Khi động cơ thay đổi tải, trạng thái nhiệt và biến dạng của cặp pít tông - xi lanh cũng thay đổi, làm cho khe hở nhiệt giữa chúng cũng thay đổi theo. Chính điều này làm ảnh hưởng trực tiếp đến sự tương tác giữa pít tông - xi lanh của động cơ.
Để xác định khe hở giữa pít tông và xi lanh tại các mặt phẳng ngang cần phải xác định nhiệt độ của pít tông và xi lanh tại các mặt phẳng tương ứng. Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng của luận án để xác định ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác giữa pít tông và xi lanh động cơ.
1.5. Lựa chọn mô hình tính toán
Việc nghiên cứu sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh, như đã trình bày, có ý nghĩa quan trọng cả về mặt khoa học và giá trị thực tiễn. Các nghiên cứu đã công bố chủ yếu dựa trên ba mô hình gồm: không có khe hở và không tương tác; có khe hở và không có tương tác; có khe hở và có tương tác.
Mô hình không có khe hở và không tương tác bỏ qua biến dạng đàn hồi và quán tính của thành xi lanh, xi lanh hoàn toàn không dao động, pít tông có một bậc tự do, lực tác dụng của pít tông theo phương vuông góc với thành xi lanh được giả thiết truyền toàn bộ cho bệ máy và gây ra mô men lật động cơ. Mô hình này được sử dụng để nghiên cứu chuyển động chính của pít tông và động học, động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền.
Mô hình có khe hở và không có tương tác cũng bỏ qua khối lượng và sự biến dạng đàn hồi của thành xi lanh. Pít tông chuyển động với 3 bậc tự do, phương trình vi phân mô tả chuyển động phụ của pít tông là phương trình vi phân cấp 2. Thường sử dụng phương trình Reynolds 2D (3D) để mô tả lực thủy động của màng dầu bôi trơn trong hệ phương trình vi phân chuyển động phụ của pít tông. Các nghiên cứu cũng quan tâm nhiều đến các thông số của màng dầu bôi trơn nhằm nâng cao hiệu quả bôi trơn (giảm ma sát, mài mòn) cho cặp pít tông - xi lanh. Mô hình này thường sử dụng nghiên cứu hoàn thiện các thông số kết cấu của nhóm pít tông - xi lanh. Trong mô hình cần nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến màng dầu bôi trơn, chuyển động phụ của pít tông nhằm nâng cao hiệu quả bôi trơn.
Mô hình có khe hở và có tương tác: trong mô hình này chuyển động phụ của pít tông gây uốn, kéo - nén thành xi lanh, đồng thời pít tông biến dạng (do cơ, nhiệt) và dao động cùng thành xi lanh tạo thành một hệ tương tác phức tạp. Hệ này gồm có pít tông - màng dầu - xi lanh - áo nước (đặt trong khối thân máy). Đây là một hệ phức tạp, khối lượng tính toán lớn nên chủ yếu dùng nghiên cứu bài toán nhiệt, giảm dao động gây ồn và ăn mòn xâm thực bề mặt ngoài xi lanh do va đập của pít tông. Trong mô hình này chưa đề cập đến ma sát của xéc măng với rãnh, ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến màng dầu bôi trơn, khe hở giữa cặp pít tông - xi lanh, vì vậy cần đi sâu nghiên cứu các vấn đề này.
Hiện nay, các công bố về nghiên cứu sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh tương đối nhiều, tuy nhiên, việc khảo sát ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác này thông qua khe hở giữa pít tông và xi lanh chưa thấy công bố nào đề cập đến.
