Кіріспе

Қозғалтқыштың тепе-теңдігі – ішкі жану қозғалтқышы немесе бу қозғалтқышының қозғалатын бөліктерінен туындайтын инерциялық күштерді қарсы салмақтармен және тепе-теңдеу біліктерімен бейтараптандыру, жағымсыз және зиян келтіруі мүмкін дірілдердің алдын алу. Ең күшті инерциялық күштер коленвал айналу жиілігінде (бірінші ретті күштер) пайда болады және тепе-теңдік қажет, ал коленвал айналу жиілігінің екі еселенген жиілігіндегі күштер (екінші ретті күштер) кейбір жағдайларда маңызды болуы мүмкін.

Статикалық масса

Егер қозғалатын бөлшектердің салмағы – немесе салмақ таралуы – біркелкі болмаса, олардың қозғалысы тепе-теңдіксіз күштерге алып келуі мүмкін, нәтижесінде діріл пайда болады. Мысалы, егер поршеньдердің немесе шатунның салмағы цилиндрлер арасында әртүрлі болса, олардың иіліп-бүгіліп қозғалысы тік күштерді тудырады. Сол сияқты, тең емес торлы салмағы бар коленвалдың немесе тең емес салмақ таралуы бар маховиктің айналуы айналмалы тепе-теңдіксіздікке себеп болады.

Цилиндрдің орналасуы

Статикалық массалардың салмағы мүжілдік бөлінген жағдайда да, кейбір цилиндрлердің орналасуы цилиндрлердің күштері әрқашан бір-бірін өтестіре алмайтындықтан тепе-теңдіксіздікке алып келеді. Мысалы, қатарлы төрт цилиндрлі қозғалтқыш вертикальді дірілдеуге (қозғалтқыш жылдамдығының екі еселенген жиілігінде) бейім. Бұл тепе-теңдіксіздіктер конструкциялық ерекшеліктерімен байланысты және олардан қашу мүмкін емес, сондықтан пайда болатын дірілдеуді азайту үшін тепе-теңдеу біліктері немесе басқа NVH төмендету технологияларын қолдану арқылы басқару қажет.

Торсиондық тербеліс

Торсиондық тербеліс – бұрандаға бұранда импульстары оның резонанстық жиілігімен сәйкес келетін жиілікте түсірілгенде және қолданылатын бұранда мен кедергі күші бұранда бойындағы әртүрлі нүктелерде әрекет еткенде пайда болады. Оны теңестіру мүмкін емес, оны демпферлеу қажет. Теңестіру барлық айналымдар мен жүктемелерде бірдей тиімді болса да, демпферлеу нақты жұмыс жағдайларына бейімделуі керек. Шахтаның резонанстық жиілігі жобаланған жұмыс диапазонынан тыс болуы мүмкін болмаса, мысалы, салмағы немесе құны себепті, оған демпфер орнатылуы тиіс. Тербеліс коленвал осінің айналасында пайда болады, себебі жалғау таяқшалары әдетте кедергі күшінен (мысалы, муфтадан) әртүрлі қашықтықта орналасқан. Бұл тербеліс қозғалтқыштан сыртқа берілмейді, бірақ тербелістен туындаған шаршау коленвалдың бұзылуына әкелуі мүмкін. Радиалды қозғалтқыштарда торсиондық тепе-теңсіздік болмайды.

Бастапқы тепе-теңсіздік

Бастапқы тепе-теңдіксіздік коленвалдың айналу жиілігінде, яғни қозғалтқыштың негізгі жиілігінде (бірінші гармония) діріл тудырады.

