РАСЧЕТ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ

Руководство Р.008-2004

РАСЧЕТ И ИЗМЕРЕНИЕ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ И АГРЕГАТОВ

Руководство Р.009-2004

Москва 2016

Ответственный за выпуск - С. В. Канурный Оригинал-макет - Е. Л. Багров

Никакая часть настоящего издания нс может для целей продажи воспроизводиться, закладываться в поисковую систему или передаваться в любой форме или любыми средствами, включая электронные, механические, фотокопировальные или иные средства, без получения предварительного письменного разрешения федерального автономного учреждения «Российский Речной Регистр».

© Российский Речной Регистр, 2016

1 Общие положения

1.3.6    Составные коленчатые валы следует рассчитывать только но неразрезной схеме.

1.3.7    Если расчеты выполнялись по неразрезной схеме или по разрезной схеме, но с использованием 3D модели, то с учетом 1.3.5 должны быть представлены материалы как о коэффициентах запаса прочности в местах концентрации напряжений наиболее нагруженных коленьев, так и все материалы расчета на усталостную прочность. В этом случае расчеты по разрезной схеме с использованием одномерных моделей не требуются.

Руководство P.008-2004

2 РАСЧЕТ СИЛ И МОМЕНТОВ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА КОРЕННЫЕ И ШАТУННЫЕ ШЕЙКИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

2.1 НАЗНАЧЕНИЕ РАСЧЕТА

2.1.1    Расчет сил и моментов, действующих на коренные и шатунные шейки, должен предшествовать расчету коленчатого вала на прочность согласно 1.3.2, если расчет указанных сил и моментов не является составной частью программного продукта, используемого для выполнения расчета на прочность.

2.1.2    Результаты расчета сил и моментов являются промежуточными в комплексе расчетов коленчатого вала на прочность, и их представление Речному Регистру не требуется.

2.2 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА Исходные данные

2.2.1    Для расчета динамики кривошипно-шатунного механизма требуются следующие исходные данные:

.1 индикаторная диаграмма, снятая на исправном цилиндре двигателя или полученная путем моделирования рабочего процесса на компьютере;

.2 параметры двигателя: диаметр d цилиндра, ход s поршня, частота вращения п коленчатого вала на номинальном режиме работы двигателя, кинематическое отношение /._ш , число /_и и расположение цилиндров (рядное, V-образное), масса Л/, поступательно движущихся частей, масса М, вращающихся частей кривошипно-шатунного механизма.

Порядок расчета сил и моментов

2.2.2    Расчет следует выполнять для ряда последовательных положений кривошипа с шагом Д<р по углу поворота коленчатого вала <р (у.п.к.в.). Ре-

2 Расчет cu.i и моментов, действующих на коренные и шатунные ...    13

комендуется принимать шаг Д<р точно таким же, как и при расчете напряжений в элементах конструкции коленчатого вала (Д<р = 1, 2 или 5° у.п.к.в).

2.2.3 Для каждого из расчетных у.п.к.в. (скажем, при <р = 0, 2, 4, 6,...,376 и т. д.) необходимо рассчитать следующие параметры:

.1 избыточное давление в цилиндре, МПа:

Р_кщ = /'[']-Р°’    (2.2.3-1)

где / — индекс (указатель счетчика), показывающий, что параметр рассчитывается на данном (/-ом) угле <р[/1, соответствующем тому или иному

моменту протекания рабочего процесса в цилиндре, <р[/] = 0...720, / = (1, 2,...,720) /Л<р;

p[i] — абсолютное давление в цилиндре, соответствующее у.п.к.в. ф[/], МПа;

р_с — давление окружающей среды (давление на входе в двигатель), МПа;

.2 силу давления газов, Н (рис. 2.2.3):

^PV И = Лпб ИЛЮ⁶.    (2.2.3-2)

где \ — площадь поршня:

\=nd²/4-    (2.2.3-3)

.3 силу инерции поступательно движущихся масс. И:

Pj [/] = -0,5A/_so)²s(cos<р[/] + Х_и: cos2<p[/]),

(2.2.3-4)

где Л/„ 5, X — см. 2.2.1.2; со —угловая скорость коленчатого вала, рад/с:

со = Д///30;    (2.2.3-5)

