Trong bài nghiên cứu này nhóm tác giả đã chỉ ra các nguyên nhân dẫn tới việc thay đổi vận tốc góc của trục khuỷu động cơ đốt trong, phân tích cơ sở lý thuyết dẫn tới sự thay đổi vận tốc góc của trục khuỷu trong một chu kỳ làm việc của động cơ và sự ảnh hưởng của của nó. Sau đó tiến hành đo thực nghiệm trên động cơ 1Ч17,5/24 trong các chế độ tải.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 15 NGHIÊN CỨU SỰ DAO ĐỘNG VẬN TỐC GÓC CỦA TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM TRÊN ĐỘNG CƠ 1Ч17,5/24 RESEARCH OSCILLATION OF ANGULAR VELOCITY OF INTERNAL COMBUSTION CRANKSHAFT BY EXPERIMENT METHOD ON ENGINE 1Ч17,5/24 Vũ Văn Tập, Nguyễn Lan Hương Viện Cơ khí, Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt: Trong nghiên cứu nhóm tác giả nguyên nhân dẫn tới việc thay đổi vận tốc góc trục khuỷu động đốt trong, phân tích sở lý thuyết dẫn tới thay đổi vận tốc góc trục khuỷu chu kỳ làm việc động ảnh hưởng của Sau tiến hành đo thực nghiệm động 1Ч17,5/24 chế độ tải Từ kết đo nhóm tác giả tiến hành phân tích kết vẽ biểu đồ thay đổi vận tốc trục khuỷu chế độ tải, tính tốn hệ số ẟ cho chế độ tải Kết cho thấy thay đổi xung động mô men xoắn cách sử dụng thiết bị cung cấp nhiên liệu nhiều lần, nhiên liệu khơng khí hịa trộn tốt làm cho q trình cháy xảy ổn định Từ khóa: Dao động vận tốc góc trục khuỷu; thay đổi vận tốc góc trục khuỷu; ảnh hưởng thay đổi vận tốc góc Chỉ số phân loại: 2.1 Abstract: In this study, we have shown causes to lead to a change of angular velocity of internal combustion crankshaft, theoretical basis analysis leads to a change of angular velocity of internal combustion crankshaft in working cycle of the engine and its influence Then we conduct experimental measurement on the engine 1Ч17,5/24 in the case of the load modes from measured results we conduct an analysis of these results and plot diagrams of the change of angular velocity of a crankshaft in the load modes, as well as calculate the coefficient ẟ for each loading mode, the results showed that the change of impulse torque by using the device, which supplies fuel at many times, then the fuel and air are better blended, making the combustion process more stable Keywords: Oscillation of angular velocity, change of angular velocity, influence of the change of angular velocity Classification number: 2.1 Giới thiệu Nghiên cứu dao động vận tốc góc (sự thay đổi vận tốc góc) tốn quan trọng để tăng công suất, độ bền độ tin cậy phần tử động cơ, sau giảm chi phí q trình bảo dưỡng sửa chữa Sự thay đổi vận tốc góc trục khuỷu quan tâm đến từ năm 70 kỷ trước sách viết động đốt Giáo sư B I Baykov, V.A.Vansheydt hay sách Giáo sư I V Voznitskiy xuất năm 2008 báo nhóm tác giả Pokusaev M.N., Sibryaev K.O., Shevunn A V tiến hành đo thực nghiệm hệ trục tàu thủy đăng năm 2008 [6] Do hầu hết tài liệu viết dao động xoắn hệ trục tàu thủy, tác giả khơng thể bỏ qua phần dao động vận tốc góc trục khuỷu Nguyên nhân thay đổi vận tốc góc chu kỳ làm việc động hoạt động theo chu kỳ xi lanh dẫn tới tác dụng tổng hợp lực tiếp tuyến mô men xoắn lên trục khuỷu khơng ổn định có thời điểm chu kỳ trục khuỷu quay nhanh có thời điểm quay chậm hơn, đặc trưng cho thay đổi hệ số ẟ (tạm gọi hệ số quay không đồng trục khuỷu) Khi hệ số lớn thay đổi vận tốc góc chu kỳ làm việc động lớn ngược lại Sự thay đổi mô men xoắn nguyên