Екіншілік баланс

Екіншілік тепе-теңдік краншафт айналу жиілігінен екі есе жоғары жиіліктегі дірілді жояды. Бұл тік және V тәрізді қозғалтқыштарға, әсіресе 180° бұрыш немесе бір жазықтықтағы коленвалды қозғалтқыштарға ерекше әсер етеді, онда көршілес цилиндрлердегі поршеньдер бір уақытта қарама-қарсы өлі нүктелерден өтеді. 4 цилиндрлі қатарлы қозғалтқыш толық тепе-теңдікке ие болуы мүмкін деп күтілсе де, бірақ екіншілік тепе-теңсіздік сақталады. Бұл шатунның үлкен ұшының бір жақтан екінші жаққа қозғалуынан туындайды, нәтижесінде шатунның кіші ұшының қозғалысы жоғарғы және төменгі өлі нүктелер арасындағы идеалды синусоидалық қозғалыстан ауытқиды, яғни әрбір кранк айналымында екі рет. Сондай-ақ, кіші ұшқа (немесе оған қосылған поршеньге) кранк валының жоғарғы 180° айналымындағы қашықтық төменгі 180° айналымындағыдан артық болады. Бірдей уақыт ішінде үлкен қашықтық жоғары жылдамдық пен үдеуге тең, сондықтан жоғарғы өлі нүктедегі инерциялық күш төменгі өлі нүктедегіден екі есеге дейін болуы мүмкін. Поршеньнің синусоидалық емес қозғалысын математикалық теңдеулермен сипаттауға болады. Мысалы, автомобильдегі цилиндрлері 500 см³ / 30 куб. дюймнан асатын (әртүрлі факторларға байланысты) мұндай қозғалтқыштарға жағымсыз дірілді жою үшін тепе-теңдік валдары қажет. Бұл валдар екі жұптан тұрады және қозғалтқыш жылдамдығының екі еселенген жылдамдығымен қарама-қарсы бағытта айналады, олар бастапқы өндірушінің құрметіне Lanchester валдары деп аталады. V8 қозғалтқыштарында көлденең жазықтықтағы коленвалды пайдалану арқылы бұл мәселені әдетте болдырмауға болады, ал 180° бұрыш немесе бір жазықтықтағы коленвал жоғары өнімділіктегі V8 қозғалтқыштарында ғана қолданылады, онда ол белгілі бір артықшылықтар ұсынады және діріл аз маңызды.

Баллондардың орналасуының әсері

Бір цилиндрден астам цилиндрі бар қозғалтқыштарда, әрбір қатардағы поршеньдер саны, V бұрышы және тұтандыру аралығы сияқты факторлар, көбінесе поршеньдік фазалық немесе бұрылыстық тепе-теңсіздіктердің болуын анықтайды.

