Введение
Баланс возвратно-поступательных и вращающихся компонентов двигателя
Балансировка двигателя подразумевает нейтрализацию инерционных сил, создаваемых движущимися частями в двигателе внутреннего сгорания или паровом двигателе, посредством применения противовесов и балансировочных валов для предотвращения неприятных и потенциально разрушительных вибраций. Наиболее сильные инерционные силы возникают на частоте вращения коленчатого вала (силы первого порядка), и балансировка обязательна, в то время как силы, возникающие на удвоенной частоте вращения коленчатого вала (силы второго порядка), могут быть значительными в определенных случаях.
Статика
Если вес или распределение веса движущихся частей неоднородно, их движение может создавать дисбаланс сил, приводящий к вибрации. Например, если веса поршней или шатунов отличаются между цилиндрами, возвратно-поступательное движение может вызывать вертикальные силы. Аналогично, вращение коленчатого вала с неравномерным весом щек или маховика с неравномерным распределением веса может вызывать вращательный дисбаланс.
Размещение цилиндров
Даже при идеально сбалансированном распределении веса статических масс, некоторые компоновки цилиндров вызывают дисбаланс из-за того, что силы, создаваемые каждым цилиндром, не компенсируют друг друга постоянно. Например, рядный четырехцилиндровый двигатель имеет вертикальную вибрацию (с частотой, вдвое превышающей частоту вращения двигателя). Эти дисбалансы являются неотъемлемой частью конструкции и не могут быть устранены, поэтому возникающие вибрации необходимо подавлять с помощью балансировочных валов или других технологий снижения шума и вибраций (NVH), чтобы минимизировать передачу вибраций в салон.
Торсионные вибрации
Торсионные колебания возникают, когда импульсы крутящего момента прикладываются к валу на частоте, совпадающей с его резонансной частотой, и при этом приложенный и сопротивляющий моменты действуют в разных точках вдоль вала. Их нельзя сбалансировать, их необходимо демпфировать, и хотя балансировка одинаково эффективна на всех скоростях и при всех нагрузках, демпфирование должно быть подобрано к конкретным условиям эксплуатации. Если вал нельзя спроектировать так, чтобы его резонансная частота находилась за пределами предполагаемого диапазона рабочих частот, например, из-за ограничений по весу или стоимости, его необходимо оснастить демпфером. Колебания происходят вокруг оси коленчатого вала, поскольку шатуны обычно расположены на разных расстояниях от точки приложения сопротивляющего момента (например, сцепления). Эти колебания не передаются за пределы двигателя, однако усталость от них может привести к поломке коленчатого вала. Радиальные двигатели не подвержены торсионному дисбалансу.
Первичный дисбаланс
Первичный дисбаланс вызывает вибрацию на частоте вращения коленчатого вала, то есть на основной частоте (первой гармонике) работы двигателя.
Вторичный баланс
Вторичный баланс устраняет вибрацию с частотой, вдвое превышающей частоту вращения коленчатого вала. Это особенно актуально для рядных и V-образных двигателей с коленчатым валом, имеющим развал 180° или расположенным в одной плоскости, в которых поршни соседних цилиндров одновременно проходят через верхнюю и нижнюю мертвые точки. Несмотря на то, что можно было бы ожидать идеального баланса 4-цилиндрового рядного двигателя, сохраняется остаточный вторичный дисбаланс. Это происходит из-за того, что шатун качается из стороны в сторону, что приводит к отклонению движения поршня от идеальной синусоиды между верхней и нижней мертвыми точками при каждом качке, то есть дважды за оборот коленчатого вала. При этом расстояние, которое должен пройти поршень (вместе с шатуном) в верхних 180° вращения коленчатого вала, больше, чем в нижних 180°. Большее расстояние за то же время соответствует более высокой скорости и ускорению, в результате чего инерционная сила в верхней мертвой точке может быть вдвое больше, чем в нижней. Несинусоидальное движение поршня можно описать математическими уравнениями. Например, в автомобиле такой двигатель с цилиндрами объемом более 500 куб. см (в зависимости от различных факторов) требует балансировочных валов для устранения нежелательной вибрации. Эти валы представляют собой пару вращающихся в противоположных направлениях балансировочных валов, работающих на скорости, вдвое превышающей скорость двигателя, и называются валами Ланчестера по имени их первоначального разработчика. В двигателях V8 эта проблема обычно решается за счет использования крестового коленчатого вала, а коленчатый вал с развалом 180° или расположенный в одной плоскости применяется только в высокопроизводительных двигателях V8, где он обеспечивает определенные преимущества, а вибрация не является критичной.
