| Задание: |
Рамы, блоки цилиндров, крышки цилиндров. Поршни, поршневые
кольца и шатуны. Коленчатый вал, коренные и шатунные вкладыши
Блок дизеля,
цилиндровые втулки и поршни блок дизеля и поддизельная рама
Блок (рис.
40) — это как бы костяк дизеля. Он полностью воспринимает усилия от давления
газов на поршни в цилиндрах и силы инерции деталей шатунно-кривошипного
механизма, совершающих возвратно-поступательное и вращательное движение.

Рис. 40. Блок дизеля 2Д100
К блоку крепят турбокомпрессоры, центробежный нагнетатель,
воздухоохладители, топливный, водяной и масляный насосы, форсунки, регулятор
частоты вращения и другие вспомогательные агрегаты, механизмы,
трубопроводы. Высокая степень нагруженности блока заставляет конструкторов
делать его не только прочным, но и, что особенно важно, жестким. Если блок не
будет жестким, он не сможет сопротивляться деформациям, которые могут быть
вызваны действием сил и неравномерным нагревом отдельных частей дизеля. В
результате может нарушиться работа коленчатого вала и других узлов.
Прочность блока обеспечивает целостность всей конструкции, а жесткость
препятствует изменению формы, сохраняя прогибы (деформации) в
пределах определенных, допустимых, заранее установленных величин. По своим
размерам блок является самой крупной деталью дизеля. Например, длина блока
дизеля типа Д100 около 4 м, ширина — 1,1 м, высота — 1,8 м. Масса блока около
5,5 т. Чтобы обеспечить блоку дизеля достаточную прочность и жесткость при
заданной массе, выбирают не только размеры и форму блока, но и материал. На
некоторых дизелях блоки изготовлены из чугуна (например, на дизелях типа Д50),
легких алюминиевых сплавов (на дизелях 1Д12, М756 и М753). Блоки дизелей 2Д100,
1 ОД 100, ИД45, 14Д40, Д49 (верхняя часть) и Д70 сварены из листовой стали, что
позволяет более рационально использовать металл. Благодаря тому они обладают
небольшой массой по сравнению с литыми чугунными блоками, а по массе,
приходящейся на 1 кВт, приближаются к блокам из алюминиевых сплавов. В этом
состоит одно, из основных преимуществ блоков сварной конструкции.

Рис. 41. Блок дизеля типа Д49
Интересно отметить, что длина сварных швов, например блока
дизеля 2Д100, достигает 600 м, т. е. в 150 раз больше длины блока, что,
конечно, создает трудности в его изготовлении. Блок
дизеля типа Д100 представляет собой коробчатую конструкцию из
стальных вертикальных и горизонтальных листов с гнездами для цилиндровых втулок
и опорами для подшипников верхнего и нижнего коленчатых валов.
Листы-перегородки, придавая блоку жесткость, разделяют его по высоте на пять
горизонтальных отсеков (см. рис. 40) и по длине на двенадцать вертикальных
отсеков, где и размещаются все основные детали и узлы дизеля. Первый (верхний)
горизонтальный отсек занимает верхний коленчатый вал; во втором —
размещен воздушный ресивер, в который подается воздух для продувки
и зарядки цилиндров; в третьем — топливные насосы и форсунки; в
четвертом — выпускные коллекторы и в пятом — нижний
коленчатый вал. Второй, третий и четвертый отсеки изолированы друг от
друга, а первый и пятый связаны между собой через отсек вертикальной передачи и
отсек управления. К двенадцати вертикальным отсекам относятся (на рис. 40
справа налево) отсек вертикальной передачи, десять отсеков цилиндровых втулок и
отсек управления. Для осмотра и монтажа всех механизмов у отсеков имеются
специальные окна-люки, закрываемые крышками. Сверху блок
закрыт крышкой картераверхнего коленчатого вала, а снизу блок
ставится на поддизельную раму, имеющую картер (корытообразный
маслосборник), из которого масло поступает к масляному насосу дизеля.
Поддизельная рама состоит из двух массивных продольных балок, соединенных между
собой двумя поперечными балками. Для увеличения жесткости поддизельная рама
снабжена дополнительными листами (ребрами жесткости). На верхних опорных листах
поддизельной рамы имеются отверстия для крепления к ней блока
дизеля и станины тягового генератора. Поддизельная рама опирается на раму
тепловоза. Мы подробно рассмотрели устройство блока однорядных дизелей типа
Д100. На рис. 41 представлен внешний вид блока V-образного тепловозного дизеля
типа Д49. В развале между цилиндрами блока дизеля Д49 образован канал
(воздушный ресивер), по которому в цилиндровые крышки (они крепятся к блоку)
подается наддувочный воздух. Ниже ресивера размещен центральный масляный канал.
К верхней горизонтальной плите блока крепится лоток (на рисунке не
показан), в котором установлены распределительный вал, топливные насосы и
рычажный механизм привода впускных и выпускных клапанов. Почти такой же внешний
вид имеют блоки V-образных двигателей внутреннего
сгорания 11Д45 и Д70.
Поршневые кольца
Поршень,
перекрывающий поперечное сечение цилиндра, должен быть устроен так, чтобы через
зазор между поршнем и стенками цилиндра в картер дизеля не проникали газы.
Утечка газов приведет к снижению мощности дизеля. Кроме того, газы, проходя
через зазор, вызовут местный перерыв стенок цилиндровой втулки и выгорание
масла. Это повлечет за собой интенсивный износ втулки и поршня.
Утечка же воздуха при ходе сжатия приведет к снижению
экономичности, а температура, в камере сгорания может оказаться недостаточной
для воспламенения топлива. Для чего в таком случае нужен зазор? Если его не
предусмотреть, то во время работы дизеля поршень расширится и его заклинит в
цилиндровой втулке; зеркало ее и боковая поверхность поршня будут повреждены.
Чтобы этого избежать, между поршнем и втулкой цилиндра приходится оставлять
зазор, а конструкцию поршня несколько усложнять: и а его поверхности
протачивают кольцевые канавки (ручьи) (см. рис. 44), в которые вставляют
упругие (пружинящие) уплотнительные кольца (рис. 45).

