6. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ ПРИ ОГРАНИЧЕННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ

В определенном классе силовых установок с ДВС необходимым условием корректности исследования нестационарного динамического поведения установки при запуске двигателя является рассмотрение ДВС как ограниченного по мощности источника энергии [3, 6, 11, 12, 16]. Характерные конструктивно-компоновочные особенности этих установок: значительная длина компоновочной базы между двигателем и потребителем энергии (выходным звеном); значительный (по сравнению с двигателем) момент инерции вращающихся масс потребителя энергии (рис. 11, где 1 — двигатель; 2 — передаточный механизм; 3 — рабочая машина).

Пусковой скоростной диапазон таких длиннобазных установок, как правило, содержит резонансные зоны, в которых проявляется активное динамическое воздействие ДВС, как ограниченного по мощности источника энергии с колебательной системой установки (эффект Зоммерфельда [3, 6, 16]). Опасный характер колебании в указанных низкочастотных резонансных зонах определяется двумя взаимосвязанными факторами, максимальным уровнем колебаний и мощностью сопротивлении интенсивному колебательному движению установки.

Первый фактор лимитирует динамическую прочность силовой цепи установки, от величины второго зависит характер динамического взаимодействия источника энергии с колебательной системой установки. Если суммарная мощность сопротивлений вращению и колебательному движению силовой установки в

резонансной зоне превосходит свободную мощность ДВС при запуске, то эффект Зоммерфельда становится критическим: по условиям энергетического баланса оказывается неосуществимым прохождение двигателем пусковой резонансной зоны. В этом случае двигатель при запуске «зависает», т. е. устойчиво работает на околорезонансном скоростном режиме в пусковом скоростном диапазоне (рис. 12, где 1 — расчет; 2 — эксперимент; 3 — расчет без учета неидеальности

Рис. 11

Колебания в силовой цепи установки достигают значительного уровня, что приводит к быстрому выходу ее из строя. Установка оказывается эксплуатационно непригодной, поскольку не обеспечиваются гарантированный запуск ДВС и выполнение предписанных эксплуатационных функций в заданном скоростном диапазоне.

Чаще бывают случаи, когда эффект Зоммерфельда не приобретает критического характера в указанном смысле, но обусловливает повышенный, иногда разрушительный для звеньев силовой цепи установке уровень резонансных колебаний (рис. 13, обозначения см. рис. 12). В таких случаях колебания при прохождении двигателем -й резонансной зоны имеют почти установившийся характер индекс резонирующей собственной формы модели установки;

Рис. 12

Рис. 13

номер гармоники возмущающего момента). Коленчатый вал ДВС на соответствующем временном отрезке характеризуется почти равномерным вращением со средней угловой скоростью резонансная угловая частота).

При анализе пусковых динамических характеристик силовых установок с ДВС рациональным является обоснованный выбор расчетной модели минимальной

сложности. В качестве таких моделей принимают: нелинейную модель -модель), отображающую закономерности динамического взаимодействия энергетически неидеального ДВС с колебательной системой установки [3, 6, 16]; асимптотический вариант модели соответствующий представлению ДВС в виде идеального источника энергии [10].

При построении модели учитывается позиционный характер возмущающих сил ДВС и не принимается во внимание влияние управляющего устройства. Правомерность последнего допущения обусловлена характером задающего воздействия регулятора ДВС при запуске двигателя. В предстартовой фазе пускового режима на вход регулятора поступает постоянное по величине задающее воздействие, которое соответствует некоторому (заданному оператором) регулируемому режиму работы ДВС за верхней границей пускового скоростного диапазона. В результате силовая установка с ДВС при запуске представляет собой нерегулируемую по скорости динамическую систему. При этом вращающий момент двигателя соответствует максимальной цикловой подаче топлива в цилиндры.

В табл. 11 приведены модели для общей и типовой компоновок силовых установок с ДВС (двигатель расположен в середине и в начале системы). Эти модели представляют собой систему нелинейных дифференциальных уравнений движения силовой установки в пусковых резонансных зонах, записанную в стандартной форме метода усреднения. Именно в этих режимах существенно проявляется динамическое взаимодействие двигателя, как ограниченного по мощности источника энергии с колебательной системой установки.

В табл. 11 приняты следующие обозначения: частота и добротность собственной формы линеаризованной модели силовой цепи установки; средняя угловая скорость двигателя в процессе запуска и огибающие колебательного процесса по квазинормальной координате и ее относительной фазе при прохождении двигателем резонансной зоны; функция Бесселя первого рода порядка; текущее среднее значение момента сопротивления вращению силовой цепи установки; эффективный крутящий момент двигателя в пусковом скоростном диапазоне; амплитуда гармоники возмущающего момента, действующего на одну сосредоточенную массу динамической модели ортонормирования модальная матрица динамической модели установки; групповой возбудитель резонансной зоны; фазовые углы группового возбудителя; целая часть х. Параметры определяются по следующим формулам [3, 6, 16]:

где число кривошипов коленчатого вала ДВС и число цилиндров, работающих на один кривошип; элемент ортонормированной модальной матрицы линеаризованной модели силовой цепи установки; угол поворота коленчатого вала ДВС между вспышками в и первом цилиндрах одного блока, рад; тактность амплитуда и начальная фаза гармоники ряда Фурье силовой характеристики одного цилиндра ДВС (см. табл. 3); угол поворота коленчатого вала между вспышками в и первом цилиндрах, работающе на один кривошип коленчатого вала ДВС, рад.

