Присоединяйтесь к сообществу Мастерград

Зарегистрироваться
#359048

Во сколько раз увеличится давление на опорные поверхности в КШМ, при увеличении оборотов двигателя в два раза?

Останется прежним...

Регистрация: 29.10.2005 Москва Сообщений: 2685

vadim 08355 написал :
Во сколько раз увеличится давление на опорные поверхности в КШМ, при увеличении оборотов двигателя в два раза?

Всё просто.

x=sqrt(sqr(Ls)-sqr(Lk*sin(Omega*t)))-Ls-Lk*(1-cos(Omega*t))

x - перемещение поршня как функция от t (времени)

Ls - длина шатуна
Lk - длина кривошипа
Omega - скорость вращения кривошипа

Начало отсчёта t0 - поршень в "нижнем" положении

Осталось два раза продифферинцировать и получить функцию ускорения поршня. Находим экстремум. Подставляем угловые скорости и получаем искомое соотношение макисмальных ускорений

Плюс поправки на силу трения в подшипниках коленвала. Она изменяется как из-за увеличения оборотов, так и из-за увеличения нагрузки со стороны поршня.

Хотя, думаю ими можно пренебречь и для оценки использовать только геометрию.

И... пожалуй... я не уверен в своих силах в плане взятия второй производной

Регистрация: 12.03.2006 Казань Сообщений: 2389

2Muxa Мне кажется, Вы слишком усложнили.
По моему, давление на опоры будет пропорционально снимаемой мощности и не будет напрямую зависеть от оборотов.
То есть, если снимать с вала ту же мощность, то давление на опоры останется таким же.
Если же снимать с двигателя постоянный момент, то давление на опоры будет расти прямопропорционально оборотам.

Регистрация: 29.10.2005 Москва Сообщений: 2685

Radj Не, я наоборот слишком упростил (
Мой случай только для случаев "постоянного момента". Равного нулю.

Надо удет взять листочек и расписать векторы сил и помедитировать. )

Добрый день, почитаемые. Уважаемый Baum, Muxa, Radj и другие. Я эту тему сегодня обнаружил. Вы простите меня, пожалуйста. Я вчера женщин поздравлял. А сразу после праздничка, я сел за компьютер.
Понимаю, что истинная причина моего вопроса, кроется в низменном желании послушать ответ из уст инженера по автотранспорту. Уж очень сильно мне ликбез по бензину понравился. Я смалодушничал. И конечно, я не прав.
А если по сути вопроса, то исхожу из E = ( m х V ² ) / 2. При увеличении оборотов в два раза, давления возрастут в четыре раза. Не будем привязываться к моменту времени, а учтём лишь пиковые значения нагрузок.
К чему это я? А к тому, что легко отличить правду, от хитрости.
Нам запрещают без инструментального контроля крутить винт «H», аргументируя это указанием на безысходный выход двигателя. Но мы в состоянии посчитать, что при увеличении оборотов с 12500 до 14000 тыс., пиковые значения давлений на опорные поверхности КШМ возрастут на 25 %. Это мизерное увеличение действующих значений!!
В процессе «домашней» отстройки винта «Н», лишь некоторые индивидуумы сумеют превысить «критические обороты». Но всё таки сумеют!! А посему, без контроля, крутить «H» нельзя! Но, даже не имея в распоряжении тахометр, пользователь в состоянии определить реальное соответствие отстроек по производительности работы инструмента. Это самый главный критерий отстройки!!
А от чего тогда грохаются двигатели? Что этому способствует или препятствует?
Мельком рассмотрим ключевые факторы?
Прочность разделительного слоя.
1.Чем выше скорость взаимного перемещения поверхностей, тем плёнка 2Т масел прочнее.
Из этого следует, что поршень и цилиндр в большей степени взаимно разделены при больших оборотах. Эти поверхности не боятся превышения оборотов до тех пор, пока держит температуру масло. Прочность плёнки сильно меняется в зависимости от температуры.