Рис. 45 Кольца
поршня дизеля 10Д100
Первое требование к
кольцам — это плотное прилегание к канавкам поршня и боковой поверхности
цилиндровой втулки. В свободном состоянии диаметр кольца больше, чем диаметр
втулки: все кольца имеют разрез - замок (см. рис. 45). Замок позволяет разжать
кольцо и в таком состоящий надеть его на поршень. Такие упругие кольца,
заведенные вместе с поршнем во втулку, подобно пружине стремятся разжаться и
при этом плотно прилегают к стенкам цилиндровой втулки. В сжатом состоянии в
месте стыка концы кольца сходятся. Формы замков бывают разными. Наибольшее
распространение получили косые замки. Под давлением воздуха и газов кольца
плотно прижимаются к канавкам поршня и, кроме того, прижимаются к боковой
поверхности втулки, обеспечивая достаточную герметичность (уплотнение)
внутри цилиндра. Когда в процессе работы зазор между поршнем и
цилиндровой втулкой вследствие износа увеличивается, поршневые кольца, будучи
упругими, разжимаются, чем достигается самоуплотнение их во втулке.
Уплотнительные (компрессионные) кольца размещены в верхней части поршня, а
самое верхнее - вблизи днища поршня. Поршни дизелей 1 ОД 100, 2Д100, 14Д40,
11Д45 имеют по четыре канавки для уплотнительных колец, поршни дизелей Д49 и
Д70 — по три канавки, а поршни дизелей 2Д50 и Д50 - по пять.
Несколько колец, расположенных рядом, создают лучшую преграду (по сравнению с
одним кольцом) против проникновения (пробоя) газов в картер дизеля (во время
рабочего хода поршня) и против утечки воздуха из
цилиндра (во время сжатия). Работа уплотнительных колец
сопровождается интересным явлением. Взгляните на рис. 46, а.

Рис. 46. Схема
насосного действия уплотнительных колец
Когда поршень
начинает перемещаться вниз, уплотнительные кольца прижимаются к верхней
плоскости канавки поршня так, что между нижней и боковой плоскостями каждого
кольца и канавками образуется, свободное пространство, которое заполняется
маслом. При движении поршня вверх (рис. 46, б) кольца прижимаются к нижней
плоскости канавок, и они выжимают попавшее в канавки масло кверху, в
камеру сгорания. Масло, находившееся под кольцом, оказывается над
кольцом. Получается, что поршневые кольца, прижимаясь поочередно к верхней и к
нижней плоскостям канавок, то засасывают масло,
то постепенно вытесняют его (рис. 46, в) в камеру сгорания
подобно насосу. «Насосное действие» колец настолько сильно, что на внутреннюю
поверхность цилиндра поступает масла больше, чем требуется, а это нежелательно,
так как избыток масла попадает в камеру сгорания, оставаясь на стенках
цилиндра. Масло подвергается нагреву от горячих газов. Так как оно находится на
относительно холодных стенках, то полностью не сгорает и превращается в
смолистое вещество, которое в виде нагара после остановки дизеля затвердевает
на головке поршня, забивает канавки в зазорах между поршнем и поршневыми
кольцами, ухудшает подвижность уплотнителышх колец. Нижняя часть
зеркала цилиндровой втулки покрывается слоем масла, попадающего на стенки
втулки через зазоры подшипников шатунно-кривошипного механизма путем
разбрызгивания. Как же снять с зеркала втулки избыток масла? Для этого поршень
снабжают еще двумя-тремя маслосъемными (или маслосрезывающими) кольцами,
устанавливаемыми в нижней части поршня. Конструктивно маслосъемные кольца
отличаются от уплотнительных еще и тем, что имеют скошенную острую кромку (рис.
47), которой при движении поршня вниз от камеры сгорания) они соскабливают
масло со стенок цилиндровой втулки. Дальше через сквозные щели в кольце и
каналы в кольцевых канавках поршня масло стекает в картер дизеля.

