Предисловие.
На настоящий момент дизель Д49 является основным четырехтактным дизелем, выпускаемым в Российской Федерации. По данным отраслевых публикаций, сейчас производятся только четырехтактные дизеля Д49 (ОАО «Коломенский завод») в 12‑- и 16‑-цилиндровом исполнениях, поскольку двухтактные дизеля, к которым относится 10Д100, не получили в России дальнейшего развития.
По оценкам, суммарное количество дизелей в секциях тепловозов в РЖД составляет примерно 19000 единиц, причем 47% — дизеля Д49 и 53% — 10Д100 за счет того, что большое количество тепловозов с двухтактными дизелями построено еще в Советском Союзе и до сих пор успешно работают. Несмотря на возраст, их ремонтируют и продлевают им срок службы.
Линейка 16‑-цилиндровых V‑образных дизелей объединяет такие тепловозы, как 2ТЭ116 (1971–2007 г. выпуска); ТЭП70 (1973–2006); 2ТЭ116У (2007–2016); ТЭП70БС (с 2006 выпуск продолжается); 2ТЭ25КМ (с 2014 выпуск продолжается). Все перечисленные тепловозы имеют, так сказать, «классический» для семейства Д49 коленвал с десятью коренными и восемью шатунными шейками. На каждой шатунной шейке — шатунно‑-поршневая группа (ШПГ), состоящая из шатунного механизма, основного и прицепного поршней.
Коленвал, ШПГ и проблемы.
Дизели линейки Д49 относятся к четырехтактным двигателям. Это значит, что за два оборота коленвала дизеля происходят вспышки в шестнадцати цилиндрах. Для выполнения данного условия шатунные шейки смещены относительно друг друга на 45 градусов.
Для 16‑цилиндрового дизеля 5Д49 (модель 16ЧН26/26) порядок работы цилиндров (очередность вспышек) следующий:
1п→4п→5п→2л→7п→6л→3п→1л→8п→5л→4п→7л→2п→3л→6п→
1п — первый цилиндр справа; 1л — первый слева. Дизель V-образный.
Такой порядок работы цилиндров обусловлен тем, чтобы не допустить вспышки в двух соседних цилиндрах в одном ряду или между рядами, иначе огромные ударные нагрузки, сконцентрированные в одном месте, приведут к излому коленвала.
Но как ни крути, вспышка в цилиндре — это импульсный толчок на шатунную шейку коленвала в этом районе, в то время когда на других шейках — снижение нагрузки. Происходящий процесс ассоциируется с пружиной, на одном конце которой двигатель, а на другой — потребитель мощности. Коленвал испытывает чередующиеся закручивания и расслабления.
Еще один рывок шатунная шейка испытывает, когда поршень подходит к нижней мертвой точке. ШПГ весом 48–52 кг несется прямолинейно со скоростью 8,67 м/с, и её никто не поставил в известность, что пора поворачивать)). Представьте величину нагрузки на шатунную шейку, если бы не поставленный противоположно противовес, и все-таки инерция масс добавляет рывковые нагрузки на коленвал.
Такая конструкция, как стальной коленчатый вал, имеющий длину 3,47 м, коренные и шатунные шейки, не может быть абсолютно жесткой и имеет собственную упругость. Скручиваясь от внешних воздействий в районе между опорами, ближняя часть вала к цилиндру начинает поворачиваться, а дальняя отстает из-за инерции. По валу бежит волна скручивания, которая после прохождения импульса отпружинивает обратно.
Совпадение частоты крутильных колебаний (воздействие ШПГ на шатунные шейки) с собственной частотой вала может привести к опаснейшему явлению, всеми нами известному как резонанс, разрушающему любую конструкцию.
Что такое резонанс и как с ним бороться?
Резонанс — это физическое явление, при котором система начинает колебаться с максимальной амплитудой под воздействием внешней периодической силы, если частота этого воздействия совпадает или близка к собственной (естественной) частоте колебаний системы.
