Predavanje o motorima

7/16/2019 Predavanje o motorima

1/79

Zavod za tehniku termodinamiku i energetiku Katedra za brodsko strojarstvo Tehniki fakultet Rijeka

Brodski pogonski strojevi 8. Predavanje Motori, Mehanizam Prof. dr. sc. Vladimir Medica 2011. #

Brodski pogonski strojevi

8. predavanje


2/79



KINEMATIKA I DINAMIKA

KOLJENASTOGA MEHANIZMA


3/79



Osnovne veliine koljenastoga mehanizma

s = 2r stapaj (hod klipa)r radius koljena

D promjer cilindra

Stapajni volumen:

Kompresijski volumen: Vc

Maksimalni volumen: Vmax = Vs + Vc

Trenutni volumen cilindra:

sD

Vs4

2

xD

VV c4

2

GMT (gornja mrtva toka)

DMT (donja mrtva toka)

D

Vc

Vmax

VS s=2r

2r

r

l


4/79



Geometrijski stupanj kompresije:

Izvedeni volumeni:

Stupnjevi kompresije:

Ottovi motori = 6.5 ... 11

Dizelski motori, 2T, sporokretni = 12 ... 14Dizelski motori, 4T, brzo- i srednjekretni = 15 ... 18

Automobilski brzokretni motori, 4T, IDI = 20 ... 25

Omjer s/d s/d = 1 kvadratini motors/d < 1 podkvadratini motor

s/d > 1 nadkvadratini motor

c

sc

V

VV

V

V

min

max

1

sc

VV

1max

sVV

1max

VVs


5/79 Zavod za tehniku termodinamiku i energetiku Katedra za brodsko strojarstvo Tehniki fakultet Rijeka


Brzina vrtnje: n

Vrijeme jednog okretaja:

Srednja brzina klipa (srednja stapna brzina)

cs = 6 ..... 15 m/s (veinom 8 ... 10 m/s)

Kutna brzina:

Vrijeme za prijelaz kuta :

Brzina na koljenu:

Ubrzanje na koljenu:

n

T1

nsT

scs 2

2

ntd

d 2

n

to

360

rv

rvra2

2




KINEMATIKA KOLJENASTOGA

MEHANIZMA

B d ki ki j i 8 P d j M i M h i P f d Vl di i M di 2011 #




Hod klipa (za e = 0)

xA

B d ki ki t j i 8 P d j M t i M h i P f d Vl di i M di 2011 #




Tona

jednadba

Priblina jednadba:

Priblina

jednadba

Brodski pogonski strojevi 8 Predavanje Motori Mehanizam Prof dr sc Vladimir Medica 2011 #


9/79





10/79



Brzina klipa

Priblina

jednadba

Tona

jednadba



11/79





12/79



Ubrzanje klipa

Tona

jednadba

Priblina

jednadba



13/79


p g j j ,



14/79


p g j j ,

Harmonijske komponente ubrzanja klipa



15/79


DINAMIKA KOLJENASTOG

MEHANIZMA



16/79


Sile u koljenastom mehanizmu (za 1 cilindar)

r

l

Centrifugalna sila

Inercijska

translacijska sila

Sila tlaka plinova

A

B

O

- sila tlaka plinova (crvena), u smjeru

du osi cilindra,

- inercijska translacijska sila (zelena), u

smjeru osi cilindra,

- centrifugalna sila (ljubiasta), uvijek usmjeru koljena.

U toki A grupirane su mase kojeizvode translacijsko oscilatorno gibanje.

U toki B grupirane su mase koje segibaju po krunici radiusa r.

Amplituda inercijskih (translacijskih i

centrifugalnih) sila proporcionalna je

kvadratu brzine vrtnje



17/79


Sila tlaka plinova

02

4pp

DFpl

r

l

A

B

O

p0

p1()

D

p2()

d

02

2

22

1

2

444p

dp

dDp

DFpl

Jednoradni stroj

Dvoradni stroj

r

l

A

B

O

p0

p()

D

Fpl



18/79


r

l

Inercijska

translacijska sila

Fin,A

B

O

Inercijska translacijska sila

amF AAin

,

2coscos2, rmF AAin

redaIISila

A

redaISila

AAin rmrmF 2coscos22

,

A

Otvoreno pitanje je to sve ini masu toke A?