Рис. 47. Схема
работы маслосъемного кольца
При обратном ходе,
когда поршень движется вверх к камере сгорания, кольцо своими скошенными
поверхностями скользит по масляной пленке, но не может его увлечь. Поршень
дизеля 10Д100 наряду с масло-съемными кольцами, имеющими щели, снабжен также
кольцами без щелей. В последнем случае масло, срезаемое кольцом, стекает в
картер через отверстия в теле поршня.
Поршневые пальцы
Усилия от поршня к
коленчатому валу передаются через поршневой палец, шарнирно соединяющий поршень
с шатуном. Общим у пальцев дизелей 10Д100, 11Д45, Д50 является то, что они
выполнены полыми. Это сделано для облегчения веса, а у дизелей типа Д50 — и для
подачи смазки к трущимся поверхностям. Палец шпилечного поршня дизеля 2Д100 по
способу закрепления отличается от пальца дизеля Д50. При работе дизеля Д50
палец может свободно поворачиваться, а при работе дизеля 2Д100 палец остается
неподвижным относительно вставки поршня — он закреплен во вставке. Если палец
при работе может свободно поворачиваться в поршне и головке шатуна, то он
называется плавающим. Плавающие пальцы изнашиваются почти равномерно по всей
поверхности благодаря тому, что имеют возможность поворачиваться. Эта
особенность имеет важное значение, так как при неравномерном износе образуются
односторонние зазоры между пальцем и головкой шатуна. Чем больше зазор, тем с
большей силой ударяет палец о втулку шатуна, изнашивая ее и создавая повышенные
напряжения в шатунно-кривошишюм механизме.
Шатунно-кривошипный механизм шатуны
Усилие,
воспринимаемое поршневым пальцем от поршня, передается далее на коленчатый вал
с помощью шатуна (рис. 48). Стержень шатуна должен выдерживать попеременно
сжатие, растяжение, продольный изгиб от усилия газов и сил инерции.Чтобы не
произошло изгиба или излома, шатун приходится делать из сталей специальных
марок. Для облегчения же веса стержню шатуна придана форма двутавра, хорошо
противостоящая продольному изгибу. Стержень по концам имеет две головки: в
отверстие малой неразъемной головки входит палец поршня, а в большой разъемной
головке размещается шейка кривошипа коленчатого вала.