Для появления резонанса необходимо выполнение трех условий:
1. Собственная частота системы — у каждой системы есть характерная частота колебаний, определяемая её физическими параметрами (масса, размер, жёсткость, упругость).
2. Внешний источник колебаний — необходима периодическая внешняя сила, воздействующая на систему.
3. Совпадение частот — частота внешнего воздействия должна быть равна или очень близка к собственной частоте системы.
Один из наиболее известных случаев резонанса, вызвавшего обрушение моста, связан с Анжерским мостом во Франции в 1850 году. По данным историков, при прохождении отряда солдат в грозу и при сильном ветре мост рухнул, погибли около 226 человек.
Причина катастрофы — совпадение частоты шагов солдат с собственной частотой колебаний моста, что привело к резкому увеличению амплитуды колебаний и разрушению конструкции. Длина моста составляла 102 метра, он поддерживался двумя железными тросами.
Солдаты шли строевым шагом, создавая ритмичные удары, которые совпали с резонансной частотой моста. Размах колебаний превысил допустимые пределы прочности, цепи оборвались, и мост обрушился в реку Мен.
Легенда? Вымысел? Кто его знает... Но в 2010 году повторилась похожая история в Волгограде, к счастью, до обрушения дело не дошло.
Ветер, воздействие проходящего автотранспорта и пролеты, состоящие из стальных балок длиной по 154 метра каждая, привели к возникновению резонанса. По мосту шли волны высотой около метра.
Классический пример создания резонанса — качели. Воздействуем на качели с таким расчетом, чтобы приложенная внешняя сила совпадала с направлением движения раскачиваемого, конечный результат — солнышко. ))
Для многих не открою ничего нового в том, что резонанс может приносить пользу (гитара, микроволновка, МРТ и мн. др.). Но нас интересуют его негативные последствия, в частности угроза разрушения коленвала дизеля тепловоза. Решением проблемы стали маятниковый и демпферный антивибраторы.
Маятниковый антивибратор, принцип работы.
Чтобы понять, как работает маятниковый антивибратор, приведу классический пример из учебников — маховик с маятником. Подвесим на маховик груз с таким расчетом, чтобы при вращении маховика груз мог отклоняться относительно оси маховика в ту или иную сторону, подобно часовому маятнику.
При равномерном вращении вала и маховика, груз будет равномерно вращаться вместе с маховиком, не оказывая влияния на всю конструкцию. При увеличении частоты вращения вала до критической, при которой возникает резонанс, маховик вместе с валом начнут совершать крутильные колебания на валу, направленные то в сторону вращения, то в противоположную, а амплитуда колебаний при этом будет нарастать.
Груз, подвешенный к маховику, при закручивании маховика в сторону вращения вала, начнет отставать по инерции, тормозя крутильные колебания вала с маховиком.
В момент начала закручиваний вала с маховиком в противоположную от вращения сторону, угловая скорость маховика начинает уменьшаться, а груз всё так же, подчиняясь законам инерции, будет лететь с прежней скоростью и увлекать вал и маховик за собой.
Чтобы подвешенный груз реагировал на критические колебания вала и маховика, необходимо подобрать правильно вес груза и длину подвески.
Конструкция маятникового антивибратора.
Исходя из физических принципов, описанных выше, был сконструирован маятниковый антивибратор, реагирующий на 5 критических частот, при которых возникает резонанс у коленвалов в V-образных дизелях: 300–350 об/мин; 450–500 об/мин; 550–600 об/мин; 800–850 об/мин; 1000–1100 об/мин.
В роли маховика, установленного на валу дизеля Д-100, выступает ступица, имеющая три жестко связанных между собой диска. В дисках восемь отверстий с запрессованными в них втулками.
Во втулки с зазором вставляются пальцы, на которые также с зазором одеваются грузы, выполняющие роль маятников. Но грузы, в отличие от приведённого выше примера, с целью уменьшения габаритов имеют двухточечное подвешивание.
