Технические науки/4. Транспорт

Д.т.н. Мороз В.І.

Українська державна академія залізничного транспорту

К.т.н. Братченко О.В.

Українська державна академія залізничного транспорту

аспірант Астахова К.В.

Українська державна академія залізничного транспорту

Особливості синтезу безударних профілів газорозподільних кулачків транспортних дизелів

Одним з перспективних напрямків поліпшення техніко-економічних показників чотиритактних транспортних дизелів є їх модернізація на основі удосконалення конструкції кулачкових механізмів газорозподілу (КМГР). Це передбачає використання розподільних валів з новими профілями кулачків, які б забезпечували високі значення “час-переріз” (ЧП) клапанів при дотриманні вимог міцності і надійності механізму приводу в цілому [1,2].

Аналіз літературних джерел [3,4] підтвердив, що при конструюванні форсованих транспортних дизелів не отримали достатнього розповсюдження сучасні підходи до профілювання газорозподільних кулачків. Цим підтверджується поширене використання дугових та тангенціальних профілів (не гарантують безударної динаміки КМГР) або безударних профілів, що отримуються з використанням методів Курца або «полідайн» (не повністю відповідають вимогам отримання потрібних значень ЧП).

Одним з перспективних напрямків вирішення такої проблеми є розробка нових підходів до профілювання кулачків з застосуванням новітніх розробок в розв’язанні задач динамічного синтезу механізмів з вищими кінематичними парами. Проведені в Українській державній академії залізничного транспорту попередні дослідження показали, що практична реалізація цього напрямку дозволить синтезувати профілі газорозподільних кулачків, при застосуванні яких досягаються гранично високі значення ЧП клапанів при виконанні вимог з безударної динаміки, високої міцності та технологічності деталей КМГР.

Нижче розглянуті особливості синтезу безударних профілів газорозподільних кулачків транспортних дизелів у відповідності до запропонованого авторами нового підходу з вирішення сформульованої вище задачі [5]. Його особливістю є формування та подальше використання базової кривої прискорень штовхача, яка на відміну від відомих кривих враховує не тільки задані за вимогами робочого процесу умови, а і встановлені обмеження на виготовлення та характеристики функціонування КМГР. Точніше при заданому куті дії кулачка j_Д (фазах газорозподілу) і максимальному переміщенню штовхача S_max синтезування складної базової кривої здійснюється шляхом завдання координат характерних (опорних) точок, кожна з яких відповідає заданій умові виконання одного з обмежень, що враховуються. При цьому вказані опорні точки з’єднуються кривими, вид яких також обирається за умов дотримання вимог динаміки, технології виготовлення і міцності деталей приводу.

На рис. 1 наведений необхідний для отримання розрахункових залежностей фрагмент запропонованої складної базової кривої зміни прискорень роликового штовхача (клапану) а за кутом обертання кулачка φ для фази віддалення j_В [3]. Прийнятні динамічні характеристики руху клапанів забезпечуються шляхом використання на відповідних ділянках зміни прискорень кривих ступеневих функцій.

На складній базовій кривій, що показана на рис.1, відзначені ділянки та координати характерних точок визначаються наступними обмеженнями і вимогами, що враховуються при проектуванні:

- ділянка О-А вибору теплового зазору в КМГР, прискорення штовхача описані хвилею синусоїди; точка А – відповідає нульовому прискоренню на початку підйому штовхача по робочому профілю кулачка;

- точка В – відповідає прискоренню а_B, рівень якого визначається технологічним обмеженням за мінімальним радіусом кривизни увігнутої ділянки профілю [6];

- точка С - відповідає прискоренню а_C, що визначається техноло-гічним обмеженням і допустимим рівнем контактних напружень в кінематичній парі «кулачок-ролик штовхача» [3,6];

- точка D – відповідає максимальному додатному прискоренню а_D, що визначається рівнем контактних напружень в кінематичній парі «кулачок-ролик штовхача»;

