Математическая модель крутильно-колебательной системы поршневого двигателя с учетом нелинейного демпфирования и возбуждения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Кенсман, Леонид Тадаушевич

• Кенсман, Леонид Тадаушевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кенсман, Леонид Тадаушевич

Введение

Глава 1. Развитие методов моделирования 7 колебательного процесса и видов трения в двигателе

1.1. Математическое моделирование колебательного 7 процесса

1.2. Трение в двигательной установке

Глава 2. Вывод аналитических уравнений крутильноколебательных систем с учетом трения и возбуждения

2.1. Неразветвленная крутильно-колебательная система

2.1.1. Допущения, трение, граничные условия, система отсчета времени, вывод уравнений

2.1.2. Характеристики крутильно-колебательной 62 системы

2.1.3. Уравнения собственных частот

2.2. Вывод уравнений для разветвленных крутильно- 75 колебательных систем

2.2.1. Система с одним ответвлением р

2.2.2. Уравнения собственных частот с ответвлением р.

2.2.3. Система с двумя ответвлениями тир

2.2.4. Уравнение собственных частот системы с 93 ответвлениями тир

2.2.5. Крутильно-колебательная система с двойным 99 разветвлением р,т

2.2.6. Уравнения собственных частот системы с 107 двойным разветвлением р,т

2.2.7. Крутильно-колебательная система с гасителем 111 крутильных колебаний

2.2.8. Описание параметров гасителя

2.2.8.1. Передаточные параметры гасителя

2.2.8.2. Соотношения между амплитудами колебаний маховика гасителя и корпуса

2.2.8.3. О работе гасителя с упругой связью

2.3. О трении в колебательной системе автотракторного 125 двигателя

2.3.1. Нелинейный демпфирующий момент

2.3.2. Нелинейный коэффициент демпфирования

2.3.3. Работа нелинейного демпфирующего момента

2.3.4. О физической сущности коэффициента yi

Глава 3. Экспериментальные исследования и математическая обработка результатов

3.1. Концепция экспериментальных исследований

3.2. Допущения при проведении экспериментальных 137 исследований

3.3. Определение параметров нелинейного трения при крутильных колебаниях

3.4. Экспериментальные исследования

3.4.1. Аппаратура, методика и порядок измерения

3.4.2. Предварительная обработка результатов 145 эксперимента

3.4.3, Параметры трения при крутильных колебаниях

3.4.4, Практическое применение метода 151 Выводы 164 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 165 Приложение А. Неразветвленная крутильноколебательная система

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическая модель крутильно-колебательной системы поршневого двигателя с учетом нелинейного демпфирования и возбуждения»

Современное дизелестроение в рыночной экономике характеризуется принципом "быстрейший путь к желанию заказчика, к готовому продукту". Этот принцип вполне применим к созданию и освоению двигателей для большегрузных автомобилей и автопоездов; увеличению мощностного диапазона двигателей для автомобилей, автобусов, тракторов, комбайнов, созданию дизель-генераторов, мини-ТЭЦ и т.д.

Сокращение сроков разработки новых двигателей с высокими экономическими, экологическими, прочностными параметрами являются сегодня основным условием сохранения конкурентоспособности предприятия.

Кроме того, перед разработчиками двигателей постоянно ставится задача проектирования новых двигателей с уменьшенными вредными выбросами и улучшенной топливной экономичностью, определяемые законодательными ограничениями согласно Правилам № 49.01.04 ЕЭК ООН.

Реализация указанных мероприятий существенно повышает стоимость изготовления и эксплуатации двигателей.

Рост стоимости компенсируют увеличением мощности и снижением удельного расхода топлива.

Увеличение мощности при неизменных размерах двигателя достигается применением турбонаддува и охлаждения наддувочного воздуха.

В этой связи к деталям двигателя предъявляются повышенные требования к прочности и функциональной надежности.

Форсирование двигателя внутреннего сгорания по скоростному и нагрузочному режиму неизбежно ведет к росту динамических нагрузок на детали. Снижение материалоемкости и габаритов двигателя в общей картине динамических процессов усиливает влияние колебаний. Они становятся важным фактором при доводке двигателя, а также лимитируют надежную работу энергетической установки в целом.