nhân dẫn đến rung động động thân tàu, xuất dao động xoắn, ảnh hưởng đến thiết bị tiêu thụ Cơ sở lý thuyết Trong phần nhóm phân tích kỹ yếu tố, ảnh hưởng việc thay đổi vận tốc góc trục khuỷu động đốt 16 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 cách xác định hệ số không ổn định vận tốc góc 2.1 Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến thay đổi vận tốc góc trục khuỷu ảnh hưởng Phân tích yếu tố số lượng xi lanh động Ở động đốt nhiều xi lanh trục khuỷu tiếp nhận mô men xoắn từ tất xi lanh Sự tác dụng lực khí thể sinh xi lanh tác dụng lên trục khuỷu không lúc, phân bố khuỷu trục không nằm mặt phẳng, mà theo góc xác định tương tùy theo loại động (hai kỳ hay bốn kỳ) Sự tăng xi lanh làm tăng số lần tác dụng lên trục khuỷu vòng quay trục làm cho trục khuỷu quay Ví dụ động bốn xi lanh vị trí trục khuỷu diễn kỳ sinh công xi lanh, tám xi lanh - đồng thời hai xi lanh, mười hai xi lanh - đồng thời ba xi lanh Do tăng số lượng xi lanh làm thay đổi mơ men xoắn động cơ, biên độ thay đổi vận tốc góc chu kỳ Do làm việc khơng hiệu không làm việc xi lanh, q trình cháy xi lanh khơng đạt công định mức nên lực tác dụng lên piston xi lanh nhỏ so với xi lanh khác dẫn tới vận tốc góc trục khuỷu thời điểm thay đổi so với vận tốc định mức Nguyên nhân dẫn đến việc xi lanh làm việc khơng hiệu đóng mở xu páp, hỏng xéc măng khí, áp suất nén thấp, hịa trộn hỗn hợp nhiên liệu khơng khí khơng tốt, vòi phun nhiên liệu bị hỏng hỗn hợp nhiên liệu khơng khí khơng cháy Trong số nghiên cứu động tàu thủy tải nhỏ mà số xi lanh khơng làm việc quay khơng đồng trục khuỷu tăng từ hai đến ba lần, nguyên nhân dẫn đến tăng rung động thân tàu thủy [3] Phân tích yếu tố động làm việc chế độ không tải Ở chế độ không tải công sinh đủ đảm bảo quay trục khuỷu với vận tốc ổn định thấp Hiệu suất thị chế độ khơng cao Tốc độ hịa trộn hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí kỳ hút nén khơng tốt, áp suất không cao đường ống hút dẫn đến nồng độ chất phản ứng thấp (hydrocacbon ô xy) q trình cháy diễn chậm khơng Độ giảm áp suất ống hút xả với tăng thời gian tất q trình làm khí xả quay ngược lại buồng cháy Phân tích yếu tố loại động Ở động bốn kỳ chu hai vịng quay trục khuỷu mà nửa vòng quay trục khuỷu chịu ảnh hưởng từ tác dụng lực khí thể, cịn ba nửa vịng quay cịn lại lượng tích lũy bánh đà Khi thời gian kỳ sinh cơng vận tốc quay trục khuỷu nhanh so với kỳ cịn lại Do động bốn kỳ hệ số quay khơng đồng lớn Cịn động hai kỳ kỳ sinh cơng diễn qua vịng quay trục khuỷu Do thay đổi vận tốc góc (hay hệ số quay khơng đồng đều) động hai kỳ nhỏ so với động bốn kỳ Phân tích yếu tố ảnh hưởng cường độ mơ men xoắn mặt bích cánh chân vịt Sự xuất diễn động tàu thủy nguyên nhân động truyền mô men xoắn cho chân vịt qua trục dẫn động động dừng đột ngột mà chân vịt quay; chuyển nhanh chế độ làm việc động cơ; thay đổi hướng chuyển động tàu làm lực cản nước tác dụng mạnh lên tàu giảm mô men xoắn chân vịt; cố chân vịt; thiếu dầu bôi trơn ổ đỡ trục dẫn qua xuất ma sát làm giảm hiệu suất giới Sự thay đổi vận tốc góc ảnh hưởng khơng tốt lên làm việc động xác định qua tính chất khởi động ổn định chế độ vận hành Khi tất chi tiết truyền mô men xoắn làm việc với tải va đập, làm tăng độ mòn chi tiết động thành piston, chốt piston, má khuỷu, bạc trục làm lỏng chi tiết liên kết dẫn đến hỏng đường ống dẫn, làm sai lệch số thiết bị đo Còn số thiết bị nhận lượng từ động chẳng hạn máy phát điện xoay chiều nên thay đổi vận tốc góc trục khuỷu động dẫn đến thay đổi hiệu điện tần số lưới điện 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 2.2 Tính tốn hệ số quay khơng đồng trục khuỷu động 1Ч17,5/24 Để xác định hệ số quay không đồng trục khuỷu xác định biểu thức [1]: 𝜹𝜹 = 𝟏𝟏𝟏𝟏, 𝟏𝟏 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟔𝟔 𝒌𝒌.