19/79


Masu dijelova koncentriranu u toki A kod klipnog mehanizma ine:

Masa klipa (komplet s klipnim prstenima i osovinicom),

Reducirana masa ojnice u toki A

Masu dijelova koncentriranu u toki A kod stapnog mehanizma ine:

Masa stapa (komplet s klipnim prstenima),

Masa stapajice,

Masa krine glave

Reducirana masa ojnice u toki A

A

A

Stap

Stapajica

Krinaglava

Ojnica



20/79


Praktine veliine kod ojnica

Ojnice 4T motora Ojnica velikih 2T motora

ojBoj mm31, ojAoj mm

32,

0, BojJ

ojBoj mm21, ojAoj mm

21,

0, BojJ



21/79


Centrifugalna sila

2rmF BR

Centrifugalna sila uvijek djeluje u smjeru

koljena u ravnini gibanja koljenastoga

mehanizma.

Za konstantnu brzinu vrtnje, njena veliinaje konstantna. Ona se tada ne mijenja po

veliini ve samo po smjeru u kojemudjeluje.

Njena se veliina mijenja proporcionalnokvadratu brzine vrtnje.

r

l

Centrifugalna sila

A

B

O

FR



22/79


SILE U KOLJENASTOM MEHANIZMU

JEDNOGA CILINDRA



23/79


r

l

Inercijska

translacijska sila

Sila tlaka plinova

A

B

O

Sile u toki A

U toki A djeluje sila tlaka plinova i inercijskasila translacijskih masa:

AinplA FFF ,

2coscos4

2

0

2

rmppD

F AA

Fin,A

Fpl



24/79


rB

O

l

A

FA

FN

Foj

A

FA

FN

Foj

Ukupna silaFAkoja djeluje u toki A rastavljase na siluF

oj

koja se prenosi du ojnice i siluFN

kojom se klip (ili krina glava) oslanja na kliznupovrinu. Pritom se sila trenja zanemaruje.

Ojnica je od neutralnog poloaja (poloajmehanizma u GMT) otklonjena za kut .

Sila koja se prenosi du ojnice je:

Sila kojom se klip oslanja na kliznu stazu je:

cos

Aoj

FF

tanAN FF



25/79


Sile u toki B

r

l

A

B

O

Foj

FR,oj

+

Sile koje djeluju u toki B su sljedee:

SilaFojkoja se od toke A prenosi du ojnice,

Centrifugalna silaFR,oj koja djeluje na reduciranoj masi

ojnice u toki B i koja ima smjer koljena.

2

,, rmF BojojR

cos

Aoj

FF



26/79


FBrezultanta sila u toki B (suma silaFoj iFR,oj)

FB,Ttangencijalna komponenta sileFB,

FB,Rradijalna komponenta sileFB

- kut otklona sileFB od osi ojnice

cos

sin

sin,

AojTB FFF

cos

coscos 2,,,

ABojojojRRB FrmFFF

Moment na koljenastom vratilu: TBKV FrM ,1,

FB,T

FB

r

B

OFoj

FR,oj

+

FB,R



27/79


Tangencijalna sila na koljenu jednog cilindra brodskog 2T

dizelskog motora



28/79


Tangencijalna sila na koljenu jednog cilindra 4T dizelskog motora

(TorpedoKHD)



29/79


URAVNOTEENJE INERCIJSKIH SILA



30/79


Sile tlaka plinova djeluju na klip i na cilindarskuglavu. Sila s klipa se prenosi na temeljni leaj, auravnoteuje je sila koja se s cilindarske glave prenosi

kroz kuite motora na nosae leaja. Na kuitu sesamo javlja reakcija na pogonski moment

Inercijske sile djeluju samo na dijelove ugibanju. Njima se ne suprotstavlja nikakva sila

u kuitu motora. Zbog toga ove sile nazivamoneuravnoteenima (ili slobodnim silama)



31/79


Inercijske sile u mehanizmu jednog cilindra

FT

A

B

O

FR

Ravnina gibanja

koljenastoga

mehanizma

Inercijska sila masa u translaciji,FT, stalno se prostire samo

du pravca gibanja toke A. Ona je as pozitivna, asnegativna i mijenja svoju veliinu s kutom koljena, no stalnodjeluje samo du pravca.

Centrifugalna silaFR djeluje uvijek u smjeru koljena. Ako je

brzina vrtnje koljenastoga vratila konstantna, tada je i

centrifugalna sila konstantna. Pri svojoj rotaciji, zajedno s

koljenom, vrh vektora ove sile opisuje krunicu u ravninigibanja mehanizma.