Влияние расположения цилиндров
Для двигателей с более чем одним цилиндром такие факторы, как количество поршней в каждой головке блока, угол развала цилиндров и интервал воспламенения, обычно определяют наличие дисбаланса возвратно-поступательного движения или крутильного дисбаланса.
Паровозы
В данном разделе представлено введение в балансировку двух паровых двигателей, соединенных ведущими колесами и осями, как это реализовано в железнодорожном локомотиве. Влияние неуравновешенных инерций на локомотив кратко демонстрируется описанием измерений движения локомотива, а также деформаций стальных мостов. Эти измерения показывают необходимость применения различных методов балансировки, а также других конструктивных решений для снижения амплитуды вибраций и предотвращения повреждений самого локомотива, а также рельсов и мостов. Рассматриваемый локомотив – простой, некомпаундный тип с двумя наружными цилиндрами и золотниковым механизмом, соединенными ведущими колесами и отдельным тендером. Охватывается только базовая балансировка, без упоминания влияния различных схем расположения цилиндров, углов поворота коленчатого вала и т.п., поскольку методы балансировки для трех- и четырехцилиндровых локомотивов могут быть сложными и разнообразными. Математическое обоснование можно найти в разделе «Дополнительная литература». Например, в книге Далби «Балансировка двигателей» рассматривается обработка несбалансированных сил и моментов с использованием полигонов. Джонсон и Фрай используют алгебраические расчеты. На скорости локомотив будет стремиться к продольным колебаниям (толчкам вперед-назад) и кивкам, а также к поперечным колебаниям (покачиванию) из стороны в сторону. Он также будет склонен к кренам и раскачиванию. В данной статье рассматриваются эти движения, возникающие из-за несбалансированных сил инерции и моментов в двух паровых двигателях и их соединенных колесах (подобные движения могут быть вызваны неровностями поверхности катания и жесткостью пути). Первые два типа движений обусловлены возвратно-поступательными массами, а последние два – наклонным воздействием шатунов, или тягой поршня, на направляющие планки. Существует три степени, до которых может быть достигнута балансировка. Наиболее простая – статическая балансировка эксцентрично расположенных элементов на ведущем колесе, то есть коленчатого пальца и прикрепленных к нему деталей. Кроме того, можно сбалансировать часть возвратно-поступательных масс, добавив вращающийся противовес. Этот вес комбинируется с весом, необходимым для балансировки эксцентричных частей колеса, и этот дополнительный вес приводит к перебалансировке колеса, вызывая ударные нагрузки. Наконец, поскольку вышеуказанные балансировочные веса расположены в плоскости колеса, а не в плоскости источника дисбаланса, колесно-осевой узел не является динамически сбалансированным. Динамическая балансировка на паровозах известна как перекрестная балансировка и представляет собой балансировку в двух плоскостях, причем вторая плоскость находится на противоположном колесе. Склонность к неустойчивости будет варьироваться в зависимости от конструкции конкретного типа локомотива. Важными факторами являются его вес и длина, способ установки на пружины и уравнители, а также соотношение значения неуравновешенной движущейся массы к непружинной и общей массе локомотива. Способ крепления тендера к локомотиву также может влиять на его поведение. Упругость пути, определяемая весом рельса и жесткостью балластного слоя, может влиять на вибрационное поведение локомотива. Помимо ухудшения комфорта при движении, неровная езда приводит к затратам на техническое обслуживание из-за износа и разрушений компонентов как локомотива, так и пути.
Источники дисбаланса
Все движущие колеса имеют дисбаланс, вызванный их эксцентричными коленчатыми штырями и прикрепленными к ним деталями. Основные движущие колеса имеют наибольший дисбаланс, поскольку у них самый большой коленчатый штифт, а также вращающаяся часть главного шатуна. Кроме того, у них имеется эксцентриковый кривошип механизма клапанов и задняя часть эксцентрикового стержня. Как и у сцепленных движущих колес, у них также есть своя часть веса бокового шатуна. Часть главного шатуна, предназначенная для вращательного движения, первоначально измерялась взвешиванием, когда она поддерживалась с каждого конца. Позже потребовался более точный метод, который разделял вращающиеся и возвратно-поступательные части на основе положения центра удара. Это положение измерялось путем раскачивания шатуна как маятника. Дисбаланс в остальных движущих колесах вызван коленчатым штифтом и весом бокового шатуна. Вес боковых шатунов, прикрепленный к каждому коленчатому штифту, измеряется путем подвешивания шатуна на столько весов, сколько имеется коленчатых штифтов, или путем вычисления. Возвратно-поступательная связь поршень-перекрестье-главный шатун-привод клапанов не сбалансирована и вызывает продольные колебания. Их разделение на 90 градусов создает качающий момент.