Бу локомотивтері

Бұл бөлім темір жол локомотивінде жиналған қозғалтқыш дөңгелектер мен осьтер арқылы байланысқан екі бу қозғалтқыштарының теңгерімдеуіне кіріспе болып табылады. Локомотивтегі теңгерімсіз инерция әсерлері локомотив қозғалысының өлшеулері, сондай-ақ болат көпірлердегі иілулер арқылы қысқаша көрсетіледі. Бұл өлшеулер әртүрлі теңгерімдеу әдістерінің қажеттілігін, сондай-ақ локомотивтің өзіне, рельстерге және көпірлерге зиян келтіретін тербелістердің амплитудасын азайту үшін қажетті басқа да конструкциялық ерекшеліктерді көрсетеді. Үлгілік локомотив – екі сыртқы цилиндрлі, клапандық механизмді, біріктірілген қозғалтқыш дөңгелектері және жеке тендері бар қарапайым, құрама емес тип. Тек негізгі теңгерімдеу қарастырылады, цилиндрлердің әртүрлі орналасуы, кривошип бұрыштары және т.б. әсеріне қатысты ештеңе айтылмаған, себебі үш және төрт цилиндрлі локомотивтерде теңгерімдеу әдістері күрделі және әртүрлі болуы мүмкін. Математикалық әдістерді «әрі қарай оқуға» қараңыз. Мысалы, Далбидің «Двигательдерді теңгерімдеу» еңбегінде теңгерімсіз күштер мен моменттерді полигондарды қолдану арқылы қарастыру баяндалған. Джонсон мен Фрай алгебралық есептеулерді қолданады. Жылдамдыққа жеткенде локомотив алға-артқа иіліп, бүйірінен солға-оңға шайқалуға бейім. Сондай-ақ, ол көтеріліп-түсуге және шайқалуға бейім. Бұл мақалада екі бу қозғалтқыштар мен олардың біріктірілген дөңгелектеріндегі теңгерімсіз инерциялық күштер мен моменттерден туындайтын осы қозғалыстар қарастырылады (кейбір ұқсас қозғалыстар жолдың жүріс бетінің және серпімділігінің бұзылуларынан туындауы мүмкін). Бірінші екі қозғалыс – кері инерциялық массалардан, ал соңғы екеуі – поршеньнің итермелеуінен немесе контр-сабындардың жетекші сымдарға жасаған қисық әсерінен туындайды. Теңгерімдеудің үш деңгейі бар. Ең негізгісі – қозғалтқыш дөңгелегіндегі орталықтан тыс элементтердің, яғни кривошип және оған бекітілген бөлшектердің статикалық теңгерімдеуі. Сонымен қатар, кері инерциялық бөлшектердің бір бөлігін қосымша айналмалы салмақпен теңгертуге болады. Бұл салмақ дөңгелектің орталықтан тыс бөлшектеріне қажетті салмақпен біріктіріледі, бұл қосымша салмақ дөңгелектің артық теңгерімделуіне және «балға соққысына» әкеледі. Сонымен қатар, жоғарыда көрсетілген теңгерім салмақтары дөңгелектің жазықтығында емес, бастапқы теңгерімсіздіктің жазықтығында болғандықтан, дөңгелек/осьтік жиынтық динамикалық теңгерімде емес. Бу локомотивтеріндегі динамикалық теңгерімдеу «қайыстыру теңгерімдеуі» деп аталады және ол екінші жазықтықтың қарсы дөңгелекте орналасқан екі жазықтықты теңгерімдеуді құрайды. Тұрақсыздыққа бейімділік нақты локомотив класының конструкциясына байланысты өзгереді. Тиісті факторларға оның салмағы мен ұзындығы, серпімдер мен теңестіргіштерге қалай тірелуі, сондай-ақ теңгерімсіз қозғалатын массаның мәні локомотивтің серпімсіз массасымен және жалпы массасымен қалай салыстырылатыны жатады. Тендердің локомотивке бекітілу әдісі де оның мінез-құлқына әсер ете алады. Жолдың рельстің салмағы және жол төсенішінің серпімділігі локомотивтің тербеліс мінез-құлқына әсер етеді. Жақсы емес жүру сапасынан басқа, дөңгелегінің қиын жүруі локомотив пен жол компоненттеріндегі тозу мен сынуға байланысты техникалық қызмет көрсету шығындарына әкеледі.

Теңгерімсіздіктің көздері

Барлық қозғалтқыш дөңгелектердің теңгерімсіздігі олардың ортасынан ығысқан бұрандалы шұңқырлары мен қосылған бөлшектерінен туындайды. Басты қозғалтқыш дөңгелектерде теңгерімсіздік ең жоғары, себебі оларда ең ірі бұрандалы шұңқыр және басты таяқтың айналатын бөлігі бар. Сонымен қатар, оларда клапандық механизмнің эксцентрикалық бұрандасы және эксцентрикалық таяқтың артқы бөлігі де бар. Бір-бірімен байланысқан қозғалтқыш дөңгелектер сияқты, оларда да қосалқы таяқтың салмағының өз үлесі бар. Басты таяқтың айналу қозғалысын қамтамасыз ететін бөлігі бастапқыда екі ұшынан тіреп салмақтап өлшенді. Бірақ, айналмалы және поршеньдік қозғалыс бөліктерін соғу орталығының орналасуына сүйенген, дәлірек әдіс қажет болды. Бұл орынды таяқты маятник ретінде тербету арқылы анықталды. Қалған қозғалтқыш дөңгелектердегі теңгерімсіздік бұрандалы шұңқыр мен қосалқы таяқтың салмағынан туындайды. Әр бұрандалы шұңқырға тиесілі қосалқы таяқтың салмағы, таяқты бұрандалы шұңқырлар санына тең баламалы таразыларда өлшенді немесе есептеу арқылы анықталды. Поршень-крейцкопф-басты таяқ-клапандық механизмнің поршеньдік қозғалысы теңгерімсіздік тудырып, алға және артқа толқындауға себеп болады. Олардың арасындағы 90 градус бұрыш екі жұптың шайқалуын қамтамасыз етеді.

