بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تأثیر چیدمان وزنه های تعادل میللنگ موتور خطی دیزل بر ارتعاشات پیچشی سامانه میللنگ
خلاصه:
بررسی رفتار دینامیکی و مدل ارتعاشات پیچشی سامانه میللنگ اهمیت بسزایی دارد. وزنههای تعادل جزیی از میللنگاند که برای متعادل کردن و خنثی کردن نیروهای اینرسی به شفت اصلی متصل میشوند ازاینرو طراحی و شکل توزیع آنها روی شفت اصلی بسیار مهم است. یافتن تأثیر چیدمانهای مختلف وزنههای تعادل بر ارتعاشات پیچشی میللنگ هدف تحقیق پیشرو است. برای این منظور میللنگ موتور دیزل خطی شش استوانهOM-457 بعنوان ساختار نمونه انتخاب شده و با استفاده از مدلسازی در نرمافزار AVL/EXCITE و حل مدل جرم-فنر،مشخصات ارتعاشات پیچشی آن مطالعه و بررسی شده است. بهمنظور مشخص شدن تأثیر چیدمانهای وزنههای تعادل، سه ساختار از مدل میللنگ نمونه تهیه و فرکانس طبیعی و پاسخ ارتعاشی سر آزاد میللنگ هر یک مقایسه شده است. این سه ساختار عبارتنداز: مدل متعادل نشده(فاقد وزنهتعادل)، مدل شامل چیدمان هشتوزنهای منحصر به موتورِ نمونه و مدل شامل چیدمان دوازدهوزنهای که در این تحقیق مطابق معیارهای طراحی وزنهتعادل در بالانس کامل میللنگ ساخته شده است. در آخر برای حصول اطمینان از نتیجه و روند بدست آمده، ارتعاشات سر آزاد میللنگ در تحلیل مدل نمونه با نتایج تست موتور مقایسه و صحهگذاری شده است.
کلیدواژهها: میللنگ موتور، وزنه تعادل، ارتعاشات پیچشی، متعادل کردن، مدل جرم فنر
-1مقدمه:
افزایش راندمان، کاهش حجم، کاهش آلایندههای محیطی از عواملی هستند که طراحان موتورهای احتراق داخلی را بر آن میدارد تا اثرات اجزای موتور بر عملکرد آن را بطور دقیق مورد بررسی و بازبینی قرار دهند. در این بین، میللنگ موتور بیشترین تأثیر را بر تولید نیرو گذاشته و مهمترین جزء موتور تلقی میشود. سامانه میللنگ بطور کلی شامل پیستون، پین پیستون، شاتون، میللنگ(شفت اصلی)، میراگر ارتعاشات پیچشی و چرخطیار میشود.
میللنگ جزیی از موتور است که وظیفه تبدیل حرکت رفت و برگشتی پیستون به حرکت گردشی خروجی موتور را ایفا میکند. در طی این فرایند سه نوع ارتعاش: محوری، خمشی و پیچشی را میتوان برای میللنگ متصور شد. بررسیهای تجربی نشان میدهد عمده آسیبهای میللنگ ناشی از تنشهای بوجود آمده از نوسانات پیچشی است. به همین دلیل بررسی رفتار دینامیکی و مدل ارتعاشات پیچشی آن از اهمیت بسزایی برخوردار است. وزنههای تعادل نیز از اجزای سامانهی میللنگاند که بمنظور جبران نیروهای اینرسی در مقابل هر لنگ قرار داده میشوند. وزنههای تعادل ممان اینرسی میللنگ را افزایش میدهد، همچنین جرم و نحوهی قرار-گیری و بطور کلی چیدمان وزنههای تعادل روی شفت اصلی، بطور مستقیم بر ارتعاشات پیچشی میللنگ اثرگذار است. در پژوهش انجام شده پس از ساخت مدل ارتعاشات پیچشی موتورOM-457 به عنوان موتور نمونه در نرم افزارAVL EXCITE، نتایج حل هولزر مدل جرم فنر معادل خط انتقال قدرت مربوط به سه چیدمان متفاوت وزنههای تعادل استخراج و مقایسه شده است. مشخصات موتور در جدول مشخصات آمده است.