Ở Việt Nam, cho đến nay việc nghiên cứu về sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh mới bắt đầu được thực hiện. Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ lai máy phát tàu thủy là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Từ đó, mô hình bài toán đặt ra cho luận án có thể khái quát như sau: Lựa chọn một mô hình cơ nhiệt phù hợp nghiên cứu dao động theo phương ngang của cặp pít tông - xi lanh của động cơ trong đó có xét đến tương tác gồm: pít tông (chuyển động trong xi lanh có kể đến khe hở giữa chúng) - thành xi lanh - áo nước làm mát. Xây dựng hệ phương trình mô tả tương tác theo phương ngang của cặp pít tông - xi lanh. Xây dựng thuật toán và chương trình tính. Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến lực tương tác của thành xi lanh (thông qua khe hở giữa pít tông và xi lanh). Tiến hành thực nghiệm đo trường nhiệt độ ống lót xi lanh để kiểm nghiệm kết quả tính. Từ đó rút ra các nhận xét theo định hướng khai thác tốt hơn động cơ cũng như giảm rung, ồn và các tác động có hại do va đập pít tông khi thiết kế động cơ.
Sau khi phân tích các ưu, nhược điểm của các mô hình, luận án lựa chọn mô hình tương tác của Nikishin V.N. làm mô hình tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh; lựa chọn lí thuyết truyền nhiệt và phương pháp tựa tĩnh để tính toán trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt cặp pít tông - xi lanh, từ đó xác định được khe hở nhiệt giữa cặp pít tông - xi lanh ở các chế độ phụ tải khác nhau, sau đó đưa kết quả này vào hệ phương trình tương tác để giải và đánh giá ảnh hưởng của phụ tải nhiệt được biểu hiện thông qua khe hở nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh.
Kết luận chương 1
Qua nghiên cứu tổng quan có thể rút ra một số kết luận sau:
- Động cơ lai máy phát điện trên tàu thủy thường sử dụng động cơ diesel làm nguồn động lực chính. Các động cơ lai máy phát điện này thường có công suất nhỏ, tốc độ cao hoạt động ở chế độ vòng quay định mức. Cặp pít tông - xi lanh của các động cơ này hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt do ảnh hưởng của chế độ công tác và môi trường.
- Chuyển động của pít tông trong xi lanh là chuyển động phức tạp, ngoài chuyển động chính còn có chuyển động trong khe hở giữa chúng (chuyển động phụ) gây ra lực va đập giữa pít tông và thành xi lanh. Nhiều khi, chuyển vị, vận tốc, gia tốc của chuyển động này có giá trị lớn và lặp lại theo thời gian gây rung, ồn cơ khí, mài mòn và ăn mòn xâm thực cụm pít tông - xi lanh, làm giảm tuổi thọ động cơ.
- Việc nghiên cứu chuyển động phụ của pít tông trong xi lanh và sự tương tác của chúng đã được tiến hành từ lâu và được phát triển mạnh từ cuối thập kỉ 90 của thế kỉ XX trở lại đây. Đã có nhiều công trình nghiên cứu được công bố với nhiều mô hình khác nhau. Mỗi mô hình đều có những giả thiết nhất định và đáp ứng yêu cầu riêng của từng tác giả. Với các mô hình tương tác, các lí thuyết đều mô hình hóa dao động ngang của cụm pít tông - xi lanh bằng các mô hình tương đương, chưa xác định được lực tương tác thực của pít tông lên thành xi lanh và biến dạng của thành xi lanh theo phương ngang. Trong các tài liệu được công bố, chưa có nhiều mô hình đề cập đến ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh.
- Đã lựa chọn một mô hình nghiên cứu phù hợp để nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh động cơ diesel lai máy phát tàu thủy nhằm xác định các thông số đặc trưng cho chuyển động ngang của pít tông, lực tương tác giữa pít tông với thành xi lanh.
Chương 2. MÔ HÌNH KHẢO SÁT SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CẶP PÍT TÔNG - XI LANH K H I XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG
CỦA PHỤ TẢI NH IỆT
2.1. Đặt vấn đề
Để nghiên cứu ảnh hưởng của phụ tải nhiệt đến sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh cần phải giải quyết hai vấn đề chính. Vấn đề thứ nhất là là xây dựng mô hình để tính toán sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh. Vấn đề thứ hai là xác định trường nhiệt độ, trường biến dạng nhiệt của cặp pít tông - xi lanh động cơ để xác định khe hở nhiệt giữa pít tông và xi lanh ở các chế độ khác nhau. Trong chương này sẽ trình bày cơ sở lí thuyết để khảo sát sự tương tác của cặp pít tông - xi lanh cũng như xác định trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt của cặp pít tông - xi lanh, xác định khe hở nhiệt giữa cặp pít tông và xi lanh.
