Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Государственное образовательное учреждение высшего образования
Омский государственный университет путей сообщения
ОмГУПС (ОМИИТ)
Кафедра «Локомотивы»
РАЗРАБОТКА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЛИЯНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕТАЛЕЙ ТУРБОКОМПРЕССОРА
Отчет по научно-исследовательской работе
Выполнил: студент гр. 35-Н __________________ ___ ___________ 20___г. |
Руководитель: доцент, к.т. н. ________________ ___ ___________ 20___г. |
Омск 2016
Содержание
Введение 3
2.1 Конструктивные особенности подшипников ТК 4
2.2 Разработка математического описания функционирования ТК 9
2.3 Разработка геометрической модели вала ротора турбокомпрессора 12
Библиографический список 16
Введение
Поддержание локомотивов постоянно в исправном состоянии обеспечивается хорошим уходом за ними со стороны локомотивных бригад и эффективной системой технического обслуживания и ремонта. Она включает в себя структуру ремонтного цикла, основные положения и правила ремонта, локомотиворемонтную базу и высококвалифицированные кадры ремонтников. Эти основные составляющие единой системы (организационная структура, производственная база и квалифицированные работники локомотивных депо и ремонтных заводов) обеспечивают своевременную постановку локомотивов на технические обслуживания и ремонты, качественное выполнение осмотра, очистки и ремонта в полном объеме и в установленные сроки и своевременную выдачу под поезда исправных локомотивов в количестве, необходимом для выполнения заданного объема перевозок.
Правильная организация и совершенная технология ремонта локомотивов, позволяют содержать их в исправном состоянии при минимальных трудовых и материальных затратах. Большое значение при этом имеет наличие ремонтной базы и ее оснащенность.
Турбокомпрессоры предназначены для обеспечения дизеля наддувочным воздухом. Система воздухоснабжения дизелей тепловозов основана на использовании турбокомпрессоров унифицированного ряда типа ТК. На тепловозах с двухтактными дизелями 10Д100, 11Д45, 14Д40 в эту систему, кроме турбокомпрессора, входит центробежный нагнетатель (вторая ступень сжатия) с приводом от коленчатого вала.
Задачи:
- изучить конструктивные особенности подшипников ТК-34; разработать математическое описания функционирования турбокомпрессора; разработать геометрическую модель вала ротора турбокомпрессора.
2.1 Конструктивные особенности подшипников ТК
Смазка турбокомпрессора производится от системы смазки двигателя:
- Корпус оси образует центральную часть турбокомпрессора, расположенную между турбиной и компрессором Ось вращается в подшипниках скольжения Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и осью
В настоящее время появились конструкции, в которых подшипник неподвижен, а ось вращается в масляной ванне. В таких конструкциях масло не только служит для смазки оси, но и охлаждает подшипники с корпусом.
Для уплотнения турбокомпрессора с двух сторон устанавливаются маслоотражательные прокладки и уплотнительные кольца. Но, несмотря на то, что эти кольца помогают избежать утечек масла, они в действительности не являются уплотнительными прокладками. Их нужно рассматривать как элемент, затрудняющий утечку воздуха и газов между турбиной, компрессором и корпусом оси[1].
В обычном режиме работы турбокомпрессора давление в турбине и компрессоре больше давления в корпусе оси.
Часть газов из турбины и часть воздуха, сжатого в компрессоре, попадают в корпус оси и вместе с моторным маслом по сливному маслопроводу проходят в масляный картер двигателя.
Все масляные уплотнения динамического типа, т. е. работают на принципе разности давлений:
- Уплотнительное кольцо вращается с той же скоростью, что и ось. Благодаря имеющимся в нем трем отверстиям создается противодавление маслу Внутренняя часть корпуса оси на уровне кольца имеет сложную герметическую форму для предотвращения просачивания масла к компрессору.