(см. скан)

(см. скан)

Закономерности динамического поведения силовой установки с ДВС в пусковых резонансных зонах определяются путем численного интегрирования соответствующей модели Предварительное суждение о характере эффекта Зоммерфельда в пусковых резонансных зонах составляется на основе мажорантного критерия выражения для которого, а также условия некритического характера эффекта Зоммерфельда приведены в табл. 11. По величине критерия выбирают расчетные модели минимальной допустимой сложности для оценки пусковых динамических характеристик силовых установок с ДВС. Практика динамических расчетов показывает, что при указанная оценка может выполняться по упрощенной методике, представляющей ДВС в виде идеального источника энергии и рассматривающей запуск двигателя и прохождение им пускового скоростного диапазона с равномерной угловой скоростью

Если условие не выполняется, то в качестве расчетной модели силовой установки в резонансных зонах пускового диапазона ДВС принимается соответствующая модель согласно табл. 11. При целесообразным оказывается использование мажорантной оценки уровня колебаний в указанных резонансных зонах (см. табл. 11, рис. 14). Если результаты такой оценки оказываются удовлетворительными по критериям регламентированной динамической прочности или обеспечения других динамических качеств силовой цепи установки, то уточнение расчетных значений огибающей амплитуд а на основе соответствующей модели может не потребоваться.

Рис. 14

Для класса длиннобазных силовых установок с ДВС, практически наиболее важного с точки зрения необходимости учета влияния эффектов ограниченного возбуждения на динамические и функциональные характеристики установки, в табл. 12 приведены выражения для критерия соответствующего пусковой резонансной зоне. В табл. 12 представлены также неравенства, определяющие область эффективного варьирования основных параметров модели установки для обеспечения некритического характера эффекта Зоммерфельда.

В табл. 12 приняты обозначения суммарный момент инерции подвижной механической системы собственно ДВС (коленчатый вал с кривошипно-шатунными механизмами); моменты инерции вращающихся масс двигателя и потребителя (преобразователя) энергии с передаточными механизмами; коэффициент, зависящий от класса двигателя и условий его эксплуатации [3, 6]; коэффициент жесткости, отражающий упругие свойства силовой цепи установки тактность двигателя; главная гармоника возмущающего момента ДВС, порождающего пусковую резонансную зону.

При проектировании длиннобазных установок с ДВС неравенство, обеспечивающее эффективность в указанном смысле применения маховика (увеличения часто не выполняется. Кроме того, возможности увеличения параметра обычно существенно ограничены вследствие конструктивно-технологических особенностей установки, например, при использовании унифицированных элементов валопровода. В таких случаях для борьбы с опасными по характеру эффекта Зоммерфельда низкочастотными нестационарными колебаниями в пусковых резонансных зонах длиннобазных установок эффективно используется динамический гаситель [3, 6, 16]. Специальная настройка динамического гасителя показана в табл. 12, где приняты обозначения: соответственно коэффициент жесткости упругого соединения и момент инерции маховика гасителя.

Динамический гаситель с рекомендуемой настройкой, установленной на фланце коленчатого вала ДВС, обеспечивает частотную коррекцию пусковых динамических характеристик установки за счет смещения вверх по частоте опасной резонансной зоны. Количественный эффект такой коррекции оценивается параметром в

(см. скан)

(см. скан)

выражении для которого резонансная угловая скорость ДВС в опасной зоне силовой установки с линейным динамическим гасителем.

Эффективность динамического гасителя, как антивибрационного устройства для борьбы с интенсивными нестационарными колебаниями в условиях ограниченного возбуждения, может быть существенно повышена за счет работы гасителя в виброудариом режиме. На рис. 15 показаны графики амплитуд колебаний коленчатого вала ДВС при запуске силовой установки (1 — без гасителя; 2 — с линейным гасителем; 3 — с нелинейным гасителем).

Рис. 15

Рис. 16

Для увеличения эффективности гасителя используется упругое соединение маховика и ступицы гасителя с жесткой нелинейной характеристикой (рис. 16, где относительное угловое смещение ступицы и маховика гасителя; — величина соответствующая замыканию жестких упоров, ограничивающих относительное смещение в пределах линейного участка характеристики с коэффицентом приведенная крутильная жесткость упоров) [3, 6].

Основным варьируемым параметром при синтезе характеристики является величина Целесообразный отрезок варьирования принимается согласно зависимостям, приведенным в табл. 12, где приняты обозначения: максимальное значение амплитуды определяющей квазинормальной координаты в пусковой резонансной зоне силовой установки с линейным гасителем, имеющим рекомендованную настройку [6, 16].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(см. скан)

(см. скан)