.4 суммарную силу, II:

/>,[,]=р_г['М(4

.5 касательную силу, II:

2 Расчет сил и моментов, действующих на коренные и шатунные ...    15

ЕГ_ч,[1,»] = Г_ч/[1,/];    (2.2.3-16)

нт_¥ [у./] = ЕГ„ [j - 1,/] + Т_Щ1 [у./].    (2.2.3-17)

При расчете набегающих моментов для Н-образных двигателей вначале необходимо определить реализацию углового сдвига рабочего процесса K[j\

в у-ом цилиндре левого ряда цилиндров относительно первого цилиндра этого ряда точно так же, как это выполняется для рядных двигателей, затем после расчета индикаторных крутящих моментов i] цилиндров левого ряда по формуле (2.2.3-12) — реализацию углового сдвига рабочего процесса в у-ом цилиндре правого ряда цилиндров относительно рабочего процесса в первом цилиндре левого ряда: если /и_р = / - нь < 1, то

АГ_р [у] = /' +    -    т₂;    (2.2.3-18)

если н/р = / - /и₂ > 1, то

^АГрМ ^{= ,}-'"2.    (2.2.3-19)

где

Щ = У_р [у]/Аф;    (2.2.3-20)

— угол сдвига рабочего процесса в у-ом цилиндре правого ряда но сравнению с первым цилиндром левого ряда.

Индикаторные кругяшие моменты T^p[qi [у, /] цилиндров ира1юго ряда, соответствующие углу <р_/ в первом от носка коленчатого вала цилиндре левого ряда, Н-м:

= 7^,(1. ЛГ_р[у])    (2.2.3-21)

Индикаторные кругящие моменты, набегающие на коренные шейки каждого колена, Н-м:

=.Т_¥ [1,/] = г_ч( [1,|] + щ\,/];    (2.2.3-22)

ZT_¥ [У,/] = SГ„, [у -1,/] + Г„, [у./] + Т£ЦЛ

Руководство P.008-2004

3 РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА С ПОМОЩЬЮ ОДНОМЕРНОЙ МОДЕЛИ

3.1 ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

3.1.1 Методика расчета, регламентированная настоящим разделом, основывается на статически определимой схеме, когда одно колено вала (рис. 3.1.1) представляют условно отделенным от всей остальной конструкции, абсолютно жестким и опирающимся на точечные опоры, расположенные в центрах симметрии (по оси вала) коренных подшипников.

Рис. 3.1.1. Представление колена ва;и при выполнении расчетов но разрезной схеме

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ

РАСЧЕТ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ

Руководство Р.008-2004

1    Общие положения........................................................................................ 7

1.1    Область распространения............................................................................ 7

1.2    Определения и обозначения........................................................................ 7

1.3    Объем требуемых расчетов.......................................................................... 10

2    Расчет сил и моментов, действующих на коренные и шатунные шейки

коле нчатого вала........................................................................................... 12

2.1    Назначение расчета...................................................................................... 12

2.2    Последовательность расчета........................................................................ 12

3    Расчет напряжений в элементах конструкции коленчатою вала с помощью одномерной модели......................................................................... 16

3.1    Общие замечания.......................................................................................... 16

3.2    Порядок расчета напряжений с помощью    одномерной модели.............. 17

3.3    Расчет напряжений в коренной шейке ..................................................... 18

3.4    Расчет напряжений в щеке ......................................................................... 22

3.5    Расчет напряжений в шатунной шейке..................................................... 25

3.6    Расчет напряжений в элементах конструкции коленчатого вала для

пусковых условий ........................................................................................ 27

3.7    Допускаемые напряжения .......................................................................... 31

4    Расчет коленчатого вала на усталостную прочность с помощью одномерной модели.............................................................................................. 33

4.1    Допущения.................................................................................................... 33

4.2    Порядок расчета вала на усталостную прочность .................................... 34

4.3    Расчет коренной шейки на усталостную    прочность................................ 35

4.4    Расчет шатунной шейки на усталостную    прочность ............................... 39

Содержание

Расчет щеки на усталостную прочность............................................

Допускаемые значения коэффициентов запаса прочности ............

Расчет напряженного состояния коленчатого вала с применением

дискретных моделей метода конечных элементов............................

