CC BY
134
Судовые энергетические установки, устройства и системы, технические средства судовождения, электрооборудование судов
УДК 517-629.12
В.В. Маницын, А.Н. Соболенко
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,
690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б
УРАВНЕНИЯ РЕГРЕССИЙ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ
Приводятся уравнения регрессий для определения размеров диаметров рамовых шеек коленчатого вала в зависимости от диаметра цилиндровой втулки для среднеоборотных и высокооборотных четырехтактных дизелей и дизелей повышенной оборотности и двухтактных малооборотных дизелей со средним эффективным давлением до 1,0 МПа и отдельно - со средним эффективным давлением свыше 1,0 МПа.
Ключевые слова: диаметр; рамовая шейка; цилиндровая втулка; дизель; двухтактный; четырехтактный.
V.V. Manyitsyn, A.N. Sobolenko
THE REGRESSION EQUATIONS OF BASIC CHARACTERISTICS OF MARINE DIESEL CRANKSHAFT
Regression equations are given for diameter of crankshaft journals depending on cylinder diameter of middle speed, high speed four stroke engine, engines with increased revolutions and two stroke diesel engines with effective pressure to 1,0 MPa and separately with mean effective pressure higher than 1,0 MPa.
Key words: diameter, crankshaft journal, diesel, four stroke, two stroke.
Коленчатый вал - одна из наиболее дорогостоящих деталей судового дизеля. Стоимость коленчатого вала достигает 30 % стоимости всего дизеля. Коленчатый вал состоит из рамовых, шатунных шеек, щек и выходного фланца. На него действуют силы от давления газов в цилиндровой втулке дизеля, силы инерции поступательно-движущихся и вращающихся масс. Эти силы вызывают значительные знакопеременные скручивающие и изгибающие моменты. Периодически изменяющиеся вращающиеся моменты вызывают, кроме того, крутильные колебания, которые при определенных условиях (например, при резонансе) могут привести к значительным дополнительным напряжениям и вызвать поломку коленчатого вала.
Сложная конфигурация коленчатого вала приводит к появлению концентраций напряжений в отдельных местах вала, например, в галтелях, в масляных канавках для смазки ра-мовых подшипников.
В эксплуатации иногда происходят поломки коленчатых валов как у двухтактных, так и четырехтактных дизелей.
Примером служит разрушение коленчатого вала главного дизеля 18ДПН23/х30 на т/х «Алагез» (рис. 1) [1].
Проведенным расследованием установлено, что причинами аварии были дефекты на шейках коленчатых валов, которые возникли вследствие наличия механических примесей в циркуляционном масле.
Второй пример - повреждения коленчатых валов главных двигателей 6ЧН40/46 на судах проекта 1288 в виде трещин на опорных поверхностях для крепления противовесов происходили на нескольких судах («Полукс», «Н. Чепик», «Капитан Колесников», «Капитан Масло-вец») [1]. Трещины имели усталостный характер и проявлялись после достаточно длитель-
81
Научные труды Дальрыбвтуза. Том 34 ISSN 2222-4661
ной работы дизелей (более 100 тыс. ч). Во всех случаях трещины образовывались на опорных поверхностях крепления противовесов, что вызывало скол металла (рис. 2). Развитие трещин во внутрь щек не наблюдалось.
Рис. 1. Излом левого нижнего коленчатого вала
Fig. 1. The fracture of left bottom crankshaft Примечание. На поверхности излома доля усталостной составляющей 45 %. Действующие напряжения на момент разрушения не менее 0,55 о02. Излом многоочаговый, зарождение -от продольных трещин на шейке, переходящих на галтель.
Рис. 2. Расположение трещины на носовой щеке 1-го колена (границы трещины выделены маркером) Fig. 2. The location of crack on the 1st crankshaft web
Причина повреждения коленчатых валов конструктивная, поскольку излишне завышен момент затягивания болтов крепления противовесов, что вызывает повышенные контактные давления в контактных поверхностях, их перераспределение из-за деформаций захватов противовесов и сколов кромок выступов на щеках коленвала.