Четыре пары секторообразных грузов подвешиваются на пальцах, вставляющихся в отверстия ступицы антивибратора. Чтобы грузы, подобно маятникам, могли свободно раскачиваться на своей подвеске, диаметры отверстий в грузах и ступице выполнены больше, чем диаметры пальцев, на которых подвешивают грузы.
Самая главная идея заключается в том, что отверстия под пальцы в ступице антивибратора выполнены одинаковыми, а вот диаметр пальцев разный.
Каждый диаметр образует свой зазор в отверстиях ступицы, а значит, и свою амплитуду колебания груза.
Осталось рассчитать зазоры так, чтобы каждый груз реагировал на свою критическую частоту. Для дизеля Д-100 критических частот четыре: 470, 550, 825, 1100 об/мин.
Чтобы пальцы не вылетели в процессе работы, их закрывают крышками, болты крепления крышек стопорятся проволокой.
Маятниковый антивибратор дизелей Д49 имеет непринципиальные конструктивные отличия из-за разности критических частот.
Подвешено шесть маятниковых грузов к ступице, состоящей из двух жестко связанных дисков. Масло от коленвала по каналам подается на смазку пальцев.
Конструкция демпферного антивибратора.
С 1958 года по 1965 г.г. в Советский Союз поступали локомотивы «ВМЭ»-1 (Венгерский маневровый с электрической передачей*) Венгерской Народной Республики. Отличительной способностью этих локомотивов было использование славившейся своей надежностью демпферной системой гашения колебаний.
Демпфер состоит из герметичного стального корпуса, внутри которого помещен маховик, а свободное пространство заполнено силиконовой жидкостью, имеющей большую вязкость (жидкий каучук).
При равномерном вращении коленвала*, маховик из-за трения с жидкостью разгонялся до одинаковой частоты вращения с коленвалом. При возникновении крутильных колебаний, инерция маховика благодаря силам трения с силиконовой жидкостью гасила ускорения корпуса при возникновении крутильных колебаний в направлении вращения, и увлекала за собой, когда закручивания вала и корпуса антивибратора происходили против вращения.
Комбинированный антивибратор
На дизелях семейства Д49 тепловозов ТЭП70, 2ТЭ116, 2ТЭ25КМ устанавливают комбинированные антивибраторы — маятниковый + демпферный.
Они сочетают точность настройки маятникового механизма и широкую полосу подавления демпфера, что делает их подходящими для сложных условий эксплуатации тепловозов.
Маятниковый антивибратор настраивается на определённые критические частоты колебаний, а демпфер вязкого трения поглощает энергию колебаний в более широком диапазоне. Их комбинация обеспечивает защиту в большем спектре рабочих режимов.
Размещение антивибратора.
Антивибратор сажают на конец коленвала потому что концы вала имеют наибольшие угловые отклонения. Свободный конец - оптимальная точка приложения для гашения колебаний без вмешательства в основную работу коленвала, увеличивается плечо силы, создающий противомомент, что позволяет снизить массу груза. Доступ для монтажа, или замены проще, чем в глубине блока дизеля.
Размещение антивибратора на конце коленвала — инженерно обоснованный компромисс между эффективностью гашения, компактностью, технологичностью и сохранением рабочих функций двигателя.
В заключение обращу внимание читателей на наличие терминов, отмеченных снежинкой*, описание назначения которых можно будет встретить в следующих статьях, или информацию о них можно почерпнуть в наших коротких развивающих фильмах на нашем телеграм-канале «Михаил Михайлович о локомотивах» https://t.me/mihailsilko24 или в набирающем в последнее время популярность «Рутубе» https://rutube.ru/channel/22129608/.
Приглашаем посмотреть более 50-ти коротких обучающих фильмов, посвященных назначению, устройству и принципу работы различных узлов и агрегатов тепловозов и электровозов. Отписаться никогда не поздно, так что заходите на наш канал))). До скорых встреч!