Конструкции подшипников и не зависят от их расположения, но при двухконсольной схеме наиболее широко распространены подшипники скольжения. Преимущества подшипников скольжения по сравнению с подшипниками качения заключаются в меньшем износе (так как при правильной конструкции подшипников легко осуществима их полная гидродинамическая смазка), что предопределяется малыми нагрузками и высокой окружной скоростью, поэтому подшипники скольжения, как правило, более долговечны; кроме того, они невосприимчивы к толчкам и сотрясениям.
В числе недостатков необходимо назвать: больший расход масла из-за нагрева вследствие трения в подшипниках (с этим, как правило, связана необходимость специального охлаждения масла и подвода его к подшипнику под более высоким давлением); необходимость предварительной смазки подшипников после длительного простоя или дополнительной смазки после внезапной остановки при высокой нагрузке (у турбокомпрессоров крупных двигателей), так как из-за нагрева подшипника, расположенного со стороны турбины, от горячего турбинного диска масло в подшипнике перегревается и при определенных условиях коксуется.
К преимуществам подшипников качения относятся: меньшее трение, в особенности при низких частотах вращения, благодаря чему облегчается запуск турбокомпрессора даже при относительно небольшой мощности турбины (двухтактные двигатели); меньший расход масла; меньший нагрев масла; возможность отказа от предварительной смазки.
Как уже указывалось, к подшипникам скольжения масло должно подводиться под давлением. Если для ТК применяется собственная система циркуляции масла, то наряду с преимуществами чистоты масла и меньшего количества трубопроводов требуется наличие специального — приводимого от вала турбины — масляного насоса, собственного масляного бака и собственного холодильника масла, что вызывает удорожание конструкции. В связи с этим наддувочные агрегаты с подшипниками скольжения (в том числе и при больших размерах турбокомпрессоров) включаются в систему смазки двигателя, что при надлежащей очистке масла (фильтрации) не имеет отрицательных последствий для подшипников ТК[2].
Рисунок 1 – Смазка подшипников качения с помощью маслоподающих дисков конструкции «Броун Бовери»
Рисунок 2 – Смазка подшипников качения посредством масляного насоса конструкции «Броун Бовери"
В подшипниках качения используют смазку разбрызгиванием маслом, находящимся в самом турбокомпрессоре. При низких степенях повышения давления и малых размерах компрессора для создания масляного тумана и обеспечения смазки подшипников качения (рис. 1) достаточным является погружение маслоподающих дисков в масляную ванну турбокомпрессора; при более высоких степенях повышения давления как со стороны компрессора, так и со стороны турбины применяются приводимые от вала ТК небольшие насосы (рис. 2), которые и впрыскивают смазочное масло в подшипники качения; эта мера необходима для отвода теплоты при высоких окружных скоростях подшипников.
Рисунок 3 – Общий вид турбокомпрессора с осевой турбиной и внешним расположением подшипников качения конструкции «Броун Бовери»
Со стороны диска компрессора масло охлаждается посредством воздуха, обтекающего корпус подшипника, а со стороны турбины— водой охлаждаемого газоподводящего канала — рис. 3. Специального масляного холодильника не требуется ни для масло - подающих дисков, ни для масляных насосов.
Из перечисленных преимуществ и недостатков следует, что турбокомпрессоры с подшипниками скольжения почти всегда выполняются со смазкой, включенной в общую систему смазки двигателя, а турбокомпрессоры с подшипниками качения оснащаются автономной масляной системой[3].
2.2 Разработка математического описания функционирования ТК
Турбокомпрессор является составной частью двигателя, который стал результатом многих лет работы по поиску компромисса между увеличением мощности двигателя, уменьшением его веса и уменьшением расхода топлива. Его конструкция увеличивает давление поступающего воздуха к двигателю, используя энергию выхлопных газов, что позволяет расширить характеристики турбокомпрессоров.
В таблиц 1 приведены характеристики дизеля 10Д100 который оснащен турбокомпрессором ТК-34.