Теңгерімсіздіктің әсерін өлшеу

Бүкіл локомотив теңгерімсіз инерция күштерінің әсерінен қозғалуға бейім. Теңгерімсіз локомотивтердің көлденең қозғалысын М. Ле Шателье 1850 жылдары Францияда ғимараттың шатырынан арқанға іліп өлшеген. Локомотивтерді 40 миль/сағатқа дейін жылдамдықпен жүргізіп, буферлік сәулеге орнатылған қарындашпен көлденең қозғалысты тіркеген. Тіркелген із эллипс пішіндес болып, алға және артқа қозғалыс пен дірілдің бірлескен әсерінен пайда болған. Бұл пішін теңгерімсіз локомотивтердің бірі үшін бір дюймдік шаршыға сыйып, айналу және поршеньдік қозғалыс массаларын теңестіру үшін салмақтар қосылғанда азайған. Рельсте дөңгелектің тік тепе-теңдігінің болмауының немесе жүктемесінің өзгеруінің әсерін 1895 жылы АҚШ-та профессор Робинсон өлшеген. Ол көпірдің иілуін немесе деформациясын өлшеп, теңгерімсіз жетек дөңгелектеріне байланысты статикалық мәннен 28%-ға артық екенін анықтаған. Локомотивтердегі қалдық тепе-теңдік Пенсильвания темір жолының сынақ алаңында үш тәсілмен бағаланған. Атап айтқанда, 1904 жылы Луизианада өткен көрменің аясында сегіз локомотив сынақтан өткен. Үш өлшем:

Сынаптық жылдамдық. Бұл жылдамдық теңгерімсіз поршеньдік бөлшектер локомотивтің тартымды күшін кері қайтаратын жылдамдық ретінде анықталған. Жоғары жылдамдықтарда бұл қозғалыс май ағынын реттегіш клапандар арқылы басылған. Сынаптық жылдамдық Балдуиннің тандемдік құралы үшін 95 айналымнан Коулдың Атлантик құралы үшін 310 айналымға дейін өзгерген. Пилоттағы көлденең қозғалыс. Мысалы, Балдуин құрама Атлантика 65 миль/сағатта 0,80 дюймға жуық қозғалған, ал Коул құрама Атлантика үшін 0,10 дюймды құраған. Тірек дөңгелектеріне түсетін жүктемені сапалық бағалау. Дөңгелектердің астына 0,060 дюйм диаметріндегі сым тартылған. Деформацияланған сымды өлшеу дөңгелектің тік жүктемесін көрсеткен. Мысалы, Коулдың Атлантик құрамасы 75 миль/сағатқа дейінгі барлық жылдамдықтарда 0,020 дюйм қалыңдығынан аз өзгерген. Керісінше, 75 миль/сағат жылдамдықтағы Балдуин құрама Атлантика деформацияны көрсетпеген, бұл дөңгелектің толық көтерілуін білдірген, дөңгелектің 30 градусқа айналуымен және 20 градусқа айналудан кейін тез кері соққымен, 0,020 дюймдік соққысыз деформацияға дейін. Сапалық бағалау кабинадағы жүру сапасы тұрғысынан жол сапарында жүргізілуі мүмкін. Олар жақсы тепе-теңдік қажеттігінің сенімді көрсеткіші бола алмайды, себебі байланыссыз факторлар, мысалы, ілініп қалған клин, бұзылған теңестіргіштер және қозғалтқыш пен тендер арасындағы бос орын жаман жүруге себеп болуы мүмкін. Сонымен қатар, теңгерімсіз осьтің локомотивтің ауырлық орталығына қатысты орны кабинадағы қозғалыс мөлшерін анықтауы мүмкін. А.Х. Феттерс 4-8-2 локомотивінде 26 000 фунт динамикалық күшейткіштің әсері кабинада байқалмағанын, бірақ басқа осьте бірдей күшейткіш болса байқалатынын айтқан.