- точка Е - відповідає прискоренню а=0 наприкінці ділянок додатних прискорень штовхача; при цьому їх загальна довжина φ₁ для забезпечення прийнятних динамічних характеристик приводу j₁ ³18⁰ [7]. Крім того, в точці Е контролюється обмеження за максимальним кутом тиску b_max£ [b] [6] ([b]=30⁰ – для механізмів з штовхачем, що рухається поступально, [b]=45⁰ – для механізмів з коромисловим штовхачем);

- ділянки ЕF і FG відповідають області від’ємниx прискорень кутової довжини j₂; точка F відповідає максимальному від’ємному прискоренню а_F, рівень якого визначається умовою забезпечення необхідного запасу клапанних пружин за силою інерції к_ЗП=1,6...2 [7];

_- точка G - відповідає прискоренню а=0 наприкінці фази віддалення j_В. При проектуванні кулачкового механізму в точці G контролюються наступні вимоги й обмеження: забезпечення суворо заданого максимального підйому штовхача S=S_max; швидкість штовхача V=0; кут віддалення j_В=j₁+j₂ ≤ j_Д/2_.

На основі запропонованої базової кривої були отримані математичні залежності для визначення поточних значень аналогів прискорень a_qi, аналогів швидкостей v_qi і переміщень S_i штовхача за кутом повороту кулачка j_і для кожної ділянки базової кривої, які були викладені у статті [5].

Запропонований новий підхід до динамічного синтезу безударних профілів високоефективних газорозподільних кулачків використовувався при вирішенні задач з удосконалення конструкції КМГР тепловозних дизелів типу Д49 і Д80. Нижче в якості прикладу наведені матеріали розрахункових досліджень з синтезу безударних профілів газорозподільних кулачків дизелів типу Д80.

В основу розрахунків було закладено використання наведених вище математичних залежностей для визначення кінематичних характеристик поступального роликового штовхача КМГР (поточних значень переміщень S_i, швидкостей v_i і прискорень a_i штовхача).

Отримані результати представлені на рис.2. Їх аналіз показав, що нові безударні кулачки у порівнянні з серійними тангенціальними кулачками забезпечують збільшення ЧП клапанів на 15% при виконанні всіх заданих умов на проектування.

Наведені матеріали дозволяють вирішувати складні задачі динамічного синтезу газорозподільних кулачків форсованих тепловозних дизелів. Такі кулачки (у порівнянні з кулачками, які спрофільовані за відомими методиками) забезпечують досягнення гранично високих значень ЧП клапанів в умовах заданих обмежень.

Запропонований підхід доцільно використовувати при створенні нових і удосконаленні існуючих КМГР транспортних дизелів.

Література

1. Єрощенков С.А., Крушедольський О.Г., Сергієнко М.І. Оцінка ступеня досконалості тепловозних дизелів сімейства Д80// Міжвуз.зб.наук.праць / ХарДАЗТ, 1998. – Вип.32.- С.3-9

2. Мороз В.І., Братченко О.В., Логвіненко О.А. Оцінка резервів поліпшення експлуатаційних показників тепловозних дизелів типу Д80 за рахунок модернізації механізму привода клапанів // Міжвуз.зб.праць ХарДАЗТ, 2000.- Вип.41. – с.10-13

3. Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Т. 1. Розробка конструкції форсованих двигунів наземних транспортних машин. – Харків: Прапор, 2004. – 384 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания: Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / Под ред.А.С.Орлина.-М.:Машиностроение, 1971.- 400 с.

5. Мороз В.І., Братченко О.В., Астахова К.В. Новий підхід до динамічного синтезу безударних профілів газорозподільних кулачків транспортних дизелів // Зб. праць УкрДАЗТ, 2008. – Вип. 99. – с.242-249.

6. Мороз В.И., Суранов А.В. Учет технологических ограничений при проектировании кулачкового механизма привода клапанов тепловозного дизеля // Сб.научн.тр. ХИИТа. – Харьков: изд.ХИИТа, 1988. – Вып.6. – С.53 - 57.

7. Нейман И.М. Динамика авиационных двигателей. – М.-Л.: Оборонгиз, 1940. – 475 с.