Это свидетельствует, что проблема надежности коленчатых валов в эксплуатации до настоящего времени полностью не решена. Важным аспектом решения проблемы является правильный выбор конструктивных размеров коленчатого вала.
От диаметра цилиндровой втулки зависит диаметр рамовой и шатунной шеек коленчатого вала. Это позволяет предположить наличие связи между ними, так как с изменением диаметра цилиндровой втулки изменяются и конструктивные характеристики коленчатого вала, которые приведены в табл. 1, 2.
82
Судовые энергетические установки, устройства и системы, технические средства судовождения, электрооборудование судов
Таблица 1
Характеристики четырехтактных среднеоборотных дизелей и дизелей повышенной оборотности
Table 1
Characteristics of four-stroke middle speed diesels and diesels with revolutions elevated
Марка дизеля Диаметр цилиндровой втулки, мм Частота вращения, мин-1 Диаметр рамо-вой шейки, мм Диаметр шатунной шейки, мм
8ЧРН32/48(NVD4 8 A2U) 320 375 215 215
6ЧН36/45 360 375 235 230
ЧН22/32(ВАН-22) 220 500 155 145
6ДН24/34 240 500 230 180
4H25/30(AL25/30) 250 500 170 170
124H40/46(PC2-V) 400 500 315 315
64H40/46(PC2) 400 520 288 288
ЧН30/38 300 715 280 220
417,5/24(NVD24) 175 750 105 105
6ЧНС18/22 (150 - 225 л.с.) 180 750 135 120
6ЧНСП18/22 (315 л.с.) 180 750 150 135
ЧН31,8/33(Д50) 318 750 240 210
6ЧН32/35 (V assaR3 2) 320 750 300 270
Ч26/26 260 860 220 200
6Ч23/30 230 750 160 155
4H20/26(VD26/20AL-2) 200 1000 177,5 147,5
4410,5/13 105 1500 80 75
6ЧН12/14 120 1500 85 75
6415/18 150 1500 95 85
12ЧН18/20 180 1500 105 96
YANMAR SM/6GH-UTE/6GHA(M)-STE 118 2250 92 75
Характеристики малооборотных дизелей Characteristics of low speed diesels
Таблица 2 Table 2
Марка дизеля Диаметр цилиндровой втулки, мм Частота вращения, мин-1 Диаметр рамовой шейки, мм Диаметр шатунной шейки, мм
8ДР43/61 430 250 275 275
ДКРН60/105Е 600 165 450 450
ДКРН68/125 680 150 510 510
ДКРН50/110 500 170 365 365
ДКРН62/140 620 135 520 520
ДКРН70/120С 700 130 480 480
ДКРН74/160 740 115 620 620
8ZD72/48AL-1 480 214 345 345
ДКРН 45/120 450 170 440 460
ДКРН 67/140-4 670 145 630 600
ДКРН 67/140-7 670 150 630 630
83
Научные труды Дальрыбвтуза. Том 34 ISSN 2222-4661
Цель работы - найти форму связи между диаметром рамовой шейки и диаметром цилиндровой втулки для получения уравнения регрессии и этим упростить работу конструкторов и проектировщиков.
В известной литературе [2] на основании выполненных конструкций дизелей приводятся весьма приблизительные соотношения для выбора их основных конструктивных характеристик. Однако расчет на основании приведенных в работе [2] соотношений дает существенный разброс.
Например, для дизеля с диаметром цилиндров 620 мм диаметр рамовых шеек может быть в диапазоне 372 ^ 496 мм. То есть разброс может достигать 33 % от среднего значения.
В данной работе рассматривались двухтактные дизели с диаметрами цилиндра Вц = = 350 ^ 740 мм и четырехтактные - с диаметрами цилиндра от 105 до 400 мм.
Типоразмерный ряд конструктивных характеристик судовых дизелей (табл. 1, 2) позволил получить расчетные формулы.