Trên cơ sở lí thuyết đó sẽ lựa chọn phương pháp giải và phần mềm phù hợp để giải bài toán này.
2.2. Mô hình tương tác của cặp pít tông - xi lanh
Đối với pít tông, ngoài chuyển động tịnh tiến là chuyển động chính trong xi lanh, còn có các chuyển động phụ và va đập, hay sự tương tác phức tạp trong khe hở giữa pít tông và xi lanh.
Biểu hiện bên ngoài của sự tương tác giữa pít tông và xi lanh gây ra rung lắc, tiếng ồn, phá hủy màng dầu bôi trơn... Sự tương tác được khảo sát theo hai nội dung sau [29]:
- Các chuyển động phụ của pít tông: bao gồm chuyển động theo phương vuông góc với đường tâm xi lanh và chuyển động quay trong khe hở.
- Sự va đập của pít tông với xi lanh là kết quả của các chuyển động trên. Từ đó, ta xây dựng được mô hình hình học của hệ pít tông - xi lanh - áo nước để tính toán lực va đập như Hình 2.1.
Hình 2.1. Mô hình hình học tính toán va đập của pít tông với xi lanh Trong mô hình nêu trên áo nước làm mát được quy về một hình trụ có chiều dày tương đương với chiều dày khối nước làm mát cho một xi lanh, chiều cao bằng chiều cao áo nước. ông lót xi lanh được bỏ qua các cạnh vát, rãnh lắp gioăng kín nước, pít tông bỏ qua các cạnh vát, lỗ khoan hồi dầu, rãnh xéc măng...có khối lượng bằng khối lượng của cụm pít tông với xéc măng, vòng hãm chốt pít tông. Khối lượng thanh truyền quy về đầu nhỏ được thay bằng một khối hình trụ lắp trên chốt pít tông có khối lượng bằng khối lượng quy dẫn của đầu nhỏ.
2.2.1. Mô hình xác định chuyển động p h ụ của p ít tông2.2.1.1. Chuyển động của pít tông dọc theo đường tâm xi lanh 2.2.1.1. Chuyển động của pít tông dọc theo đường tâm xi lanh
Từ sơ đồ trên Hình 1.3 ta có:
- Chuyển vị và gia tốc của pít tông khi chuyển động tịnh tiến theo [4], [9]:
S = Ry cos ọ + — cos 1 p
V Ả
j = R .â zy ---h cos iọ + 0 ) Ả---cos2 ọ
(2.1)
trong đó:
cos p cos3 p
R - bán kính quay của trục khuỷu, [m];
Ả = R - hê số kết cấu;
l
l - chiều dài thanh truyền, [m];
f - góc nghiêng của đường tâm thanh truyền so với đường tâm xi lanh, [độ].
© - vận tốc góc của trục khuỷu, ũ = — , [rad/s]; n - tốc độ vòng quay của động cơ, [v/ph].
- Trị số lực quán tính của các khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền giao tâm được tính theo công thức
sau [4], [9]:
P j = m i = m - R ũ1 J y 1 cos(ọ + f ) f Ả-cos2 ọ (2.2) cos f cos f
trong đó: m1 - khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền, [kg].
- Áp suất lực khí thể pk tác dụng lên pít tông được xác định bằng hiệu áp suất trên đỉnh pít tông pk và phía dưới pít tông pk:
Pk = Pk - Pk (2.3)
- Lực khí thể:
Pk = p k —D- (2.4)
D - đường kính xi lanh, [m]
- Lực tổng tác dụng lên pít tông được tính theo công thức sau [4], [9]:
h = p > + p, (2.5)
- Lực ngang N:
N = Pỵ - t g f
g f = , Ảs in ọ , (2 6 )
y1 - Ả sin ọ
2.2.I.2. Chuyển động phụ của pít tông trong khe hở giữa pít tông và xi lanh
Theo các quy luật động lực học của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền, khi chuyển động, pít tông chịu tác dụng của lực ngang N gây ra chuyển động phụ. Đây là một chuyển động phức tạp gồm có chuyển động ngang của pít
tông trong khe hở giữa pít tông và xi lanh, chuyển động quay của pít tông quanh trọng tâm, chuyển động quay quanh tâm chốt pít tông, chuyển động quay của pít tông khi mép dưới của nó chạm với thành xi lanh v.v... Khi xét chuyển động phụ theo mô hình của tác giả Nikishin V.N. [29] cần chú ý đến các giả thiết sau:
- Chuyển động phụ của pít tông bao gồm chuyển động ngang cùng trọng tâm và chuyển động quay quanh trọng tâm này.