Доңғалақтың статикалық тепе-теңдігі

Теңгерімдегі салмақтар теңгерімсіздік тудыратын бөлшектерге қарама-қарсы орнатылады. Бұл салмақтарды орналастыруға қолжетімді жалғыз жазықтық – дөңгелектің іші, нәтижесінде дөңгелек/ось жиынтығында теңгерімсіз күш жұбы пайда болады. Дөңгелек тек статикалық түрде теңгерілген.

Қалқымалы салмақтың статикалық тепе-теңдігі

Қозғалмалы салмақтың бір бөлігі дөңгелектің қосымша айналмалы салмағымен теңгеріледі, яғни тек статикалық теңгеріледі. Теңгерімнен ауытқудың нәтижесінде «шеке соққысы» немесе «динамикалық күшейту» пайда болады, бұл екі термин де төмендегі сілтемелерде келтірілгендей бірдей анықтамаға ие. Шеке соққысы статикалық орташа мәнге қатысты өзгереді, әрбір дөңгелек айналымымен кезекпен қосылып, одан ажыратылады. Америка Құрама Штаттарында бұл динамикалық күшейту деп аталады, ол дөңгелектерге қарсы салмақ қосып, өзара қозғалмалы бөліктерді теңгеруге жасалған конструкциялық әрекеттің нәтижесінде туындайтын тік күш. «Шеке соққысы» термині процесті толыққанды сипаттамайды, себебі күш үнемі өзгереді және тек ерекше жағдайларда, дөңгелек қысқа ғана уақытқа рельстен көтерілгенде ғана нағыз соққы болады, қайтадан төмен түскенде. 1923 жылға дейін американдық локомотивтері тек статикалық жағдайлар бойынша теңгерілді, теңгерімсіз күштен туындап, негізгі ось жүктемесі орташа мәннен жоғары немесе төмен 20 000 фунтқа дейін ауытқыды. Жарқын қозғалыс және зақымдану динамикалық теңгерілеу бойынша ұсыныстарға әкелді, оның ішінде теңгерілетін қозғалмалы салмақтың үлесін локомотивтің жалпы салмағының үлесі ретінде немесе Франклин буферімен, локомотив пен тендердің салмағы ретінде анықтау. Дөңгелек/рельс жүктемесінің тағы бір көзі – поршень итерісі, кейде қате түрде шеке соққысы немесе динамикалық күшейту деп аталады, бірақ ол аталған терминдердің стандартты анықтамаларында кездеспейді. Сонымен қатар, ол дөңгелек айналымына қарай өзгеше формаға ие, бұл туралы кейін сипатталады. Жүргізуші дөңгелектерге салмақ қосудың орнына, тендерді локомотивтің тиімді массасы мен дөңгелек аралығын арттыратын тығыз байланыс арқылы қосуға болады. Пруссия мемлекеттік темір жолдары қайталанатын теңгерімсіз, бірақ қатты тендер байланысы бар екі цилиндрлі локомотивтерді жасады. Кейінгі американдық локомотивтері үшін эквивалентті байланыс – үйкеліспен демпферленген радиалды буфер болды.