Для повышения точности аппроксимирующих формул исследуемые дизели были разбиты на следующие четыре группы:
• двухтактные малооборотные дизели с нормальным ходом поршня
(S / D < 2,5 ) ире менее 1,0 МПа;
• двухтактные малооборотные дизели с нормальным ходом поршня
(S / D < 2,5 ) ире от 1,0 МПа до 1,7 МПа;
• четырехтактные среднеоборотные дизели и дизели повышенной оборотности с ре менее 1,0 МПа;
• четырехтактные среднеоборотные дизели и дизели повышенной оборотности с ре от 1,0 МПа до 1,7 МПа.
В результате регрессионного анализа были получены следующие формулы:
• для двухтактных малооборотных дизелей с нормальным ходом поршня и ре от 1,0 МПа до 1,7 МПа
dр.ш = 0,864Д, + 51,36; (1)
• для двухтактных малооборотных дизелей с нормальным ходом поршня и ре менее 1,0 МПа
ёр.ш = 0,946Д, - 116,9; (2)
• для четырехтактных среднеоборотных дизелей и дизелей повышенной оборотности с ре от 1,0 МПа до 1,7 МПа
4,ш = 0,567Д, + 76,25; (3)
• для четырехтактных среднеоборотных дизелей и дизелей повышенной оборотности с ре менее 1,0 МПа
4,ш = 0,62Д, + 12,5. (4)
Значения коэффициентов корреляции для формулы (1) - R2 = 1,0, для формулы (2) - R2 = = 0,884, для формулы (3) - R2 = 0,871, для формулы (4) - R2 = 0,953.
Величина коэффициента корреляции показывает наличие сильной линейной зависимости диаметра рамовой шейки от диаметра цилиндровой втулки.
На рис. 3 и 4 приведены полученные графические зависимости и реальные точки диаметров рамовых шеек коленчатого вала судовых дизелей.
84
Судовые энергетические установки, устройства и системы, технические средства судовождения, электрооборудование судов
Рис. 3. Зависимости диаметра рамовой шейки dp от диаметра цилиндровой втулки D4 для судовых двухтактных дизелей: 1 - дизели с ре от 1,0 до 1,7 МПа; 2 - дизели с ре до 1,0 МПа Fig. 3. Plots dp from D4 for marine two-stroke diesels:
1 - diesels with ре more than 1,0 up to 1,7 MPa; 2 - diesels with ре less than 1,0 MPa
Рис. 4. Зависимости диаметра рамовой шейки dT> от диаметра цилиндровой втулки D4 четырехтактных дизелей: 1 - дизели с ре от 1,0 до 1,7 МПа; 2 - дизели сре до 1,0 МПа
Fig. 4. Plots dj, from D4 for four-stroke diesels:
1 - diesels withре more than 1,0 up to 1,7 MPa; 2 - diesels withре less than 1,0 MPa
85
Научные труды Дальрыбвтуза. Том 34 ISSN 2222-4661
Расхождение эмпирических размеров от теоретических по регрессионным зависимостям (1), (2) и (3) не превышает 10 %.
Что касается шатунных шеек, то для двухтактных малооборотных дизелей они, как правило, равны рамовым шейкам.
Для четырехтактных дизелей шатунные шейки также принимают равными рамовым, иногда для высокообротных дизелей их принимают на 5-10 % меньше рамовых с целью снижения сил инерции неуравновешенных вращающихся масс.
Таким образом, полученные регрессионные формулы могут быть использованы в конструкторских бюро на этапе эскизного проектирования при выборе размеров шеек коленчатого вала, при проектировании судовых дизелей, а также студентами и курсантами в дипломном и курсовом проектировании.
Список литературы
1. Струтынский, А.В. Повреждения и отказы судовых технических средств / А.В. Стру-тынский, С. А. Худяков. - Владивосток: Изд-во МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2013. - 170 с.
2. Ваншейдт, В.А. Конструирование и расчет прочности судовых дизелей / В.А. Ван-шейдт. - Л.: Судостроение, 1969. - 639 с.
Сведения об авторах: Маницын Владимир Викторович, кандидат технических наук, доцент, e-mail: manyitsynv@mail.ru;
Соболенко Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор, e-mail: sobolenko_a@mail.ru.
86