Таблица 1 – Характеристика дизеля 10Д100
Серия тепловоза | ТЭ10 |
Тип дизеля | 10Д100 |
Тактность | Двухтактный |
Расположение цилиндров | Рядный |
Мощность, кВт | 2200 |
Количество цилиндров | 10 |
Диаметр цилиндра, мм | 207 |
Степень сжатия | 15 |
Максимальное давление Рz, МПа | 10 |
Угол опережения впрыска, град. | 10 |
КПД тепловоза, % | 29 |
Удельный эффективный расход топлива be, кг/кВтЧч | 0,218 |
Мощность – это показатель интенсивности работы дизеля. Если в 1 с совершается дизелем работа, равная 1кДж, то его мощность рвна 1 кВт. Следовательно, при мощности дизеля 2200 кВт он в секунду совершает 2200 кДж работы. Часть этой работы расходуется на привод вспомогательных агрегатов тепловоза, а основная доля – на вращение якоря генератора[4].
Степень сжатия показывает во сколько раз уменьшается объем воздуха в цилиндре при такте сжатия.
Угол опережения подачи топлива показывает, на сколько градусов кривошип (колено) коленчатого вала не доходит до вертикального положения на такте сжатия, когда форсунка начинает подачу топлива.
Удельная эффективность расхода топлива – это часовой расход топлива на 1 кВт мощности дизеля. Общий расход топлива дизеля 10Д100 при полной нагрузке составит: 0,218Ч2200=479,6 кг/ч.
Двухтактные дизели почти в 2 раза мощнее четырехтактных при одинаковом литраже (объеме цилиндров) и одинаковой частоте вращения коленчатого вала. Это связано с тем что, у двухтактного дизеля на каждый оборот вала приходится одна вспышка топлива в цилиндре, а у четырехтактного – одна вспышка на два оборота вала.
Турбокомпрессор дизеля 10Д100 состоит из двух агрегатов: осевой газовой турбины 2 и центробежного компрессора 1, объединенных в одну машину. Ротор газовой турбины и центробежное колесо компрессора находятся на общем валу. К турбине через выпускной коллектор подводятся выпускные газы, энергия которых приводит во вращение ротор и далее отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.
Объемы воздуха, заключенные между лопатками воздушного компрессора, при вращении ротора перемещаются от центра колеса/ сжимая воздух во впускном коллекторе дизеля. Количество сжатого воздуха зависит от частоты вращения ротора, которая зависит от количества выпускных газов поршневой части двигателя, т. е. от количества сжигаемого топлива. Частота вращения роторов турбонагнетателей находится в пределах от 10000 до 25000 об/мин, в зависимости от заданной позиции контроллера машиниста.
Рис. 4 — Схема центробежного нагнетателя дизеля 1ОД100 и его привода:
1, 11 — подшипники скольжения;
2, 6, 12 — зубчатые колеса;
3 — торсионный вал;
4 — упругое зубчатое колесо;
5 — полый вал;
7 — корпус нагнетателя;
8 — рабочее колесо;
9 — всасывающий патрубок;
10 — крепление рабочего колеса;
13 — корпус редуктора.
Таким образом, дизель с газотурбинным наддувом обладает свойством саморегулируемости: по мере возрастания его мощности увеличивается масса и энергия продуктов сгорания, следовательно, увеличивается частота вращения ротора турбокомпрессора и растет подача им воздуха, и наоборот[5].
2.3 Разработка геометрической модели вала ротора турбокомпрессора
Базы и исполнительные поверхности являются рабочими поверхностями деталей. Наиболее часто в машиностроении для формообразования деталей используются плоские, цилиндрические, конические, сферические, а также тороидальные, винтовые и эвольвентные поверхности. Большинство металлорежущих станков предназначены для обработки именно этих поверхностей.
Согласно законам теоретической механики, физическую модель детали можно рассматривать как абсолютно твердое тело, состоящее из совокупности материальных точек. Выделяя материальную точку как часть тела детали, выполняющую одно служебное назначение, можно прийти к совокупности геометрических элементов, образующих деталь.
При исследовании вала ротора турбокомпрессора была построена его геометрическая модель (рис.5). На рисунке 5 видно, что вал отличается от своего номинального прототипа:
- отклонениями от правильной геометрической формы поверхностей элементов; отклонениями размеров; отклонениями положения этих элементов относительно комплекта баз.