Рис. 48. Общий вид
шатунов
С устройством
шатунов познакомимся сначала на примере дизеля 10Д 100 (рис. 48, а). Большая
головка нижнего шатуна — разъемная, так как цельную головку невозможно надеть
на шейку вала — мешают выступающие колена. Эта головка разрезана на две части
по плоскости, перпендикулярной оси шатуна; шейка коленчатого вала помещается
между двумя половинками разъемной головки шатуна. Одна из них составляет одно
целое со стержнем шатуна. К ней присоединяется другая половинка, называемая
крышкой. Крышку соединяют в месте разреза с шатуном с помощью замка в виде
выступов и двух болтов с гайками (шатунных болтов), которые прижимают друг к
другу обе половинки головки шатуна, связывая
их воедино. Шатунные болты — очень важные детали. Если ослабнет
гайка или выйдет из строя (оборвется) шатунный болт, испытывающий воздействие
возникающих в процессе движения поршня больших усилий, произойдет авария
дизеля. Чтобы противостоять действующим усилиям, болт должен обладать
достаточной прочностью; особая точность предъявляется также к резьбе шатунного
болта и гайки. В обе головки шатуна вставлены подшипники, представляющие
собой бронзовую втулку (в малой головке), и полувтулки, называемые вкладышами
(в разъемной головке). Вкладыши заливают тонким слоем свинцовистого кальциевого
баббита (дизели типов Д1О0 и Д50) или свинцовистой бронзы (дизели 11Д45, 14Д40
и Д49). Слой антифрикционных металлов — баббита или бронзы —
уменьшает трение и износ шейки коленчатого вала и поршневого
пальца. По конструктивным и технологическим соображениям
втулка поршневой головки шатуна дизеля 10Д100 и 2Д100 выполнена
двухслойной—бронзовая втулка запрессовала не в отверстие стержня шатуна, а в
стальную втулку, которая уже вместе с бронзовой запрессовывается в шатун. Шатун
дизелей типа Д50 имеет конструкцию, аналогичную описанной выше. Основное
отличие его состоит в том, что крышка нижней головки прикрепляется к телу
шатуна четырьмя шатунными болтами по два с каждой стороны,
так как в четырехтактных дизелях на тактах выпуска и всасывания
инерционные силы достигают очень больших значений. Дизели Д49, Д70, 11Д45, М756
и 1Д12 имеют V-образное расположение цилиндров, поэтому здесь применены
сочлененные шатуны. Один из них называется главным (левый на рис. 48, б), а
другой — прицепным. Прицепной шатун соединен с главным с помощью пальца,
который вставлен в отверстие специального выступа нижней головки главного
шатуна. В шестнадцатицилиндровом дизеле Д49 размещается восемь
комплектов сочлененных шатунов.
Что представляет собой коленчатый
вал
Вал двигателя
внутреннего сгорания совсем не похож на обычный вал. Несколько коленообразных
кривошипов, расположенных по всей длине вала (рис. 49), придают ему на первый
взгляд странную, непонятную форму.

Рис.49. Нижний
коленчатый вал дизелей 10Д100, 2Д100
Однако, рассматривая
вал более внимательно, мы увидим, что форма его имеет определенный смысл и
обусловлена особенностями устройства и работы дизеля. Кривошипы называют
коленами, а сам вал — коленчатым. Шестицилиндровые дизели типа Д50 имеют один
коленчатый вал с шестью коленами, десятицилиндровые дизели 10Д100, 2Д100 — два
десятиколенных вала, а V-образные шестнадцатицилиндровые дизели 11Д45, 5Д49,
2Д70 и др. - один вал с восемью коленами. Как же расположены
колена по длине коленчатого вала? Читателю известно, что
вспышки топлива в цилиндре четырехтактного
дизеля происходят через два
оборота коленчатого вала
(720°), а двухтактного — через один оборот
(360°). Если вспышки будут происходить
последовательно в каждом цилиндре через равные промежутки
времени, то, например, в
шестицилиндровом четырехтактном дизеле Д50 за каждые
два оборота коленчатого вала произойдет шесть вспышек, а в
десятицилиндровом двухтактном дизеле
типа Д100 за один оборот вала возникнет
десять вспышек. Значит, в первом случае между
двумя последовательными вспышками угол поворота
вала будет равен 720:6== 120°,
во втором 360:10 = 36°. Если
посмотреть на коленчатые валы дизелей
типов Д50 и Д100 с торца, то можно
установить, что колена их как раз и расположены
под углами 120 и 36°
(рис. 50) по отношению друг к другу. Практически это
означает вот что. Если вспышка произошла, например, в первом цилиндре
дизеля Д50, то следующая очередная вспышка может произойти
в цилиндре, колено которого расположено под
углом 120° по отношению к колену первого цилиндра; третья вспышка
произойдет в цилиндре с коленом, размещенным под углом 240° к первому. При
втором обороте коленчатого вала произойдут вспышки в оставшихся трех цилиндрах.