Доңғалақ/осі құрамының динамикалық тепе-теңдігі

Дөңгелектердегі кранкпиль мен таяқшалардың салмағы, статикалық тепе-теңдік салмағының орналасқан жазықтығынан тыс, басқа жазықтықта орналасады. Егер жылдамдық кезінде тепе-теңсіз күштерді теңгерімдеу қажет болса, екі жазықтықты немесе динамикалық теңгерімдеу қажет. Екінші жазықтық қарама-қарсы дөңгелекте пайдаланылады. Локомотив дөңгелектерінің екі жазықтықты немесе динамикалық теңгерімдеуі қиылыс теңгерімдеу деп аталады. Оқ жүктемесі әдетте екі дөңгелектің жүктемелерінің қосындысына тең болмайды, себебі қиылыс теңгерімдеудің әрекет сызығы әр дөңгелекте өзгеше болады. Локомотивтің статикалық салмағы белгілі болғанда, поршеньдік механизмдерді ішінара теңгерімдеу үшін әрбір дөңгелекке қосылатын артық салмақ мөлшері есептеледі. Көшпенді локомотивтің астындағы көпірде өлшенген кернеулерде поршень итеру күшінің де компоненті бар. Бұл, жоғарыда көрсетілген әрбір дөңгелек үшін рұқсат етілген артық салмақты есептеуде ескерілмейді. Оны ескеру қажет болуы мүмкін.

Доңғалақтың балға соғуына реакциясы

Айналу күші дөңгелектің жүктемесін кезекпен азайтып, әрбір айналымда арттыратындықтан, байланыс жағындағы тұрақты тартылу күші дөңгелек айналымында бір рет төмендейді және дөңгелектердің сырғанауы мүмкін. Сырғанаудың пайда болуы барлық байланысты дөңгелектердегі балға соққысының бірдей уақытта салыстырылуына байланысты. Жоғары сырғанау жылдамдықтарынан туындаған артық балға соққысы 1934 жылғы А.А.R. ұсынымы бойынша, жүк көлігі локомотивтеріндегі 4-6-4 және 4-8-4 типтес локомотивтердің рельстерінің бүгілуіне себеп болды, онда 40% реципрокалық салмақ теңгерілді. Дөңгелектің әрбір айналымында кезекпен қосылып, азайтылатын балға соққысынан өзгеше, поршень итерімі тек статикалық орташаға қосылады немесе одан екі рет азайтылады, қозғалыс бағытына және локомотивтің инерциямен немесе еркін қозғалыспен жүруіне байланысты. Теміржол локомотивтерінде қолданылатын екі бағытты бу машинасының поршенді штангасындағы тік итерімі, алға қарай қозғалғанда әрқашан жоғары бағытталған болады. Ол соққының соңында нөлге дейін, ал жарты соққыда максималды мәнге жетеді, осы кезде поршень сарысы мен кривошип арасындағы бұрыш ең үлкен болады. Кривошип штыры поршенді қозғалтқанда, мысалы, инерциямен қозғалғанда, поршень итерімі төмен қарай бағытталған. Максималды итеріліс орны поршень сарысының ортасындағы тозудың артуымен анықталады. Жоғарғы поршень сарысындағы өзгермелі күш машинаны жарты соққыда жетектегі серіппелерден көтеруге, ал соққы соңында төмендетуге бейімдейді. Бұл машинаның шайқалуына әкеледі, ал екі цилиндрдегі максималды жоғары күш бірдей уақытта болмағандықтан, ол серіппелерде де ауытқуға себеп болады.

Басқа тепе-теңдік машиналарымен ұқсастықтар

Локомотив дөңгелектерінің динамикалық теңгерілуі, дөңгелектерді басқа жазықтықтағы теңгерімсіздікті жою үшін теңгерілу жазықтықтары ретінде қолдану, реактивті қозғалтқыш компрессор/турбина жиынтықтары сияқты басқа роторлардың динамикалық теңгерілуіне ұқсас. Жиналған ротордағы қалдық теңгерімсіздік, қозғалтқыш ұшақта орнатылған күйінде қолжетімді екі жазықтықта теңгерім салмақтарын орнату арқылы түзетіледі. Бір жазықтық желдеткіштің алдыңғы бөлігінде, ал екіншісі турбинаның соңғы сатысында орналасқан.