  1. Температура.
    Чем выше значение давлений, скоростей перемещения, тем выше температура в узлах трения.
    Это условие определяет предел прочности масляного слоя. На «холодном» двигателе прочность плёнки выше, чем на горячем, при равных оборотах. Верно? Под «холодным» двигателем подразумеваю стандартный тепловой режим. Перегретый двигатель легче убить, чем двигатель работающий в нормальном тепловом режиме. Существует некоторое количество способов нарушить нормальный тепловой режим. Я это однажды проделал. Но обороты тут вообще не при чём!
  2. Зазоры.
    Тепловые зазоры определяют величину критических тепловых расширений. Тут много можно говорить, но не нужно. И так все и всё понимают.
  3. Масляные присадки.
    Последним барьером от задира или прихвата при перегреве поверхностей, являются металлосодержащие присадки. Именно от их качества и главное количества и зависит величина критических нагрузок в том, или ином узле трения. Кто то считает, что «фирменное БИО» масло лучше убережёт двигатель от клина, чем присаженное не экологически чистыми присадками? Враки! От дитиофосфата цинка, и прочей отравы, в коммерческих составах масел, ни кто отказываться не собирается!

Остановимся пока на этом? Уже есть о чём поговорить.

Краткость – сестра таланта!

vadim 08355 написал :
E = ( m х V ² ) / 2.

E = (m х V х V) / 2. В «ворде» вижу всё нормально. V в квадрате, отображаю принятым символом, а при переносе надписи в «страницу» получаются кракозябры.

Регистрация: 12.03.2006 Казань Сообщений: 2389

Конечно у поршней есть кинетическая энергия и ее на высокооборотистых двигателях стараются минимизировать уменьшая вес поршня, но основное давление на опоры пределяется именно моментом снимаемым с двигателя.

Вадим, я тоже не совсем согласен, что давление на опоры будет определяться только кинетической энергией поршня. Если вал будет нагружен, то и давление возрастет, хотя поршень будет иметь меньшую скорость - 9000 об.м. А если не нагружен, то незвэстно как, может и незначительно, хотя поршень будет трястись как в лихорадке - 12500 об.м. И уж точно давление не будет больше чем при упомянутых 9000.
М-да, тут без медитации не обойтись..
Хотя к рассматриваемой Вами сути вопроса это, как я понял, особо значения не имеет.
Но! Пропорционально ли скорости возрастет температура? И мгновенно ли? Помните рисунки доисторических людей, добывающих огонь посредством верчения палочки в углублении в куске дерева? По рассказам очевидцев, долго приходилось им потеть..
Вот бы им бензопилу туда, а? Они бы быренько сообразили радиатор опилками забросать и 10 мин. без останову вдоль бревно на шалаш резать (Вадим, я шучу)

Регистрация: 12.03.2006 Казань Сообщений: 2389

baum написал :
Пропорционально ли скорости возрастет температура? И мгновенно ли?

Бензина сгорать будет пропорционально больше. Тепла так же будет выделяться пропорционально больше. Даже если охлаждать двигатель снаружи до той же температуры, внутри температура будет возрастать выше расчетной из-за неизменной теплопроводности материалов.

baum написал :
Помните рисунки доисторических людей, добывающих огонь посредством верчения палочки в углублении в куске дерева? По рассказам очевидцев, долго приходилось им потеть..
Вот бы им бензопилу туда, а?

Лично я, в этой ситуации, попытаюсь глушитель раздолбить. А как ещё можно получить огонь, даже имея в распоряжении заправленную бензопилу? Не так-то просто из пилы, изготовить зажигалку. И желательно не одноразовую!

По предыдущему вопросу выкачусь чуть позже. Любимая шипит. Надо разобраться. Жуть!

Если понизим обороты до 9000, и не важно каким способом, то кинетическая энергия движущихся частей уменьшится в 12.5 / 9 = 1.38888 х 1.388888 = 1.93 раза. Нормально!
А что ж тогда двигатели грохаются? Чуть попозже побуксуем на эту тему, а пока затронем вредный фактор от высоких давлений ?

Согласен, что значение величин давлений на несущие поверхности, определится суммой приложенных сил на единицу площади. В «Н.М.Т.» газы не давят на поршень. И даже с половины рабочего хода уже не давят. В В.М.Т. видимо наоборот. Давят! Но это и не важно.
Я просто желал уточнить, что при превышении оборотов двигателя сверх расчётных, возникающие нагрузки в большей мере воздействуют на опорные поверхности, чем на стенки поршня, колец и цилиндра. И именно на опорных поверхностях, возникающая температура разрушает защиту от контакта: масляный слой. Сколь быстро увеличивается температура масляного слоя ? Мгновенно! Пик значения температуры соответствует пику значения давления. Пик давления длится ровно столько времени, сколько времени находится в НМТ, ВМТ поршень. Бах – и масло в дым! (Знаю, что скажут шутники: раз двигатель не крутится, то и давления максимальны? Отвечаю сразу: минимальны!)
На пиках давления, характерных для двигателя с высокой скоростью вращения вала, происходит именно тепловое разрушение масляного слоя, а не просто механический разрыв плёнки.
Можно ли хоть как-то избежать сего недоразумения? Можно, но сложно! Конструкцию мы не в состоянии переделать, а в выборе смазок мы ограничиваем себя сами.
Можно ли усугубить, и без того почти безвыходную ситуацию? Можно!