Одной из проблем при создании двигателя является наличие удобных в практическом применении математических методов исследования. Они должны отличаться точностью результатов, устойчивостью счета, простотой реализации алгоритма на ЭВМ, экономичностью по затратам машинного времени [1], [2].

Известно, что одной из причин, определяющих динамическую напряженность и снижающих ресурс работы вращающихся деталей двигателя, являются крутильные колебания.

Основными параметрами крутильно-колебательной системы двигателя являются: моменты инерции масс, крутильная жесткость участков, амплитуды колебаний масс, коэффициенты демпфирования и моменты, возбуждающие крутильные колебания.

Традиционно проблема крутильных колебаний автотракторного двигателя включает в себя решение трех типовых задач.

Первая предусматривает расчет свободных колебаний.

Для физического понимания крутильных колебаний двигателя и для интерпретации результатов вынужденных колебаний на резонансных частотах вращения весьма полезны исследования собственных частот и форм колебаний, что позволяет уменьшить затраты на расчеты вынужденных колебаний. Дело в том, что собственные частоты и формы колебаний определяют индивидуальные динамические свойства колебательной системы и имеют значение при анализе вынужденных колебаний.

Кроме того, в этих расчетах оценивается влияние порядка воспламенения и расположения колен на возбуждение колебаний.

Вторая задача в большинстве случаев предусматривает расчет напряжений в элементах колебательной системы двигателя на резонансных оборотах колебательной системы с учетом одного из видов трения и гармонического или суммарного возбуждения. При этом погрешность расчета колеблется в пределах 10-50%.

Содержанием третьей задачи является подтверждение результатов расчетных исследований путем опытного торсиографирования наиболее доступных участков колебательной системы двигателя.

Двигатель с учетом основных систем и вспомогательных приводов, является сложной крутильно-колебательной системой, в связи с чем следует исследовать и разветвленные крутильно-колебательные системы.

При постоянной частоте вращения двигателя в разветвленной системе из-за периодических газовых и инерционных сил двигателя возбуждаются крутильные колебания, которые по закону, близкому к гармоническому, передаются на приводы.

Сложность и многообразие физических процессов, сопровождающих явление крутильных колебаний, существенно ограничивает разработку надежных расчетных методов их исследования.

Как правило, исследования проводятся для неразветвленной колебательной системы, включающей коленчатый вал, при этом редко исследуются колебательные процессы на разветвлениях 6 распределительный вал, привод топливной аппаратуры и др. механизмы).

Это связано с тем, что отсутствуют надежные методы, позволяющие исследовать разветвленные и неразветвленные колебательные системы двигателя с учетом возбуждения и нелинейности трения.

Методы, применяемые для исследования вынужденных крутильных колебаний с учетом нелинейного трения в двигателе, ограничены в практическом применении. Это связано с тем, что известные методы неэкономичны и неудобны для решения нелинейных задач, требующих при решении выполнения десятков тысяч итераций.

В настоящей работе рассматриваются математические модели неразветвленной и некоторые виды разветвлений, реально существующие в крутильно-колебательной системе двигателя. Предложено в сочетании с натурными испытаниями математическое исследование нелинейного трения, демпфирующего крутильные колебания в двигателе. Рассмотрена математическая модель колебательной системы двигателя с вязкостно-упругим гасителем, как носителя дополнительного трения.

Сочетание предлагаемого и иных методов исследования, включая численные, может стать основой для создания полной математической модели крутильно-колебательной системы и построения многофункциональной «компьютерной технологии» по исследованию крутильных колебаний в двигателе.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Кенсман, Леонид Тадаушевич

ВЫВОДЫ

1. Применяемые в настоящее время методы исследования крутильных колебаний двигателя сильно упрощены. В большинстве случаев эти методы не учитывают нелинейности трения и не рассматривают динамическое взаимовлияние параметров в колебательной системе.

2. Предложен "метод динамических моментов" для исследования цепных разветвленных крутильно-колебательных систем двигателя с учетом возбуждения, нелинейности трения и наличия гасителя колебаний.

3. Предложенная линеаризация нелинейного трения для двигателя 12ЧН14/14 обеспечивает адекватность математической модели с погрешностью 4,6%.

