По типу картера смазочные системы бывают с мокрым и с сухим картером.
В современных автотракторных двигателях в основном распространены циркуляционные комбинированные системы с мокрым картером.
Смазочные системы также характеризуются по следующим показателям: кратности циркуляции; удельной емкости; удельной подаче масляного насоса; наличию теплообменников и других охлаждающих устройств; принципу работы средств очистки; наличию и степени автоматизации.
Рассмотрим подробнее эти показатели.
Кратность циркуляции:
,
где – подача масляного насоса, л/ч; V – вместимость смазочной системы, л.
По значению К смазочные системы делят на системы с малой кратностью циркуляции (К<60 ч–1) и с большей кратностью (К 60 ч–1).
Удельная емкость смазочной системы (л/кВт): q = V/Ne (у современных двигателей q = 0,11...0,62 л/кВт). Удельная подача масляного насоса [л/(кВтч)]:
, = 0,33... 1,59 л/(кВт–ч).
Для охлаждения масла применяют масляные радиаторы. По схеме включения в магистраль и принципу работы средств очистки масла различают смазочные системы с неполно поточной (частично поточной) и полно поточной центробежной очисткой или фильтрацией.
По степени автоматизации смазочные системы делятся на две группы – неавтоматизированные и имеющие элементы автоматики.
Вместимость смазочной системы приближенно можно определить по формуле:
V = q Ne
При расчете смазочной системы определяют скорости потоков масла и гидравлические сопротивления в характерных участках системы.
Скорости потоков масла (м/с) при прохождении через трубопроводы и каналы:
,
где – объем масла, проходящего через данный канал; fK – площадь «живого» сечения канала.
Гидравлическое сопротивление рассчитывают по формуле:
,
где – коэффициент сопротивления трению; и d – длина и внутренний диаметр трубопровода; – коэффициент местных сопротивлений; – плотность масла.
Расчет подшипника. Для создания при работе двигателя в сопрягаемых деталях жидкостного трения необходимо, чтобы под действием гидродинамического давления в несущей части масляного слоя вал поднимался на определенное минимальное значение.
Считается, что жидкостное трение достигается, если между валом и подшипником имеется минимальный зазор:
,
где – критическая толщина масляного слоя; – минимальная рабочая толщина масляного слоя (обычно принимают 2 мкм).
,
где – высота неровностей вала; – высота неровностей подшипника; – отклонение от геометрической формы.
Надежность работы подшипника оценивают коэффициентом надежности жидкостного трения:
,
Количество теплоты (кДж/с), выделяемое подшипником:
,
где – среднее давление за цикл на шейку вала, МПа; =0,002...0,008 – коэффициент жидкостного трения; – площадь подшипника, м2; – окружная скорость шейки, м/с.
Количество теплоты (кДж/с), отводимое от подшипника маслом:
где V'M – объем масла, проходящего через подшипник, м3/с; – плотность масла, кг/м3; см – удельная теплоемкость масла, кДж/(кг–К); – температура масла, входящего в подшипник; – температура масла, выходящего из подшипника ( =10...15сС).
Подшипники двигателей внутреннего сгорания работают при температуре поверхностей трения 100...120°С и температуре масла, достигающей 120 °С.
Расчет масляного насоса. Масляные насосы поддерживают непрерывную циркуляцию масла в двигателе, подавая его под давлением во все сопряженные пары, требующие смазывания. На современных двигателях в основном применяют шестеренные и одновинтовые (разновидность шестеренных) насосы. В зависимости от типа двигателя их устанавливают внутри или снаружи картера. Для надежности работы во многих двигателях устанавливают двух– и трехсекционные масляные насосы. При этом верхняя секция подает масло в смазочную систему и центробежный фильтр тонкой очистки, а нижняя– в масляный радиатор.
Исходная величина для расчета элементов смазочной системы, в том числе и масляного насоса, – необходимая подача масла (л/ч):
где – коэффициент запаса, учитывающий возможность перегрузки и дальнейшего форсирования двигателя, увеличение зазоров при износе и т. п. ( =l,5...3); – удельное количество теплоты, поступающее в масло от деталей двигателя, Дж/(кВтч); – перепад температур масла на выходе из двигателя и входе в него, °С; и – соответственно удельная теплоемкость кДж/(кгК) и плотность (кг/м3) масла.
Точный расчет по приведенной зависимости затруднителен, поэтому подачу масляного насоса чаще определяют по эмпирическим зависимостям вида:
где – удельная подача масляного насоса: для карбюраторных двигателей =11...28 л/(кВтч) и для дизелей =28...56 л/(кВт–ч).
Расчетная подача масляного насоса может быть также получена на основе следующих положений. Необходимая подача масла насосом VH зависит от количества отводимой им от двигателя теплоты QM (кДж/с), которое для автотракторных двигателей составляет 1,5...3% общего количества теплоты, введенной в двигатель с топливом, т. е.
