М.: Строиздат, 1980

.         Дунин Н.А. Основы проектирования технологических процессов производства деталей машин: Учебное пособие. Казань, Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 1998. 132с.

21.   Справочник технолога-машиностроителя. Т.2 /Под редакцией А.Г. Косиловой и Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. 496с.