  1. Высокая температура двигателя критически понижает защитные свойства смазок.
  2. Применение смазочных материалов с низкой температурой вспышки и с низким содержанием высоко-вязкой базы не способствует «супер» защите поверхностей от задира и прихвата, при работе вне номинальных тепловых и на высокоскоростных режимах.
  3. Ужесточение требований медицинских и экологических нормативов на выхлоп, не увеличивают защитные свойства смазок, так как ограничивают выбор производителей масел в применяемых материалах.
    К чему это я? А к тому, что на самом деле важно, какое 2 Т масло мы бухаем в бензин. От задира важно лишь: что бы температура вспышки масла была выше! Что бы его индекс вязкости был выше! Что бы в масле было такое количество присадок, что защитные свойства не определялись исключительно ресурсными на инструмент.

Ну вот. Хотел писать про давление, а опять скатился на масло. Скользкая тема. Но вроде как, это связано. В реальной жизни.

Регистрация: 12.03.2006 Казань Сообщений: 2389

vadim 08355 написал :
А что ж тогда двигатели грохаются?

Честно говоря ничего не понял что Вы хотели написать про масло и почему там должно происходить тепловое разрушение в ВМТ. По моему, степень сжатия в цилиндре не зависит от оборотов, то есть количество смеси за цикл сжатия будет тем же и тем же давление при воспламенении. То есть нет ни каких причин считать что с повышением оборотов в ВМТ давление на опоры возрастет.

А насчет давления на опоры создаваемого кинетической энергией поршня, я уже отписался. Я бы его вообще не рассматривал как значимое, так как давление вызванное противодействием нагрузки двигателя ходу поршня куда больше.

Radj написал :
Конечно у поршней есть кинетическая энергия и ее на высокооборотистых двигателях стараются минимизировать уменьшая вес поршня, но основное давление на опоры пределяется именно моментом снимаемым с двигателя.

Значительно заблуждаетесь. Это условие справедливо для судовых и тепловозных дизелей.
Представьте ситуацию, что двигатель бензопилы раскручивает за вал некая сторонняя сила. К примеру, другой двигатель. Вы думаете, что в таком варианте испытуемый не выйдет из строя при достижении максимального значения по оборотам? Заблуждаетесь. Выйдет! Оборвёт у него бобышки поршня, загнёт вал, шатун, разрушит палец или подшипники в нижней, либо в верхней головке шатуна, или как-то ещё наружу выйдет кинетика. А если для чистоты эксперимента ещё и температурный режим обеспечить соответственно рабочему циклу, то обороты эти будут именно такими, как если бы двигатель раскручивался самостоятельно. Поломка будет характерной, именно для этой конструкции. Но только в этом случае, обороты ограничатся качеством мала, а не прочностью применяемых в КШМ материалов. Вот при чём тут масло!

Давайте Миху попросим посчитать, что создаст большее давление, в том или ином узле. Давление от сгорающей в цилиндре смеси не более 40-45 кг/см х см. Площадь днища поршня, не секрет. Площади опорных поверхностей подшипников, в любом узле, посчитать тоже можно. Выведем соответствующий коэффициент для каждого узла и прикинем результат.
У Михи с математикой вроде всё в порядке. Не то, что у меня. Но я и так знаю, что вклад кинетической энергии в разрушение рассматриваемой нами конструкции(двигатель бензопилы), при увеличении оборотов является основным. Зависимость роста давлений от увеличения скоростей квадратичная. А при увеличении масс линейная.

Регистрация: 29.10.2005 Москва Сообщений: 2685

vadim 08355 написал :
Давайте Миху попросим посчитать, что создаст большее давление, в том или ином узле.