4. Проведены экспериментальные и математические исследования крутильных колебаний двигателя. На базе предложенных "метода динамических моментов" и метода энергетического баланса доказана возможность определения параметров нелинейного трения, демпфирующего крутильные колебания в двигателе.

5. По результатам математических исследований выполнен анализ взаимного влияния вязкостно-упругого гасителя и разветвленной крутильно-колебательной системы.

6. Доказано, что работа жидкостного гасителя с упругой связью может принимать максимальное значение при некотором сдвиге фаз в диапазоне 45°-90° между маховиком гасителя и корпусом.

7. Предложено выражение для частоты колебаний, где работа вязкостно-упругого гасителя максимальна.

8. Обнаружено, что область вероятных значений эквивалентных линейных коэффициентов трения для резонирующих гармоник резко сужается по мере приближения к резонансным частотам двигателя.

9. Предложенные методы были использованы на начальной стадии разработки и последующей доводки 8-, 10-, 12-цилиндровых двигателей ЯМЗ размерности 14/14. Результаты натурных испытания двигателей подтвердили высокую точность (1% 4- 6%) предложенного метода исследования крутильно-колебательной системы двигателя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кенсман, Леонид Тадаушевич, 2000 год

1. Пузыня К.Ф., Запаснюк A.C. Экономическая эффективность научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1978. - 303 с.

2. Вибрации в технике: Справочник. Т. 1/Под ред. В.В. Болотина. -М., Машиностроение, 1978. - 352 с.

3. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1971.-239 с.

4. Конструкция и расчет автотракторных двигателей/Вихерт М.М., Доброгаев Р.П., Ляхов М.И. и др. Под ред. Ю.А. Степанова. - М.: Машгиз, 1957. - 604 с.

5. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980. - 407 с.

6. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М.: Машиностроение, 1967. - 316 с.

7. Дондошанский В.К. Расчет колебаний упругих систем на электронных вычислительных машинах.-Л.: Машиностроение, 1965.-367 с.

8. Tolle F. Regelung der Kraftmaschinen. Berlin: Springer, 1921. - S.243.

9. Holzer H. Die berechnung der Drehschwingungen und ihre Anwendung im Maschinnenbau. Berlin: Springer, 1921. - S. 389.

10. Тимошенко С.П. Теория колебаний в инженерном деле. М. - Л.: ОНТИ, 1931.-342 с.

11. Терских В.П. К расчету крутильных колебаний/ТВестник инженеров и техников. 1930. - №12. - С. 36-40.; 1931. - №7. - С. 56-60.

12. Терских В.П. Расчеты крутильных колебаний силовых установок.- В 3-х тт. Л.: Машгиз, 1953.

13. Терских В.П. Крутильные колебания валопроводов силовых установок: В 4-х тт. Л.: Судостроение, 1971.

14. Алексеев В.В., Бухарина Г.И., Пахомов К.Н., Терских В.П. Крутильные колебания валопроводов судовых установок/ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова//Труды. Вып. 257. - Л.: Судостроение, 1970. - С. 36-40.

15. Чистяков В.К. Беляев А.И. Динамические расчеты ДВС на ЭЦВМ: Учебное пособие/МВТУ им. Н.Э. Баумана. М., 1979. - 36 с.

16. Алексеев В.В., Болотин Ф.Ф., Кортын Г.Д. Демпфирование крутильных колебаний в судовых валопроводах. Л.: Судостроение, 1973.- 279 с.

17. Widler H. Dutchscwingungen in Kolbenmachinenanlagen und des Gesetz ihres Ausgleiches. Berlin: Springer-Ferlag, 1922. - S. 425.

18. Житомирский B.K. Механические колебания и практика их устранения. М.: Машиностроение, 1966. - 175 с.

19. Geiger I. Dampfing bei Drehschwingungen von Motoren//VDI Zeitschrift. 1934. - Bd.78. - Nu 46. - S.1353-1355.

20. Geiger I. Amortissement des Vibrations torsioneles dans les Moteurs-Revue des Combustibles leguides//. Nu 125. 1935. — P. 56-62.