2rmF RR

2coscos2,, rmFFF TIITITT cos2, rmF TIT

2cos2, rmF TIIT



32/79


PRIKAZ UKUPNIH INERCIJSKIH SILA ZA 1 CILINDAR

2

2rmF RR cos2

, rmF AIT 2cos2, rmF AIIT

2

, rmF AIT

2

, rmF AIIT

Polarni dijagram inercijskih sila

Rezultanta

O

O

O O

Prikaz u polju imaginarnih brojeva, promatra se

samo projekcija na (vertikalnu) realnu os



33/79


URAVNOTEENJE INERCIJSKIH SILA ZA 1 CILINDAR

Uravnoteenje 1 protuutegom na koljenu

Uravnoteenje parovima protuutega



34/79


r

l

A

B

FR

r

l

A

O

rp

mp

Uravnoteenje inercijskih sila rotirajuih masaprotuutegom

22 ppR rmrm

ppR rmrm

p

Rpr

rmm

)1(22max rmrmF TR

)1(22min rmrmF TR

2rmF R2rmF R

)1(2max rmF T

)1(2min rmF T


d j i ij kih il l ij kih


35/79


FR

r

l

A

B

r

l

A

O

rp

mp

Dodatno uravnoteenje inercijskih sila translacijskihmasa protuutegom

p

TRp

r

rmmm

)1(22ma x rmrmF TR

)1(22min rmrmF TR

2rmF R2rmF R

)1(2

ma x rmF T

)1(2min rmF T

= 0.3 do 0.5

)1(1 2ma x rmF T

)1(12

min

rmF T

2 rmF T

Neuravnoteeno Uravnoteene samocentrifugalne sile

Dodatno uravnoteendio translacijskih sila


L i i


36/79


Lancasterovi protuutezi

rprpmp mp

2

, pppR rmF 2

, pppR rmF

cos2 2, pppR rmF

Parom jednakih protuutega (Lancasterovi protuutezi), koji se vrte u

suprotnom smjeru jednakom kutnom brzinom, mogue je dobiti siluija se vrijednost harmonijski mijenja i djeluje po pravcu, kaorezultantu centrifugalnih sila oba protuutega.


L t i t t i


37/79



coscos2 221,1,1,, rmrmF TpppR

rp,1mp,1

mp,1rp,1

2

rp,2

mp,2

2

2

rp,2

mp,2

2

Protuutezi I reda

1,

1,2 p

Tpr

rmm

2cos2cos22 222,2,2,, rmrmF TpppR

Protuutezi II reda

p

Tpr

rmm

82,

2cos2cos8 222,2, rmrm Tpp


Potpuno uravnoteeni


38/79


mp,1

rp,1

r

A

l

O

rpmp

rp,2

mp,2

2rp,2

mp,2

2

mp,1

rp,1

B

rp,1mp,1

mp,1rp,1

2

rp,2 mp,2

2

r

l

A

l

O

rpmp

2

rp,2mp,2

2

BPoloaj koljenastogamehanizma za kut = 0

Proizvoljni poloajkoljenastoga mehanizma

Potpuno uravnoteenikoljenasti mehanizam

Protuuteg na koljenu za uravnoteenje

centrifugalne sile

Par protuutega 1. reda za

uravnoteenje translacijskih

inercijskih sila 1. reda

Par protuutega 2. reda za

uravnoteenje translacijskih

inercijskih sila 2. reda



39/79


MOTORI S VIE CILINDARA



40/79


STANDARDNO OZNAAVANJE CILINDARA MOTORA (ISO 1205, ISO 2276)

12

34 5 6

78

Pogonska

strana

Pogonska

strana

Lijeva

strana

Desna

strana

A1A2

A3A4

A5A6

B1B2

B3B4

B5 B6

Lijevi Desni

Odreivanje smjera vrtnje

(gledano prema spojci motora)



41/79


IZNIMNO OZNAAVANJE CILINDARA VOZILSKIH MOTORA(DIN 73021)

123

45

67

8

Pogonska

strana

Zbog ovoga je potrebno na poetku razgovora s partnerom uskladiti sistem oznaavanjacilindara, kako bi bili sigurni da razgovaramo o istome cilindru.



42/79


RAZLOZI IZVEDBE MOTORA S VIE CILINDARA

Izvedba motora u irokom podruju snaga, primjenom razliitogbroja jednakih cilindara,

Ujednaavanje izlaznog momenta motora, Unutarnje uravnoteenje inercijskih sila motora


Koncept raspodjele procesa pojedinih cilindara po


43/79


Koncept raspodjele procesa pojedinih cilindara po

periodi procesa jednoga cilindra

Pretpostavka je da imamo motor u izvedbi s 4 jednaka cilindra, ukojima se odvija jednaki proces.