Цель расчета..........................................................................................

Порядок и особенности расчета прочности .....................................

Моделирование внешних нагрузок......................................................

Свойства применяемых материалов.....................................................

Расчет нагрузок и напряжений ..........................................................

Расчет коленчатого вала на усталостную прочность в случае определения напряжений с помощью 3D моделей,

использующих МКЭ............................................................................

Общие замечания ................................................................................

Методика расчета ................................................................................

Оценка безопасности по критериям статической и усталостной

прочности .............................................................................................

Приложение. Примеры расчета коленчатого вала на прочность.....

Литература.............................................................................................

РАСЧЕТ И ИЗМЕРЕНИЕ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ И АГРЕГАТОВ

Руководство Р.009-2004

Введение.....................................................................................................

Общие положения.....................................................................................

Содержание и оформление расчета кругильных колебаний.................

Измерение крутильных колебаний.........................................................

Условия проведения испытаний..............................................................

Параметры крутильных колебаний и места их измерения....................

Режимы испытаний...................................................................................

Обработка результатов испытаний...........................................................

Предварительное заключение по результатам испытаний....................

Окончательное заключение по результатам испытаний........................

РАСЧЕТ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ

Руководство

Р.008-2004

Москва 2005

приказом Российского Речного Регистра № 32-пот 24.12.2004 г.

Введено в действие с 07.02.2005 г.

Издание    1

/ Общие положения

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 ОБЛАСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Настоящее руководство предназначено для специалистов Речного Регистра и проектантов (изготовителей) двигателей внутреннего сгорания, применяемых на судах с классом Речного Регистра, и распространяется на прочностные расчеты коленчатых валов рядных и V-образных судовых двигателей внутреннего сгорания, изготовленных из углеродистых, легированных сталей, а также из высокопрочного чугуна с цельными, полусоставными и составными коленьями, у которых между двумя соседними коренными шейками расположена одна шатунная шейка.

1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЯ II ОБОЗНАЧЕНИЯ Определения

1.2.1 Применяемые в руководстве термины нужно понимать следующим образом.

.1 Кон це итраторы напряжений —галтели сопряжения тел различных геометрических форм в составе коленчатого вала, выходы сверлений, участки грубой обработки и другие элементы конструкции, в которых имеют место наибольшие напряжения в результате воздействия переменных газовых и инерционных сил, крутящих моментов, крутильных и изгибных колебаний.

.2 Неразрезная схема — схема расчета коленчатого шиш на прочность, когда рассматривается не одно колено, лежащее на двух опорах, а весь коленчатый вал, при этом учитывается жесткость сю сложноконфигу-рационной многоопорной конструкции, не соосность и упругая податливость опор и другие факторы.

.3 II одн утре II ие —способ снижения концентрации напряжений в галтели сопряжения шеек со щеками коленчатого вала, когда галтель плавно углубляется в тело щеки.

Руководство P.008-2004

.4Нолусоставной коленчатый вал —конструкция коленчатого вала, когда шатунные шейки и щеки каждого колена отливаются как одно целое, а коренные шейки запрессовываются в специально изготовлен-ные отверстия в щеках с натягом способом горячей посадки.

.5 Разрезная схема —схема расчета коленчатого вала, когда рас-сматривается одно, как бы вырезанное из всей конструкции, колено, лежащее на двух опорах, расположенных в центрах симметрии коренных подшипников.

.6 Составной коленчатый вал — конструкция коленчатого вала, когда он собирается из отдельных шеек-цапф и литых щек путем запрессовки шеек в теки с натягом способом горячей посадки.

Обозначения

1.2.2 В руководстве приняты следующие обозначения:

А — площадь поверхности, м²;

Д, — площадь поверхности поршня, м²; b — ширина щеки, м;

С — сила инерции вращающихся масс, II;

с — коэффициент запаса прочности по подобному циклу;

^собш — коэффициент общего запаса прочности;

с, — коэффициент запаса прочности по переменным напряжениям;

с_в — коэффициент запаса прочности по пределу прочности;

с_а — коэффициент запаса прочности по нормальным напряжениям;

с_х — коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям;

d — диаметр цилиндра, м;

d_K — диаметр коренной шейки, м;

d_m — диаметр шатунной шейки, м;

d_x — диаметр облетающего отверстия в шейке, м;