21. Ker-Wilson W. Practical Solution of Torsional Vibration Problems. -London, 1941.-S. 596.

22. Maciotta R.,Merlino F.S. Recherches sur l'amortissments be vibrations dans les installations aves moteur diesel//Proc. congr. CDVLAC. London, 1965. - P. 69-74.

23. Nesterides E.J. Handbook on Torsional Vibration/BICERA. -Cambridge, 1958. P. 589.

24. Ker-Wilson W. Calculation of torsional Vibration Stresse of Marine Oil-engine Installations//Enginering. 1934. - Vol. CXXXVI. - № 3553. - S. 6875.

25. Нейман И.Ш. Динамика авиационных двигателей. M.-JL: Оборонгиз, 1940. - 870 с.

26. Житомирский В.К. Напряжения от колебаний в судовых валах//Дизелестроение. 1937. - №46. - С. 68-75.

27. Lewis F. Torsional vibration in the Diesel Engine//Trans. Soc. of Mar. Eng.-1926.-Vol. 33/-P. 109.

28. Ker-Wilson W. Contribution to the "Discussion on the measurement of torsional Vibrations//Proc. of the Inst, of Mech. Eng. 1943/ - Vol.150. - № 1.

29. Симаков Ф.Ф. Исследования крутильных систем//Двигатели внутреннего сгорания/Уч. зап. МВТУ им. Н.Э. Баумана. М.: Машгиз, 1958.-№83. С. 58-92.

30. Симаков Ф.Ф. Исследования крутильных систем/МВТУ им. Н.Э. Баумана. -М. 4.1. - 1971., Ч. 2. - 1976.

31. Dorey S.F. Elastic Histeresis in Crank-Shaft Steels//Proc. of the Institute of Mechanical Engineers. 1935. - Vol.123. - P. 43-48.

32. Болотин Ф.Ф., Лурье И.А. О роли внутреннего трения в ограничении резонансных крутильных колебаний судовых валопроводов//Труды научно-технического совещания по демпфированию колебаний. Киев: Изд-во АН УССР. - 1960. - С. 171-175.

33. Shannon I.E. Damping Influences in Torsional Oscillation/ZProc. Inst. Mech. Enginers Appl. Mech. 1935. - Vol. 131. - P. 387-492.

34. Draminsky P. Crankshaft Damping//The Inst, of Mech. Engineers: Applied Mechanics Proceedings. 1948. - Vol.159.

35. Бухарина Г.И. Демпфирование в поршневых двигателях при резонансных крутильных колебаниях/ЛПИ им. М.И. Калинина//Труды. -№249. Л.: Машиностроение, 1965.

36. Нечаев B.K. Теоретические торсиограммы для вала двигателя внутреннего сгорания//Изв. Томск, индустриальн. ин-та. 1937. - Т. 58. -Вып. 2.

37. Нечаев В.К., Болгов А.Т. К определению гистерезисных потерь энергии в валах//Изв. Томск, политехи, ин-та. 1957. - Т. 85. - С.

38. Чистяков В.К., Песоцкий Ю.С., Путинцев C.B. Особенности трения и демпфирования колебаний вала в ЦПГ ДВС//Двигателестроение. -1981.-№11.-С. 7-11.

39. Чистяков В.К., Песоцкий Ю.С. Методика расчета действительных амплитуд вынужденных резонансных связанных колебаний коленчатого вала при взаимосвязанных колебаниях//Двигателестроение. 1985. - №3. -С. 13-16.

40. Чистяков В.К., Песоцкий Ю.С. Рассеяние энергии в материале коленчатого вала при взаимосвязанных колебаниях//Известия ВУЗов. Машиностроение. 1981. - №9. - С. 83-86.

41. Песоцкий Ю.С. Определение рассеяния энергии взаимосвязанных колебаний для расчета деформаций и напряжений в коленчатых валах автотракторных ДВС: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1982. - 16 с.

42. Hafner К.Е., Maass H. Torsionsschwingungen in der Verbrennungskraftmaschine. Wien, NewVork: Springer-Verlag, 1984. - S. 500.

43. Ден-Гартог Д.П. Механические колебания. M.: Физматгиз, 1960. - 580 с.

44. Штейнвольф Л.И. Динамические расчеты машин и механизмов. -М.: Машгиз, 1961.-340 с.