Rasporedom koljena na koljenastom vratilu pokuati e se dobitiujednaeni moment na spojci motora.

etverotaktni proces koji se odvija u jednom cilindru jepojednostavnjen radi boljega poimanja naina rjeavanja problema.

A

B

O

M

Mmax

00 180 360 540 720

Kut koljena

Zbog jednostavnosti izlaganja je

pretpostavljeno da dobivamo

pogonski moment samo tijekom

ekspanzije u cilindru


M Za 4 cilindra


44/79


Mmax

00 180 360 540 720

Kut koljena

Za 1 cilindar

Za 4 cilindra

Pretpostavka: Svi cilindri pale istovremeno

Msr

M

Msr

0

0 180 360 540 720Kut koljena

M

Mmax

0

0 180 360 540 720

Pretpostavka: Po dva cilindra pale istovremeno tijekom svakog okretaja. Obzirom na 4T proces

paljenje u jednom cilindru se vri tek svaki drugi okretaj.

Za 4 cilindraZa 1 cilindar


MM


45/79


M

0

0 180 360 540 720

Kut koljena

M

Mmax= Msr

00 180 360 540 720

Kut koljena

Pretpostavka: Po jedan cilindar pali svako pola okretaja, tj. jednoliko

rasporeeno po periodi jednoga procesa

Rezultat: Pogonski moment na spojci je jednolik, a maksimalni moment neodstupa suvie od srednje vrijednosti momenta

Preporuka: Kut razmaka paljenja meu cilindrima treba biti:

Za 4 cilindra

Za 1 cilindar

z

gdje je:

- taktnost procesa (= 2 ili 4)

z - broj cilindara u redu ili koljena na koljenastom vratilu


M


46/79


Promjena momenta na spojci

koljenastoga vratila za motor

s razliitim broj cilindaraz(od 1 do 12)

M

Nm

Kut koljena



47/79


Promjenamomenta na

spojci

koljenastoga

vratila za

razliiteizvedbe i broj

cilindara



48/79


RASPORED KOLJENA I REDOSLIJED PALJENJA


KUT IZMEU DVA UZASTOPNA PALJENJA


49/79


KUT IZMEU DVA UZASTOPNA PALJENJA

Ve smo imali prilike vidjeti da e rezultirajui ukupni moment na spojci motora bitinajravnomjerniji ako su procesi u pojedinim cilindrima jednoliko raspodijeljeni po jednoj

periodi procesa.

Kut periode jednoga procesa je:

2 = 360o za dvotaktni proces (2T)

4 = 720o za etverotaktni proces (4T)

Ako uvedemo oznaku za taktnost procesa:

= 2 ili 4 za 2T ili 4T proces

tada je kut periode procesa jednak

Kut izmeu dva uzastopna paljenja kod motora szcilindara bi trebao biti:

z


Glavni rukavac koljenastoga vratila

( j b d ili d b 1)

(mjesto c, moment od cil. br. 1+2)


50/79


(mjesto b, moment od cilindra br. 1)

(d, cil. br. 1+2+3) (e, cil. br. 1+2+3+4)

(f, cil. br. 1+2+3+4+5) (g, cil. br. 1+2+3+4+5+6)

Max. amplitude momenta (od vrha do vrha)

Zamanjak i

spojka

Moment na koljenastom vratilu na

razliitim mjestima du koljenastoga

vratila (na razliitim glavnimrukavcima)



51/79


VIBRACIJE


Jednostavni oscilator s jednim

stupnjem slobode


52/79


stupnjem slobode

Krutost

Masa

PriguenjeFrekvencija

N1 Vlastita frekvencija sistema

Jednostavni oscilator s jednim stupnjem

slobode s vanjskom silom pobude Pn

Frekvencija

N2 Vlastita frekvencija sistema

Trajna amplituda

u rezonanciji


1 okretaj koljena


53/79


1. red

2. red

(Sinteza pobude)

+

Odziv n-tog reda

Amplituda odziva n-tog reda

Fazni kut odziva n-tog reda

(Sinteza odziva)

Za linearni oscilator n-tog reda, pobuda Pneprouzroiti samo odziv n-tog reda

+



54/79


Amplituda X

Frekvencija f

Frekvencija

Amplituda X

Prikaz odziva oscilatora s

priguenjem na pobudu ufrekventnom podruju

Prikaz promjene odziva

oscilatora s priguenjemna pobudu u frekventnom

podruju kod smanjenjamase M (M < M)