Измерение эффектов дисбаланса
Весь локомотив подвержен движению под воздействием неуравновешенных сил инерции. Горизонтальные колебания неуравновешенных локомотивов были количественно оценены М. Ле Шателье во Франции около 1850 года путем подвешивания локомотивов на тросах к крыше здания. Они разгонялись до эквивалентных скоростей, достигающих 64 км/ч, а горизонтальное движение фиксировалось карандашом, установленным на буферном брусе. Траектория представляла собой эллипс, образованный совместным действием продольных и поперечных колебаний. Эллипс, описывающий движение одного из неуравновешенных локомотивов, помещался в квадрат со стороной в дюйм, и уменьшался до точки при добавлении грузов для компенсации вращающихся и возвратно-поступательных масс. Влияние вертикального дисбаланса, или изменения нагрузки колеса на рельсы, было количественно оценено профессором Робинсоном в США в 1895 году. Он измерял прогибы или напряжения мостов и приписывал 28% превышение статического значения несбалансированным ведущим колесам. Остаточный дисбаланс локомотивов оценивался тремя способами на испытательном стенде Pennsylvania Railroad. В частности, восемь локомотивов были испытаны на выставке Louisiana Purchase Exposition в 1904 году. Эти три измерения включали:
Критическую скорость. Она определялась как скорость, при которой неуравновешенные возвратно-поступательные детали меняли направление тяги локомотива. На более высоких скоростях это движение гасилось путем регулирования потока масла в демпферах. Критическая скорость варьировалась от 95 об/мин для тандем-компаунда Baldwin до более 310 об/мин для компаунда Cole Atlantic. Горизонтальное перемещение пилота. Например, компаунд Baldwin Atlantic перемещался примерно на 20 мм при скорости 105 км/ч, по сравнению с 2,5 мм для компаунда Cole Atlantic. Качественную оценку нагрузки на опорные колеса станции. Под колесами прокладывали проволоку диаметром 1,52 мм. Измерение деформации проволоки давало представление о вертикальной нагрузке на колесо. Например, компаунд Cole Atlantic показывал незначительные изменения толщины, оставаясь в пределах 0,51 мм для всех скоростей до 120 км/ч. В отличие от него, компаунд Baldwin Atlantic на скорости 120 км/ч не демонстрировал деформации, что указывало на полное отрывание колеса от рельсов – вращение на 30 градусов сопровождалось быстрым возвратом и ударом, в то время как вращение на 20 градусов приводило к деформации без удара в 0,51 мм. Качественные оценки можно проводить во время пробега по железной дороге, оценивая плавность хода в кабине. Однако они могут быть ненадёжным индикатором необходимости улучшения балансировки, поскольку на неровность хода могут влиять посторонние факторы, такие как заклинившие клинья, неисправные эквалайзеры и люфт между локомотивом и тендером. Кроме того, положение неуравновешенной оси относительно центра тяжести локомотива может определять величину колебаний в кабине. А. Х. Феттерс сообщил, что на локомотиве типа 4-8-2 эффект динамического увеличения в 11 793 кг под центром тяжести не ощущался в кабине, в то время как такое же увеличение на любой другой оси было бы заметно.
Статика балансировки колес
Балансировочные грузы устанавливаются напротив деталей, вызывающих дисбаланс. Единственно возможная плоскость для установки этих грузов – плоскость самого колеса, что приводит к возникновению дисбалансирующего момента на колесно-осевой сборке. Колесо балансируется только в статической плоскости.