я пока пас... перевариваю тучу ссылок на документации по пилам.

Регистрация: 12.03.2006 Казань Сообщений: 2389

vadim 08355 написал :
Значительно заблуждаетесь. Это условие справедливо для судовых и тепловозных дизелей.

А у них как-то особенно принципиально отличается кривошип или опоры?

Не могу понять почему давление газов в ВМТ (почти полностью приходящуюся на опоры по причине малости плеча кривошипа в ВМТ) имеющее энергию способную выполнять полезную работу + энергию способную сообщить кинетическую энергию маховику + энергию передаваемую поршню в виде кинетической рассматривать не надо. За то кинетическую энергию поршня, которая достигает макисимума в момент когда плечо кривошипа максимально и поэтому создает минимальное давление на опоры надо рассматриваь как основную.

Уважаемый Radj. Я не двигателист. Физику не знаю! Математику не понимаю! Пишу с трудом, да и то на компьютере. Я простой и безграмотный. Но! Мне всякая всячина интересна. Видимо, это болезнь. Я готов слушать, стараюсь понять, а порою и просто поверить на слово. Что не пойму сегодня, возможно осознаю завтра!
Почему я делаю основной упор на кинетическую энергию движущихся частей?
ВМТ, НМТ! В этих точках поршень, шатун, пальцы, подшипники головок шатуна меняют направление своего движения с максимальной скоростью. От максимума до нуля, и снова к максимуму скорости. Кинетическая энергия, движущихся с большой скорость и имеющих значимые массы частей, порождает и огромные давления в материалах. В сочленениях, узлах, и в разделительных слоях. При каждой остановке и изменении направления движения и возникают огромные пиковые давления! Именно эти давления и ограничивают принципиально ДВС в макс. оборотах. Именно скорость нарастания этих давлений и ограничивает, в том числе и применение загущённых масел в оборотистых моторах.
Я понимаю, что только сгорающее топливо выделяет всю энергию, преобразуемую в силы. Но скорость сгорания топлива сравнительно маленькая. Полезная фаза приложения сил составляет почти 90 градусов(2-т моторы). И эта полезная работа, совершается при значительно меньших давлениях в элементах конструкции.
Если рассматривать низкие обороты двигателя (тепловоз, кораблик), то доля кинетики действительно становится ничтожной, в сравнении с энергией от приложенных сил.

Почему я вообще начал про это размышлять? Из-за риска превысить максимальные обороты, и запрещают регулировать «H». Инструкции предписывают регулировки только с использованием средств инструментального контроля.
При этом запрет объясняется не основной причиной рождающей риски, а косвенной. Пишут, что к поверхностям поступает меньше смазки ( буквально поступает больше, и смазки бывают разные).Пишут, что обеднённая смесь сгорает с более высокой температурой. Это правда! Но, у обеднения есть предел. Не в этой температуре истинная проблема! Обедненная смесь сгорает с большей скорость, что позволяет развить и большие обороты двигателя. Возникшие в КШМ нагрузки и воздействуют разрушительно на его конструкцию. Я думаю, что запрещая крутить «H» правильнее заострять внимание пользователей именно на возникающих перегрузках в элементах конструкции КШМ, не рассчитанной на обороты сверх определённых. Ссылка на температуру не состоятельна. Разрегулированным, и при этом условно « холодным мотором» возможно так газануть, что крякнет КШМ ранее, чем успеет раскалиться поршень.

Регистрация: 12.03.2006 Казань Сообщений: 2389

vadim 08355 написал :
ВМТ, НМТ! В этих точках поршень, шатун, пальцы, подшипники головок шатуна меняют направление своего движения с максимальной скоростью. От максимума до нуля, и снова к максимуму скорости. Кинетическая энергия, движущихся с большой скорость и имеющих значимые массы частей, порождает и огромные давления в материалах. В сочленениях, узлах, и в разделительных слоях. При каждой остановке и изменении направления движения и возникают огромные пиковые давления!