55/79


Poveanje priguenja

Dodavanje prigunog sistema

Dodavanje antirezonatora



56/79


Elastine vibracije strukture broda


Standardno uravnoteenjeOtraga


57/79


Podesivi protuutezi

za uravnoteenje

momenata I reda

Uravnoteenje za

horizontalni moment

Uravnoteenje za

vertikalni moment

Naprijed

Podesivi

protuutezi

Podesivi

protuutezi

Glavni

protuuteg

Glavni

protuuteg



58/79


Lancasterovi protuutezi s

pogonom elektromotoromza kompenzaciju vibracija

krme brodaA - ServomotorB - Par zupanika

C - Protuutezi

Glavni

motor


2. reda na pogon

elektromotorom



59/79


Elastini oslonci motora


Kruta Elastina


60/79


Kruta

montaaElastinamontaa

Komfor putnika

Komfor putnika

Vibracije uglavnom

izolirane

Strukturna buka i

nisko frekventnevibracije

Buka i vibracije

Buka i vibracije


Priguiva uzdunih vibracijakoljenastoga vratilaPriguiva

Podesivi priguni ventil


61/79


koljenastoga vratila

Glavni

leaj

Priguiva

torzijskihvibracija

Prirubnica na slobodnom

kraju koljenastoga vratila

Zbog vrlo velikog omjera stapaja prema razmaku cilindara, koljenasto

vratilo ima veliku elastinost po duini, tako da su pojaane uzdunevibracije du osi koljenastoga vratila. Te je vibracije potrebno umiritikako ne bi dolo do poveanja naprezanja na dijelovima.



62/79


TORZIJSKE VIBRACIJE



63/79


Realni sustav pogona broda

Zamjenski sustav pogona broda s

inercijskim diskovima

Zamjenski sustav pogona broda

Propeler

Generator

Reduktor

Motor sa zamanjakom

GeneratorReduktor

Zamanjak

Propeler M

otor



64/79


Red paljenja Zamjena realnog sustava torzijskog

oscilatora odgovarajuim

pojednostavnjenim sustavom



65/79


Jednadba gibanjaza sustav ravnoga

torzijskog oscilatora

Moment inercije Viskozno priguenje Elastina deformacija

Vanjska

pobuda


Prvi oblik vlastitih vibracija torzijskog sustava


66/79


vor



67/79


Vlastite vibracije homogenog torzijskog sustava.

Sve krutosti k i momenti inercije J = su jednaki.

Osnovna vlastita frekvencija jeJ

kf

10


Fourierova analiza za pogonski moment


68/79


Amplitud

eifaznipomaciharm

onika

Amplitud

eifaznipomaciharm

onika


Naprezanja na koljenastom vratilu prouzroena radom motora itorzijskim vibracijama

Zabranjena podruja za dui rad


69/79


Brzina vrtnje

Zabranjena podruja za dui rad



70/79


Vibracije pri boravku u podruju rezonancije

Sustav bez priguivanja Sustav s priguivanjem



71/79


Spori prolaz kroz podruje rezonancije Brzi prolaz kroz podruje rezonancije

Torzijske vibracije sustava prilikom prolaza kroz podruje rezonancijeVeliki kut otklona znai velike elastine deformacije i velika naprezanja u dijelovima


Priguivai torzijskih vibracija

InercijskaViskozni


72/79


Inercijskamasa

Guma (priguiva)

Prirubnica

masa

Guma

Viskozni

priguiva

(ulje)

Vodilica

Prirubnica

Viskozni i elastini

priguiva torzijskih

vibracija MAN

Viskozni i elastini priguiva torzijskih

vibracija s gumom

Viskozni i elastini

priguiva torzijskih

vibracija s gumom


Priguivai torzijskih oscilacija


73/79


Geislingerov priguiva

1 prsten vezan kruto na koljenasto vratilo, 2elastina pera, 3 odstojnici, 4 inercijska masa, 5boni prsteni,

(inercijsku masu ine dijelovi 3, 4 i 5, priguno djelovanje se postie preljevanjem ulja mimo elastinih pera s njihove

jedne na drugu stranu)



74/79


UJEDNAAVANJE KUTNE BRZINE KOLJENASTOGAVRATILA POMOU ZAMANJAKA



75/79



A1A

A3A4

A = WMoment motora Moment pogonjenog

stroja Moment motora i

pogonjenog stroja


76/79


A2A4

sr

0

0

Kutna brzina

Ekin

Ekin,sr

max

min

A1 A2

A3 A4

Kutna brzina koljenastoga

vratila

Kinetika energijamasa u gibanju

Kut

Kut

Kut



77/79


J potrebni moment inercije zamanjaka



78/79




79/79


Zahvaljujemo na pozornosti

Documents

Predavanje o motorima