е — эксцентриситет (смещение осей) облегчающих отверстий в шейках коленчатого вала по отношению к осям шеек, м;

И — толщина щеки, м;

/_ц — число цилиндров;

к_п — коэффициент концентрации напряжений при изгибе; к_х — коэффициент концентрации напряжений при кручении;

L — расстояние между осями соседних цилиндров, м;

С — оптимальная удаленность облетающего отверстия в смежной щеке, м;

/ Общие положения

I — длина шейки, м;

/, — расстояние от центра шатунной шейки до левой опоры, м;

Л — расстояние от центра шатунной шейки до правой опоры, м; п — частота вращения коленчатого вала, мин'¹;

Райх — максимальное давление цикла, МПа;

Р_г — сила давления газов, Н;

Pj —сила инерции поступательно движущихся масс, II;

Р₅ — суммарная сила, II: Р= = Ру + Р/,

R_m — временное сопротивление на растяжение, МПа;

/?сн —предел текучести, МПа; г — радиус галтели, м; s — ход поршня, м;

Т — касательная сила, II;

— крутящий момент, Н-м;

W — момент сопротивления, м³;

_р — момент сопротиазения кручению, м³;

X, Y— реакции опор, II;

Z — радиальная сила, Н;

а_у — угол развата блока цилиндров, фад;

[5 — поправочные кохИжциенты, учитывающие азияние конефуктив-иых факторов на концензрацик) напряжений;

Д — перекрытие шеек, м;

е — ко х1х1)ициент азияния, поправочный коэффициент; q — поправочный множитель;

— отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; а₀ — предел выносливости при изгибе при пульсирующем (отнулсвом) цикле, МПа;

с j — предел выносливости при изгибе при симмефичном цикле, МПа; а_и — напряжение изгиба, МПа; а_э —эквивалентное напряжение, МПа; о_Е —суммарное напряжение, МПа;

т₀ — предел выносливости при кручении при отнулсвом цикле, МПа;

Руководство P.008-2004

x_i — предел выносливости при кручении при симметричном цикле, МПа;

т_к — напряжение кручения, МПа.

1.3 ОБЪЕМ ТРЕБУЕМЫХ РАСЧЕТОВ

1.3.1    Коленчатые валы двигателей внугрепнего сгорания Moiyr быть рассчитаны на прочность в соответствии с методиками организации-проектанта. Если эти методики согласованы, а программные продукты признаны Речным Регистром, представление расчета коленчатого вала на прочность в составе технической документации не требуется. В противном случае организация—проектант должна представить список исходных данных установленного Речным Регистром образца или результаты расчета по методике, изложенной в настоящем руко!юдстве. При этом следует руководствоваться указаниями 1.3.2-1.3.7.

1.3.2    Если в соответствии с 1.3.1 организация-проектант представляет Речному Регистру результаты расчета коленчатою вала на прочность, то этот расчет должен включать в себя следующие разделы:

.1 расчет напряжений в элементах конструкции;

.2 расчет на усталостную прочность.

1.3.3    Расчеты, выполненные по разрезной схеме с помощью одномерных моделей, имеют статус основного вида расчетов.

1.3.4    Речной Регистр оставляет за собой праве) потребовать представления расчета по разрезной схеме наиболее нагруженного колена с помощью трехмерной (3D) модели в том случае, когда коэффициенты запаса прочности в местах концентрации напряжений, оцененные при расчете на усталостную прочность но разрезной схеме с использованием одномерной модели, близки к пороговым значениям, установленным настоящим руководством, и/или не представлены материалы, обосновывающие на основе экспериментальных исследований допустимость полученных расчетом по разрезной схеме с использованием одномерной модели коэффициентов запаса прочности.

1.3.5    Расчеты коленчатого вала на прочность по неразрезной схеме могут быть затребованы Речным Регистром в том случае, когда конструкция опор коленчатого вала, картера и/или фундамента двигателя допускает сомнения в их достаточной жесткости. В этом случае расчеты должны быть выполнены с учетом ожидаемых в эксплуатации деформации картера (фундаментной рамы) двигателя, упругой осадки опор и допускаемой несоосности коренных подшипников коленчатою вала.