Рис. 50. Схемы
расположения колен относительно друг друга а) - на коленчатом валу дизеля Д50;
б) - на коленчатом валу дизеля 10Д100
В
двухтактных многоцилиндровых V-образных
дизелях вспышки следуют одна за
другой в двух смежных цилиндрах (т. е. правого и
левого рядов). Величина угла
поворота вала между вспышками в этих цилиндрах зависит от
«развала» цилиндров, т. е. от угла между осями смежных
цилиндров. Поэтому в V-образном
дизеле число колеи коленчатого вала сокращается в два раза, а угол
между коленами соответственно увеличивается вдвое по
сравнению с рядным дизелем (при одинаковом
числе цилиндров). Так, в 16-цилиндровсм
двухтактном дизеле при последовательном осуществлении
вспышек во всех цилиндрах угол между
коленами может быть равным 45° вместо
22.5° (360:16). Несмотря на это, у
двухтактного 16-цилиндрового дизеля 11Д45
угол между кривошипами по соображениям уравновешивания
и технологии изготовления принят равным 90°. Поэтому вспышки осуществляются
сразу в двух цилиндрах одновременно. Чередование вспышек в цилиндрах через
равные промежутки времени способствует равномерности вращающего момента дизеля.
Чем больше цилиндров, тем меньший угол поворота коленчатого вала нужно иметь
между двумя соседними вспышками, тем более плавно будет вращаться коленчатый
вал, а значит, и якорь тягового генератора (у тепловозов с
электрической передачей). Последовательность вспышек, называемая
порядком работы цилиндров, записывается цифрами, разделенными черточками, например
1-3-5-6-4-2 (дизели 2Д50М, ПД1М, Д50) или 1-6-10-2-4-9-5-37-8 (дизели 10Д100,
2Д100). Здесь каждая цифра или число указывает, в каком цилиндре происходит
очередная вспышка. В V-образном двухтактном
дизеле 11Д45 вспышки происходят в такой последовательности через 45° угла
поворота коленчатого вала: 1Л/8Л-1П/8П-4Л/ /5Л-4П/5П-2Л/7Л-2П/7П-ЗЛ/6Л-ЗП/6П.
Порядок работы выбирается с таким расчетом, чтобы по возможности вспышки,
следующие одна за другой, не происходили в двух соседних цилиндрах, иначе будут
перегружаться отдельные подшипники коленчатого вала. Однако на работу дизеля
оказывает влияние и другое весьма важное обстоятельство. Из механики известно,
что всякое тело стремится сохранить состояние относительного покоя или
состояние равномерного движения, в котором оно находилось. При нарушении этого
состояния появляются силы, препятствующие его изменению. Так, если автобус на
полном ходу резко останавливается, то мы ощущаем
толчок вперед, и наоборот, если он внезапно трогается с места, нас отбрасывает
назад. Это свойство тел препятствовать изменению своего состояния
называется инерцией. Нечто подобное происходит и в дизелях. Средняя
скорость поршней тепловозных дизелей 8—10 м/с, а максимальная еще больше. При
таких высоких скоростях движения поршень буквально мечется от в. м. т. к н. м.
т. Дойдя до в. м. т. или н. м. т., он изменяет направление движения на
обратное. В результате изменения направления движения и величины скорости
возникают силы инерции. На рис. 51 видно, что поршни I и VI (крайних цилиндров)
подходят к в. м. т., при этом силы инерции направлены вверх, так как поршни
замедляют движение.

Рис. 51. Силы
инерции, врзникающие в шестицилиндровом дизеле Д50
По этой же причине
силы инерции поршней II ш V направлены вниз. У поршней III и IV силы инерции
направлены вниз, так как поршни как бы разгоняются. Силы инерции передаются на
кривошипы коленчатого вала вместе с силами, возникающими от давления газов
(рис. 52).

Рис. 52. Схема сил,
действующих в шатуннокривошипном механизме дизеля
Силы инерции
шатунно-кривошипного механизма тепловозного дизеля могут достигать значительных
величин. Для уменьшения вредного действия сил инерции движущихся (при работе
дизеля) деталей конструкторы добиваются такого взаимного расположения колен,
при котором создавались бы одновременно инерционные силы, направленные в
противоположные стороны. Это называется уравновешиванием дизеля. Посмотрим,
как оно осуществляется на примере четырехтактного дизеля. Нетрудно
видеть (см. рис. 50 а), что одна
половина этого вала (колена 1, 2 и 5) является зеркальным отражением
другой (колена 4, 5 и 6). Иными словами, одной половине вала
противопоставлена точно такая же по конфигурации другая половина. Расположение
колен в ней повторяется в обратном порядке. При указанных условиях силы инерции
от поршней одних цилиндров направлены так, что они почти
полностью уравновешиваются силами инерции поршней других цилиндров.
Чтобы силы инерции по цилиндрам дизеля были примерно одинаковы, предусмотрены жесткие
допуски на разницу в весах (массах) отдельных деталей шатунно-кривошипного
механизма; кроме того, сам коленчатый вал подвергается статической или
динамической балансировке (уравновешиванию). Вал дизеля 10Д 100 не имеет
зеркального расположения кривошипов. Однако большое число колен позволяет
выбрать такое их размещение, при котором влияние сил инерции в дизеле будет
наименьшим. Чтобы уменьшить моменты от сил инерции вращающихся масс, коленчатый
вал дизеля типа Д49 снабжен (на двух крайних и двух средних щеках) противовесами, отлитыми
за одно целое с валом.
|