- Lực ma sát Pmx giữa xéc măng với rãnh xéc măng và mô men ma sát của chốt pít tông Mmc cản trở chuyển động phụ nêu trên (được biểu diễn ở Hình 2.2).
V T~\
H ình 2.2. Sơ đồ lực tác dụng lên pít tông khi chuyển động ngang [29] a) Vào thời điểm bắt đầu chuyển động tự do của pít tông
b) Thời điểm đáy pít tông chạm ống lót
A - khe hở giữa pít tông - xi lanh; O - tâm của trục chốt pít tông; Oi - trọng tâm của hệ - Coi thân pít tông có dạng hình tang trống, với đường kính lớn nhất tại khu vực tâm chốt do giãn nở nhiệt trong quá trình làm việc.
Trong kỳ giãn nở, tác động lên pít tông là mô men M k = Pk • A / 2, sinh ra do pít tông quay quanh trục của chốt pít tông (điểm O) và bị cản trở bởi mô men cản N.lc. Chuyển động ngang tự do của pít tông được biểu diễn trong phương trình sau [29]:
m — T = N - P1 Jd 2xj2 mx (2 7)V • /
d t2
trong đó : mi - khối lượng phần chuyển động tịnh tiến của cơ cấu KTTT; x - dịch chuyển ngang của pít tông.
Trong mô hình của Nikishin V.N. không xét đến mô men ma sát của chốt pít tông Mmc, mô men của lực khí thể và mô men do lực ma sát của xéc măng với rãnh Pmx khi khảo sát chuyển động quay của pít tông quanh trọng tâm và quanh tâm chốt pít tông. Để chính xác hơn cần phải bổ sung các thành phần trên trong công thức tính chuyển động quay của pít tông quanh trọng tâm và tâm chốt.
Từ Hình 2.2 ta có phương trình chuyển động quay của pít tông quanh trọng tâm:
s ĩ 2 Á
4 ^ = t . N - M n + l P - p . - ( 2 8 )
O d t 2 c mc x mx k ^ V /
I O - mô men quán tính của nhóm pít tông đối với trọng tâm, [kg.m2] [23]:
n
i os = s m r (2.9)
k =1
Với: rk - khoảng cách từ chất điểm thứ k đến tâm Oi;
mỵ - khối lượng của chất điểm thứ k.
Ỵ - góc quay pít tông quanh trọng tâm, [độ];
lc - khoảng cách từ trục chốt pít tông đến trọng tâm, [m];
lx - khoảng cách từ lực Pmx đến trọng tâm, [m].
Coi mô men ma sát của chốt pít tông trong đầu nhỏ thanh truyền M mc là hằng số.
Xét chuyển động quay của pít tông quanh tâm chốt O dưới tác dụng của mô men M = P — ta có phương trình:
I ^ Í 2 r = Pk , - lxOPmxd i ĩ L = P - (2.10)
d t 2 k 2
I n = I n + O O, m .l2c (2.11)
ỵk - Góc quay pít tông do mô men xoay pít tông Mk, [rad];
lxO - khoảng cách từ lực Pmx đến tâm chốt pít tông O, [m].
Ký hiệu vận tốc dịch chuyển ngang của trọng tâm là vO , coi tốc độ thay đổi của lực N và lực Pmx trong thời gian chuyển động ngang của pít tông (khoảng 10 độ GQTK) là hằng số, lấy tích phân biểu thức (2.7) trong khoảng
t 0 ^ ts ta có biểu thức [29]:
t 2s N t P
=■ _ 8 mx