𝑵𝑵𝒊𝒊 (1) 𝑱𝑱.𝒏𝒏𝟑𝟑 Trong đó: k hệ số xác định theo bảng 1, hệ số phụ thuộc vào số lượng xi lanh động cơ; Nn công suất động cơ, kw; J mô men quán tính tất khối lượng quay quy đổi đến trục động bao gồm mô men cấu tay biên-thanh truyền, bánh đà, chân vịt hộp giảm tốc, N.m2; n số vòng quay trục khuỷu, vòng/phút Tiến hành thực nghiệm phân tích kết Nhóm tiến hành đo thực nghiệm động 1Ч17,5/24, động bốn kỳ lai máy phát điện xoay chiều Đức sản xuất trường АГТУ (ASTU) mua lắp đặt phịng thí nghiệm trường để phục vụ giảng dạy nghiên cứu động Ban đầu động có ba xi lanh để phục vụ nghiên cứu tháo hai xi lanh để lại xi lanh làm việc Thiết bị để tiến hành thực nghiệm gồm có cảm biến xác định điểm chết lắp bánh đà động Nguyên lý hoạt động cảm biến cảm ứng điện từ Một cảm biến áp suất lắp nắp xi lanh để xác định áp suất trình làm việc động cơ, qua xác định kỳ chu kỳ làm việc encoder để chuyển đổi góc quay trục tín hiệu điện Ngồi cịn có thiết bị khác để kết nối truyền tín hiệu máy tính (hình 1) dụng cụ cần thiết để lắp đặt thiết bị Các tín hiệu cảm biến nhận tiến hành mã hóa xử lý trung tâm đưa máy tính dạng file excel Trong file gồm có thơng số góc quay trục khuỷu, thời gian tương ứng với góc, áp suất q trình làm việc động Nhóm tiến hành đo thực nghiệm tương ứng với tính tốn lý thuyết chế độ làm việc động Hệ số quay không đồng xác định qua vận tốc góc theo công thức [1]: ω −ω (2) δ = max ω tb Trong đó: ωmax vận tốc lớn trục khuỷu chu kỳ; ωmin vận tốc nhỏ trục khuỷu chu kỳ; ωtb vận tốc trung bình trục khuỷu chu kỳ Sau tiến hành xử lý số liệu excel kết biểu thị thay đổi vận tốc góc tương ứng với góc quay trục khuỷu động 1Ч17,5/24 Từ kết phân tích ta thấy thay đổi vận tốc góc theo phân tích lý thuyết hệ số quay không trục khuỷu thay đổi theo công suất động từ hình đến hình (trên hình 14 chu kỳ cơng tác) Như hình giới hạn vận tốc góc lớn nhỏ hệ số quay không đồng chế độ 25%N 0,016 tương tự chế độ 50%N, 75%N, 100%N 110%N 0,018, 0,0230, 0,0233 0,0276 Hình thay đổi hệ số quay không đồng theo kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm với vùng hệ số quay không tiêu chuẩn (vùng tiêu chuẩn hệ số quay không động biểu thị khoảng hai đường nằm ngang động chưa tháo hai xilanh) Ở chế độ 100%N hệ số quay khơng đồng tính theo lý thuyết 0,0124 thực nghiệm 0,233 Bảng Giá trị hệ số k [1] Động Bốn kỳ 3,1 1,3 0,8 0,17 Hai kỳ 1,3 0,58 0,25 0,11 Số xi lanh, i 0,3 0,1 0,13 0,09 0,045 0,025 0,01 - 18 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 Bảng Hệ số quay không đồng trục khuỷu động 1Ч17,5/24 chế độ khác công suất 𝜹𝜹 N, kW n, vòng/phút k J, kg.m2 110% Nn=17,6 630 3,1 0,01364 100%Nn = 16 630 3,1 257,55 257,55 0,0093 0,0124 75% Nn=12 630 3,1 257,55 50% Nn=8 630 3,1 257,55 0,0062 25% Nn=4 630 3,1 257,55 0,0031 Hình Hình lắp đặt thiết bị động 1Ч17,5/24 Hình Hệ số quay khơng đồng 25%N Hình Hệ số quay khơng đồng 50%N Hình Hệ số quay khơng đồng 75%N TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 19 Hình Hệ số quay khơng đồng 100%N Hình Hệ số quay khơng đồng 110%N Hình Biểu đồ thay đổi hệ số quay không đồng phụ thuộc vào công suất Kết luận Bài viết yếu tố dẫn đến thay đổi vận tốc góc ảnh hưởng nó, sở lý thuyết tính tốn hệ số quay khơng đồng trục khuỷu, tiến hành đo thực nghiệm động phân tích kết đo, kết cho thấy thực nghiệm kiểm chứng lại sở lý thuyết theo quy luật, độ lệch kết xảy thời gian sử dụng động lâu Khi so sánh kết thực nghiệm với tiêu chuẩn động với ba xi lanh làm việc hệ số quay khơng trục khuỷu gấp 2.33 lần so với tiêu chuẩn Để giảm hệ số quay không trục khuỷu sử dụng phương pháp đề xuất sau: - Thay đổi xung động mô men xoắn cách sử dụng thiết bị cung cấp nhiên liệu nhiều lần, nhiên liệu khơng khí hịa trộn tốt làm cho q trình cháy xảy ổn định; - Có thể lắp đặt thiết bị dập tắt dao động đầu tự trục khuỷu động cơ; - Thay đổi số lượng xi lanh làm việc, cách khôi phục lại làm việc hai xi lanh tháo; - Phương pháp điều chỉnh bánh đà, cách cần tiến hành tính tốn lại bánh đà tương ứng với điều kiện thực tế máy Kết làm tài liệu tham khảo để học tập nghiên cứu lĩnh vực liên quan Bài báo phản ánh kết nghiên cứu đề tài khoa học cấp trường “Nghiên cứu dao động vận tốc góc trục khuỷu động đốt phương pháp thực nghiệm 20 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 động 1Ч17,5/24” Tài liệu tham khảo [1] Б И Байков, С М Баранов, В А Ваншейдт, И П Воронов, Л В Гендлер, Б М Гончар, Н Н Иванченко, П А Истомин, Л К Коллеров, М И Левин, М Д Никитин, Р В Русинов, А А Скуридин, Л В Тузов Дизели Справочник Под общей редакцией заслуженного деятеля науки и техники РСФСР доктора технических наук профессора В А Ваншейдта: Издательство «Машиностроение» Москва 1964 г Ленинград 600 с; [2] И Горбань, В В Добровольский, А И Лукин и др Судовые двигатели внутреннего сгорания: Ученик/ С89 - Л.: судостроение, 1989 г 344 с; [3] В И Самсонов., Худов Н И Двигатели внутреннего сгорания морских судов Учебник для выш учеб Заведений – 2-е изд., перераб и доп М.: Транспорт, 1990-368 с; [4] В А Ваншейдт Судовые двигатели внутреннего сгорания Л., «Судостроение», 1977-392с; [5] Д Н Вырубов, С И Ефимов, Н А Иващенко и др.; Под ред А С Орлина, М Г Круглова Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей М.: Машиностроение, 1984 - 384 с; [6] Покусаев М Н., Сибряев К О., Шевченко А В Экспериментальное определение степени неравномерности вращения вала машинодвижительного комплекса судна ПР 1557 [Текст] // Вестник АГТУ №2 (43) 2008 С.140144; [7] И В Возницкий, А С Пунда Судовые двигатели внутреннего сгорания, том 2: М МОРКНИГА, 2008-470 с Ngày nhận bài: 27/2/2020 Ngày chuyển phản biện: 31/3/2020 Ngày hoàn thành sửa bài: 21/4/2020 Ngày chấp nhận đăng: 28/4/2020 ... xác định qua vận tốc góc theo cơng thức [1]: ω −ω (2) δ = max ω tb Trong đó: ωmax vận tốc lớn trục khuỷu chu kỳ; ωmin vận tốc nhỏ trục khuỷu chu kỳ; ωtb vận tốc trung bình trục khuỷu chu kỳ Sau... kiện thực tế máy Kết làm tài liệu tham khảo để học tập nghiên cứu lĩnh vực liên quan Bài báo phản ánh kết nghiên cứu đề tài khoa học cấp trường ? ?Nghiên cứu dao động vận tốc góc trục khuỷu động đốt. .. đổi vận tốc góc tương ứng với góc quay trục khuỷu động 1Ч17,5/24 Từ kết phân tích ta thấy thay đổi vận tốc góc theo phân tích lý thuyết hệ số quay khơng trục khuỷu thay đổi theo công suất động