Все отклонения связаны с возможными погрешностями технологического процесса изготовления вала турбокомпрессора. C точки зрения теории точности механизмов, отклонения размера, формы и положения являются первичными технологическими погрешностями, значения которых должны ограничиваться допусками на изготовление и контролироваться.
Элементы вала 1 и 2 являются базовыми поверхностями вала и материализуют общую ось Z4 центрами своих средних сечений. Поскольку каждый из этих элементов является частью двойной направляющей базы с информативностью равной 4 и тратят на образование оси Z4 вала по две линейные степени свободы, то базовые элементы имеют только угловые перекосы относительно оси Z4. При этом возникает необходимость контролировать угловые перекосы базовых элементов вала[6].
Анализ существующей системы контроля показывает, что не весь технологический процесс обеспечивается специальными средствами измерений, а применение стандартных СИ не представляется возможным. Так же анализ системы контроля показывает, что для более полного исследования отклонения формы и взаимного расположения элементов деталей турбокомпрессора недостаточно применение предлагаемых средств измерений и средств допускового контроля.
а) в плоскости ОХ2Z4
б) в плоскости ОYZ4
Рис 5. Геометрическая модель вала ротора турбокомпрессора ТК-34
а б
Рис. 6 – Проекции геометрической модели вала на плоскость OX2Y (а, б)
Так как число лишаемых базами степеней свободы равно шести (4+1+1)=6, то основные базы образуют полную обобщенную систему координат вала: ось Z4 является общей осью базовых цилиндрических элементов А2 и Б2, проходит через центры их средних сечений С1, С2 и имеет информативность 4. Начало координат О номинально располагается на пересечении оси Z4 с плоской опорной базой В1, а координатная плоскость ZOX проходит через центр С11 т. е. центр второй опорной базы Г1, и в ней располагается ось X2 c информативностью 2. Ось Y имеет информативность, равную нулю т. к. для ее направления не нужна дополнительная база – это перпендикуляр, восстановленный из начала координат О к координатной плоскости ZOX, в которой располагаются оси Z4 и X2 с общей информативностью 6[7].
Все базы, размеры и первичные погрешности геометрической модели вала ротора турбокомпрессора приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Параметры геометрической модели вала ротора турбокомпрессора.
Номер и обозначение элемента детали и системы координат | Вид, назначение, информативность и число первичных погрешностей расположения элемента в ОСК | Размеры и первичные погрешности расположения, размеров и формы | Базы, размеры, допуски расположения, размеров и формы по технической документации | Предложения, расчетные параметры, варианты на основе геометрической модели |
Можно сделать вывод, что информация, получаемая при определении характера сопряжения деталей с использованием стандартной методики расчета размерных цепей, является недостоверной, поскольку, как показывает анализ геометрических моделей, необходимо совместно учитывать как линейные отклонения элементных размеров, так и угловые отклонения расположения элементов относительно собственных, вспомогательных систем координат и относительно обобщенной системы координат, т. е. возникает необходимость объединения размерной и угловой размерной цепи.
Библиографический список
ехнология ремонта тепловозов./, , 1987– 336 с. [Электронный ресурс].URL:http://teplovoz. ucoz. ru//remont_turbokompressora (Дата обращения 21.05.2016) [Электронный ресурс].URL:http://www. dieselloc. ru/books/teplovoz/.html
(Дата обращения 23.05.2016)
[Электронный ресурс]. URL: http://www. stud24.ru/transport/tehnologiya-remonta-turbokompressora-tk34/432341-1577048-page1.html (Дата обращения 24.05.2016) [Электронный ресурс].URL:http://5fan. ru/wievjob. php? id=76083(Дата обращения 25.05.2016)
[Электронный ресурс].URL:http://railwaytransport. ru/books/st012.shtml(Дата обращения 25.05.2016)
Лакеенко и внедрение системы контроля деталей подшипниковых узлов тягового электродвигателя с целью увеличения срока службы./Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Омск 2012.165с.