Вобщем попробовал я посчитать для примера взял подвесной мотор Вихрь-30:
Мощность: 30л.с.
Частота оборотов: 5000 об/мин
Ход поршня: 60мм
Вес поршня: 150грамм

P = 30/2/0.7 = 21.5Вт на цилиндр.
Вся эта мощность выделяется на первой четверти оборота коленвала после ВМТ.
Посчитаем какую мощность потребляет его поршень для набора максимальной кинетической энергии (то есть в третьей четверти оборота коленвала).
За четверть оборота поршень проходит 0.03м за время 0.003с
Угловая скорость коленвала a = 30000гр/сек
Максимальная скорость поршня V = 0.03*30000 = 900м/с
Макс. энергия поршня E = 121.5 кДж потребленная на разгон мощность P= 121.5/0.003= 40.5кВт

То есть получается, что энергия единичного зажигания смеси в одном цилиндре приблизительно в 2000 раз меньше кинетической энергии поршня. Если я не ошибся в расчетах, то это полностью доказывает Ваши слова, что нагрузкой двигателя при расчете давления на опоры можно пренебречь.
Хотя подозреваю, что ошибся. 900м/с какая-то невероятная цифра. Обычно скорости поршня изменяют десятками, но не сотнями м/с.

А насчет вредности обеднения смеси то проблема скорее не в температуре, а в том, что в бедной смеси будет недостаточно смазки.

Регистрация: 12.03.2006 Казань Сообщений: 2389

Поправлюсь.
900м/с конечно цифра не реальная и при ней мощность приложенная на разгон поршня была бы не 40.5кВт, а 40.5МВт. и превышала бы энергию газов в 2 млн раз.
Если считать скорость поршня разумной (20м/с), то мощность прилагаемая на разгон составляла бы 20кВт, и она в 1000 раз превышала бы мощность выданную газами.
Что вобщем-то тоже подтверждает Ваши слова.

Radj написал :
А насчет вредности обеднения смеси то проблема скорее не в температуре, а в том, что в бедной смеси будет недостаточно смазки.

Так в том то и прикол, что это стандартное объяснение. Мало смазки где? Не проходит такое объяснение!

  1. В паспортах на современные бензопилы указывается синтетика 1 / 100.
    Да и с обычной смазкой не всё так плохо. Холодной паре: цилиндр / поршень, кратковременное уменьшение количества смазки на 20 % не критично. В головках шатуна картину определяют давления. А их можно превысить и на «холодном двигателе», и с втрое увеличенным количеством масла. Опорные подшипники вала - в тех же условиях. Увеличьте опорные подшипники вала и давления в них, снова в норме. Всё определяют давления. Если смазка не держит давление (по причине термического разрушения) то сколько её не бухай, не поможет.
    Кто-то обращал внимание на характерную окраску поверхностей пальцев в местах контакта с игольчатыми подшипниками, и в бобышках поршня? Температура там дай бог! В бобышках масло горит допустим от поршня. Соглашусь. А в голове шатуна от чего? От шатуна?
    Уважаемый Radj. Вы только не подумайте, ради бога, что я на Вас батон крошу. Конечно нет! Я просто размышляю в письменной форме. И всё. Меня всегда можно подправить.
    А посчитали Вы всё как-то не так. Но это и не важно. Не принципиально.

Регистрация: 12.03.2006 Казань Сообщений: 2389

Я тоже размышляю. Доразмышлялся до кучи обшибок.
Мощность одного цилиндра Вихря конечно не 21.5Вт, а 10.5кВт. Выходит разница в энергиях газов и поршня не в 1000, а приблизительно в 2 раза, что уже похоже на правду

Насчет смазки и пр.
Наверное надо на све взглянуть комплексно. Надо перемножить факторы: во сколько уменьшится ресурс при работе с недостаточным количеством масла и во сколько уменьшится ресурс при работе с перегревом. Работая на повышенных оборотах, ресурс так же вырабатывается сильнее, как минимум не меньше если во столько же раз увеличить время работы.
Вот если это перемножить, то узнаем на сколько форсированный двигатель будет работать меньше.
Реально будет еще меньше, так как конструкция расчитывалась под определенные нагрузки и скорости.
Само собой производители предостерегают от этого (и могут аргументировать чем угодно), потому что они заявляли ресурс при нормальных условиях, а не форсированных.

Radj написал :
Само собой производители предостерегают от этого (и могут аргументировать чем угодно), потому что они заявляли ресурс при нормальных условиях, а не форсированных.

Ну их нафиг! Инструкция - это инструктаж! Но, на бумажном носителе. Всё должно быть как в жизни. Или как в паспорте на Oleo-Mac!!! Подготовка пользователей! Согласны? Пущай правду говорят! И чем подробнее, тем лучше.