QM = (0,015...0,03)Qo; Qo = QH GT/3600 кДж/с.
Тогда необходимая подача масла (м3/с) с учетом заданного значения QM
где – плотность масла (в расчетах принимают =900 кг/м3); – средняя удельная теплоемкость масла ( =2,094 кДж/(кгК); – температура нагрева масла в двигателе ( = 10...15 К).
Подачу масла насосом для стабилизации давления масла в системе двигателя обычно увеличивают в 2 раза, т. е.
Расчетная подача насоса:
где – объемный коэффициент подачи (учитывает прорыв масла через нештатности и влияние других факторов; =0,6...0,8).
Основные размеры масляного насоса определяют в предположении, что объем впадин (м3) между зубьями шестерен наcoca равен объему самих зубьев. В этом случае объем масла (м3), поданный шестернями масляного насоса за один оборот:
где –диаметр начальной окружности шестерни, мм; h – высота зуба, мм;
b –длина зуба, мм.
Тогда расчетная подача (л/ч) с учетом размеров масляного насоса может быть определена по формуле:
где – частота вращения валика насоса, об/мин.
Принимая и где т модуль зацепления ( =3...6 мм), z– число зубьев (z=6...12), – угол профиля зуба, получим:
Из последнего уравнения, задавшись предварительно значениями z, т, п , можно определить длину зуба b.
Мощность (кВт), затрачиваемая на привод масляного, насоса:
где – рабочее давление масла в системе (в карбюраторных двигателях =0,3...0,5 МПа, в дизелях =0,3...0,7 МПа); – механический КПД масляного насоса ( =0,85...0,9).
Расчет масляного радиатора. Во многих автотракторных двигателях для поддержания требуемой температуры масла применяются масляные радиаторы, которые делят на два типа: воздушно–масляные и водо– масляные.
Основная расчетная величина – площадь поверхности охлаждения радиатора (м2):
где QM – количество теплоты, отводимое маслом от двигателя, кДж/с;
– полный коэффициент теплопередачи от масла к охлаждающей
среде, Вт/(м2–•К); – средняя температура масла в радиаторе ( =348...363 К); – средняя температура проходящей через масляный радиатор охлаждающей среды (воды или воздуха); для воды
= (343...358) К.
Расчет ведут для режима Neн.
Количество теплоты (кДж/с), отводимое маслом от двигателя:
QH== (0,015 ...0,03) Qo.
Значение коэффициента зависит от многих факторов. Его определяют по формуле:
где – коэффициент теплоотдачи от масла к стенкам радиатора, Вт/(м2–К); – толщина стенки радиатора, м; – коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м–К); – коэффициент теплоотдачи от стенок радиатора к воде, Вт/(м2–К).
Значения , и принимают по опытным данным: для прямых гладких трубок при скорости движения масла =0,1...0,5 м/с = 100...500 Вт/(м2К); при наличии завихрителей в трубках и =0,5...1 м/с = 800...1400 Вт/(м2–К). Значение зависит от материала радиатора и составляет для латуни и алюминиевых сплавов 80...125 Вт (мК), для нержавеющей стали 10...20 Вт/(м–К); = 2300...4100 Вт/(м2К).
Полный коэффициент теплопередачи Км(Вт/м2К) для прямых гладких трубок составляет 115...350, для трубок с завихрителями – 815...1160 [6].
Очистка масла. Для уменьшения вредного действия механических примесей и продуктов окисления масло во время работы двигателя должно непрерывно очищаться. Очистку масла по целевому назначению и качественному эффекту делят на три группы: предварительная, грубая и тонкая.
При предварительной очистке удаляются частицы размером 120...150 мкм, при грубой – свыше 50 мкм, при тонкой – меньше 50 мкм.
Агрегаты очистки могут пропускать весь поток масла (полнопоточные) и его часть (неполнопоточные). Коэффициент проточности:
где – поток масла, циркулирующий через агрегат очистки; – поток масла, циркулирующий через масляную магистраль.
При <1 – неполнопоточная очистка, при =1 – полнопоточная очистка.
Масло может очищаться в пористых средах (фильтрование)
и в силовых полях (центрифугирование).
Фильтры грубой очистки по конструкции разделяют на пластинчато–, ленточно–, проволочно–щелевые и сетчатые.
Расчет фильтрующих элементов сводится к определению площади поверхности фильтрации и пропускной способности. Площадь поверхности фильтрации (м2):
где f – «живое» сечение, см2; – коэффициент «живого» сечения, %.
«Живое» сечение:
где VH – расчетная подача насоса, л/мин; м – допустимая скорость масла, см/с.
Коэффициент «живого» сечения для ленточно– и проволочно–щелевых фильтров:
,
где и – соответственно высота и длина фильтровальной щели, Мм; t – шаг выступов ленты (проволоки), мм; – толщина ленты (проволоки), мм.