45. Истомин П.А. Крутильные колебания в судовых ДВС. Л.: Судостроение, 1968. - 304 с.

46. Белыюков В.П. Способы определения коэффициента эквивалентного вязкого демпфирования//Известия ВУЗов. Машиностроение. 1974. - №5. -С. 54-56.

47. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Гостехиздат, 1958. - 628 с.

48. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти тт./ Под ред. К.В. Фролова. - М.: Машиностроение, 1981.

49. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочное пособие. -М.: Машиностроение, 1968. 271 с.

50. Чистяков В.К., Песоцкий Ю.С. Определение суммарного демпфирования крутильных колебаний в автомобильном двигателе//Двигателестроение. 1985. - №10. - С. 73-77.

51. Ружичка Ж.Ф., Дерби Т.Ф., Виброизоляция при помощи нелинейного трения// Конструирование: Труды ASME.- 1971. №2. - С. 256-265.

52. Чистяков В.К. Экспериментальное определение деформаций и напряжений в шейках коленчатого вала работающего дизеля//Двигателестроение. 1984. - № 4. - С. 9-12.

53. Семенов Г.И. Определение коэффициентов демпфирования крутильных колебаний в дизелях//Автомоб. пром-сть.-1981. № 6. - С. 8-9.

54. Назаров П.Н. Расчет торсиограммы крутильных колебаний силовых установок//Известия ВУЗов. Машиностроение. 1977. - № 2. - С. 81-85.

55. Назаров П.Н. Алгебраические методы расчета связанных колебаний коленчатого вала//Известия ВУЗов. Машиностроение. 1977. -№ 3. - С. 123-127.

56. Назаров П.Н. Приведение распределенной колебательной системы коленчатого вала к дискретной//Известия ВУЗов. Машиностроение. 1976. - № 1. - С. 130-133.

57. Назаров П.Н. Анализ возмущающих сил двигателей внутреннего. сгорания//Известия ВУЗов. Машиностроение. 1976. - № 11. - С. 91-94.

58. Назаров П.Н. Вывод уравнений связанных колебаний коленчатого вала//Известия ВУЗов. Машиностроение. 1975. - № 11. - С. 107-110.

59. Назаров П.Н. Расчет изгибно-крутильно-продольных колебаний коленчатого вала//Известия ВУЗов. Машиностроение. 1975. - № 12. - С. 86-89.

60. Назаров П.Н. Изгибно-крутильные колебания коленчатых валов//Известия ВУЗов. Машиностроение. 1973. - № 3. - С. 183-186.

61. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Физматгиз, 1959.-439 с.

62. Porter F. The Range and Sevority of torsional Vibration in Diesel engines//Trans. ASME. 1928. - 127. - Vol.50.

63. Porter F. Torsional Vibrational in the Diesel Engines//Trans. ASME. -1928. 14. - Vol.

64. Кенсман JI.T., Желтяков B.T. Методы моделирования колебательного процесса и трения в двигателе: /Ярослав, гос. тех. ун-т. -Ярославль. 1999. - С. 50.

65. Кенсман Л.Т., Расчет крутильно-колебательной системы двигателя с учетом нелинейности трения: Межвуз. сб. научн. тр./МАМИ. -1989. Вып. IX. - С.65-70.

66. А.с. 381414 СССР, МКИ В 06Ь 1/16. Устройство для возбуждения крутильных колебаний/Г.И. Семенов, В.Д. Спорыхин, Л.Т. Кенсман// Открытия. Изобретения. 1973. - №22. - С. 23.

67. Минаев А.Н., Болгов А.Т. Методы учета демпфирующих сопротивлений при расчете резонансных крутильных колебаний./Моск. обл. пед. ин-т им. Н.К. Крупской. Уч. зап. -1965- T. CXVI1. - Вып. 3. - С. 189-226.

68. Den-Hartog J.P. Discussion of Reference//Jornal of Applied Math. And Mech. 1930. - Vol. 5. - P. 178-180.

69. Кенсман Л.Т. О методе крутильных колебаний в двигателе внутреннего сгорания: Межвуз. сб. научн. тр./Калмыцк. гос. ун-т. Элиста. - 1982. - С. 33-40.