Статическое балансирование переменного веса
Часть возвратно-поступательной массы уравновешивается добавлением дополнительного вращающегося веса в колесе, то есть балансировка остается исключительно статической. Переутяжеление вызывает так называемый удар молотком или динамическое увеличение, оба термина имеют одинаковое определение, приведенное в следующих источниках. Удар молотком колеблется относительно статического среднего значения, попеременно прибавляясь к нему и вычитаясь из него при каждом обороте колеса. В Соединенных Штатах это явление известно как динамическое увеличение – вертикальная сила, возникающая из-за попытки конструктора сбалансировать возвратно-поступательные части путем включения противовесов в колеса. Термин "удар молотком" не совсем точно описывает происходящее, поскольку сила изменяется непрерывно, и лишь в крайних случаях, когда колесо на мгновение отрывается от рельса, происходит настоящий удар при его возвращении. До 1923 года американские локомотивы балансировались только по статическим условиям, с колебаниями нагрузки на главную ось до 20 000 фунтов выше и ниже среднего значения за оборот из-за несбалансированной пары. Неустойчивый ход и повреждения привели к рекомендациям по динамической балансировке, включая определение доли возвратно-поступательной массы, подлежащей балансировке, как доли общего веса локомотива или, при использовании буферов Франклина, веса локомотива вместе с тендером. Другой источник изменения нагрузки на колесо/рельс – тяга поршня – иногда ошибочно называют ударом молотком или динамическим увеличением, хотя в стандартных определениях этих терминов он не фигурирует. Его форма также меняется с каждым оборотом колеса, как описано далее. В качестве альтернативы добавлению веса к ведущим колесам, тендер можно было бы прикрепить жесткой сцепкой, что увеличило бы эффективную массу и колесную базу локомотива. Прусские государственные железные дороги построили двухцилиндровые двигатели без балансировки возвратно-поступательной массы, но с жесткой тендерной сцепкой. Эквивалентной сцепкой для более поздних американских локомотивов был радиальный буфер с трением.
Динамическое балансирование колеса/оси
Вес коленчатого пальца и шатунов, действующий на колеса, находится в плоскости, смещенной относительно плоскости колеса для статического балансировочного груза. Двухплоскостная, или динамическая, балансировка необходима, если возникает дисбаланс при рабочих скоростях, требующий устранения. Вторая плоскость балансировки располагается на противоположном колесе. Двухплоскостная, или динамическая, балансировка колесной пары локомотива называется перекрестной балансировкой. Нагрузка на ось обычно не равна сумме нагрузок на оба колеса, поскольку линия действия перекрестной балансировки различна для каждого колеса. Зная статическую массу локомотива, рассчитывается величина перебалансировки, которую можно придать каждому колесу для частичной компенсации сил, создаваемых возвратно-поступательными деталями. Напряжения, измеряемые в пролетном строении под проходящим локомотивом, также включают в себя составляющую от силы давления поршня. Этот фактор не учитывается при расчете допустимой перебалансировки для каждого колеса, однако его необходимо учитывать при необходимости.
Реакция колеса на удар молотком
Поскольку вращающаяся сила попеременно уменьшает и увеличивает нагрузку на колеса с каждым оборотом, устойчивое тяговое усилие в пятне контакта снижается один раз за оборот колеса, что может привести к проскальзыванию колес. Происходит ли проскальзывание, зависит от соотношения силы удара молотка на всех сцепленных колесах в данный момент времени. Чрезмерная сила удара молотка при высоких скоростях проскальзывания была причиной деформации рельсов у новых североамериканских локомотивов типов 4-6-4 и 4-8-4, построенных после рекомендации A.A.R. 1934 года по балансировке 40% возвратно-поступательной массы. В отличие от силы удара молотка, которая попеременно добавляется и вычитается для каждого оборота колеса, тяга поршня лишь увеличивает или уменьшает статическое среднее значение дважды за оборот, в зависимости от направления движения и того, движется ли локомотив накатом или по инерции. В паровом двигателе двойного действия, используемом в железнодорожном локомотиве, направление вертикальной тяги на ползуне всегда направлено вверх при движении вперед. Оно изменяется от нуля в конце хода до максимума в середине хода, когда угол между шатуном и кривошипом наибольший. Когда кривошипный палец приводит в движение поршень, например, при движении накатом, тяга поршня направлена вниз. Положение максимальной тяги проявляется в усиленном износе в средней части ползунов. Переменная сила, действующая на верхний ползун, стремится приподнять машину над опорными пружинами в середине хода и ослабить давление на них в конце хода. Это вызывает продольный крен, и поскольку максимальная подъемная сила не является одновременной для обоих цилиндров, это также может привести к крену на пружинах.
Сходство с другими балансировочными машинами
Динамическое балансирование колес локомотива, при котором сами колеса используются в качестве балансирующих плоскостей для компенсации дисбаланса в других плоскостях, аналогично динамическому балансированию других роторов, таких как компрессорные/турбинные группы реактивных двигателей. Остаточный дисбаланс собранного ротора корректируется установкой балансировочных грузов в двух плоскостях, к которым можно получить доступ при установке двигателя на самолете. Одна плоскость находится в передней части вентилятора, а другая – на последней ступени турбины.