Пропускная способность [л/(мин–см2)] и расход (л/мин) фильтра выражаются зависимостями
и ,
где – коэффициент пропорциональности, представляющий собой пропускную способность единицы площади поверхности фильтра при перепаде давления = 0,1 МПа и вязкости масла 0,1 Па–с (л/см2). Значение в зависимости от материала фильтра находится в пределах 0,012...0,105 (для капрона =0,012, для проволочного фильтра с размером щели 0,08 мм – 0,105); – перепад давления на фильтре (принимается 0,1 МПа, предельный перепад давлений в фильтрах составляет 0,08...0,12 МПа); – коэффициент динамической вязкости масла, Пз; F – площадь поверхности фильтрации, см2.
Допустимая скорость масла м составляет для фильтров грубой очистки 2...6 см/с, для пластинчато–щелевых фильтров со скребками – 9... 18 см/с.
Фильтры тонкой очистки масла по конструкции разделяют на щелевые, объемно– и поверхностно–адсорбирующие и рассчитывают по тем же зависимостям, что и фильтры грубой очистки.
Центробежные фильтры тонкой очистки (центрифуги) обладают избирательным свойством очистки. Тонкость очистки масла в центрифугах при многократной циркуляции составляет 1...3 мкм, поэтому центробежные фильтры широко применяют на двигателях, работающих в условиях сильной запыленности.
По типу привода центрифуги бывают реактивные и реактивно–активные. У реактивных центрифуг ротор вращается за счет струй масла, вытекающих с большой скоростью через наружные сопла, а у реактивно–активных – за счет моментов, создаваемых потоком масла, проходящим через тангенциальные каналы внутри ротора.
Эффективность очистки масла центрифугами оценивают фактором разделения:
,
где – угловая скорость ротора; R – радиус ротора; g – ускорение свободного падения.
Центрифуги, устанавливаемые на отечественных двигателях, имеют фактор разделения = 1250...4000.
Рассмотрим примеры расчета смазочной системы.
Расчет масляного насоса. Общее количество теплоты, выделяемое топливом в течение 1 с:
Qo = QH GT/3,6 = 42 500 0,7/3600 = 126,2 кДж/с
(QHи GT приняты из теплового расчета дизеля Д–144).
Количество теплоты, отводимой маслом от двигателя:
QM = 0,03 = 0,03 26,2 = 3,8 кДж/с.
Принимают: см=2,094 кДж/(кг–К);рм=900 кг/м3; ДГ„=10 К. Тогда подача масла насосом
Vh = Qm/( ) =3,8/(900 ,094 0) =0,000202 м3/с;
V'H = 2 VH = 2 ,000202 = 0,000404 м3/с.
Коэффициент подачи берут т]„=0,7. Тогда расчетная подача насоса VH р = VJv\H = 0,000404/0,7 = 0,000577 м3/с
Принимают модуль зацепления зуба m= 0,004; высоту зуба h=2от=2 ,004=0,008 м; число зубьев шестерни z=8. Тогда диаметр начальной окружности шестерни D0= zm=8 ,004=0,032 м; диаметр внешней окружности шестерни D=m(z+2) =0,004(8+2) =0,04 м.
Окружную скорость на внешнем диаметре шестерни принимают =8м/с. Тогда частота вращения шестерни насоса nн= 60/( ) =8 0/(3,14 ,04) =3830 об/мин.
Длина зуба шестерни:
= 0,0112 м.
Считают, что рабочее давление масла в системе =0,6 МПа; механический КПД масляного насоса =0,88. Тогда мощность, затрачиваемая на привод насоса:
кВт.
Расчет масляного радиатора. Площадь поверхности охлаждения водно–масляного радиатора для карбюраторного двигателя определяют с учетом данных, полученных в тепловом расчете (см. главу 3) и в примере расчета водяного радиатора: Qо = 356 кДж/с; QH=43930 кДж/кг; GT=29,2 кг/ч.
Количество теплоты, которое нужно отвести от двигателя в масло:
QM= 0,02 Qo = 0,02 56 = 7,12 кДж/с.
Принимают: материал радиатора – алюминиевый сплав; коэффициент теплоотдачи от масла к стенке радиатора =400 Вт/(м2–К); толщина стенки радиатора = 0,00025 м; коэффициент теплопроводности стенки =120 Вт/(м–К); коэффициент теплоотдачи от стенки радиатора к воде = 3500 Вт/(м2–К). Тогда коэффициент теплопередачи от масла к воде
=278 Вт/(м2–К).
Среднюю температуру масла в радиаторе принимают = 355 К и среднюю температуру воды в радиаторе =345 К. Тогда площадь поверхности охлаждения масляного радиатора
= 2,56 м2.
Система охлаждения
Дата добавления: 2020-10-01; просмотров: 467;