-2پیشینه تحقیق:
در تحقیق سال 1999 جنتا1 مشخص شد ماشینهایی که اجزای آن حرکت رفت و برگشتی دارند دارای مشخصات دینامیکی یکسانی هستند و در این حالت میتوان آسیبها و شکست متفاوتی نسبت به ماشینهایی که اجزای آن فقط حرکت دورانی دارند متصور شد. یکی از این آسیبها که اهمیت بالایی دارد آسیب ناشی از ارتعاشات پیچشی معرفی شده است.[1] تحقیق یونگ یانگ2در سال 2011 نیز بیان میکند که برای ایجاد تغییرات در موتور بایستی ارتعاشات پیچشی شفت میللنگ مد نظر قرار گیرد. نتایج نشان میدهد محدوده عملکرد موتور نمونه این تحقیق در محدوده ممنوعه قرار دارد و با ایجاد تغییرات جزیی در سامانه میللنگ، بجای تغییرات عمده، میتوان محدوده عملکرد موتور را از محدوده ممنوعه خارج کرد.[2] در سال 2008 ولادیسلاو3 و دوستان تلاش کردند مدل ارتعاشات پیچشی میللنگ موتور شش استوانه وظیفه سنگین را بررسی و مزایای مدل کاهشیافته جرم فنر را بیان کنند و در ادامه به مقایسه نتایج مدل جرم فنر با نتایج مدل اجزاءمحدود در نرمافزار ANSYSپرداختند.[3] بررسی ارتعاشات پیچشی سیستم انتقال قدرت موتور دریایی شامل میللنگ، میلگاردان و پروانه با استفاده از نرمافزار AVL/EXCITE و ارتباط بین تعداد پرههای پروانه و دامنه ارتعاشات نیز در تحقیق تیگران پریکیان4 به آن پرداخته شده است.[4] در تحقیق سال2011 نزرف5 نیز به اصول نظری خنثی کردن کامل نیروی جرمهای میللنگ و جبران کل ممان اینرسی جرم متعادل نشده با ایجاد تغییرات و بهبود پیستون، شاتون و رینگ پیستون در موتور هشت استوانه وی6شکل پرداخته شده است. برای رسیدن به این هدف افزایش جرم وزنههای تعادل و افزایش فاصله مرکز جرم و مرکز دوران و نیز تغییرات چیدمان و زاویه وزنههای متعادل-کننده بررسی شده است. این تغییرات میتواند باعث بالانس کامل میللنگ شود و در نتیجه عمر آن افزایش یابد. کاهش سروصدا و دامنه ارتعاشات پیچشی نیز برای این موتور خاص قابل حصول معرفی شده است.[5]
-3روش پژوهش:
دراین پژوهش جهت بررسی ارتعاشات پیچشی میللنگ موتور نمونه، از نرمافزار AVL EXCITE برای مدلسازی استفده شده است. نرمافزار مذکور یکی از نرمافزارهای قدرتمند مدلسازی و تحلیل اجزای موتور است که امروزه در تحلیل ارتعاشات پیچشی، بار یاتاقان و تنش اجزای موتور بکاربرده میشود. بدین منظور مشخصات دقیق سامانه میللنگ شامل شفت اصلی، شاتون، پیستون، فلایویل و میراگر ارتعاشی بعنوان ورودی به نرم افزار داده شده است. از آنجا که نتایج آزمون موتور، که در ادامه برای صحهگذاری ازآن استفاده شده است، به عملکرد موتور نمونه در خط انتقال قدرت شامل کوپلینگ، میلگاردان و دینامومتر مربوط است، مدلسازی انجام شده نیز مطابق همان کارکرد موتور مورد آزمون است. موتور نمونه شش استوانه خطی است ومیللنگ آن دارای دوازده وب است، که وبهای استوانه دوم و پنجم(وب سوم، چهارم، نهم و دهم) فاقد وزنه تعادلاند درحالیکه روی بقیه وبها هشت وزنه تعادل با مشخصات جدول((2قرار دارد. در این پژوهش نتایج حاصل از حل ارتعاشات پیچشی(فرکانس طبیعی و جابجایی زاویه ای سر آزاد میللنگ) برای سه چیدمان وزنه تعادل محاسبه و مقایسه شده است که عبارتند از:-1 چیدمان هشتوزنهای که
بالانس خاص موتور نمونه است، -2 ساختاری که در آن میللنگ بدون وزنه تعادل است و از حذف وزنههای تعادل در مدل قبل بدست میآید و -3 چیدمان دوازده-وزنهای که در آن دوازده وزنه تعادل با زاویه 180 درجه در مقابل کلیه لنگها قرار گرفته است.
-1-3ساخت مدل ارتعاشات پیچشی:
ساخت مدل ارتعاشات پیچشی مستلزم تعیین مشخصات زیراست:
سختی پیچشی: که برای محاسبه آن با توجه به ساختار پیچیده، جنس و ابعاد میللنگ فرمولهای تجربی زیادی پیشنهاد شده است، اما در این پژوهش با استفاده از نرم-افزار ANSYS و مطابق رابطه سختی پیچشی هر لنگ محاسبه شده است. برای این منظور یک ممان اینرسی مشخص به یک سر لنگ اعمال میگردد و سر دیگر بطور صلب ثابت نگه داشته میشود. با مشخص بودن ممان اعمالی و جابجایی زاویهای سختی پیچشی تعیین گردیده است.
ممان اینرسی قطبی: ممان قطبی اینرسی در هر لنگ به جرم دورانی و رفتوبرگشتی وابسته است. ممان جرم گردشی ثابت است اما ممان جرم رفتوبرگشتی در حین دوران متغیر میباشد. در واقع نقاط روی شاتون هم حرکت رفتوبرگشتی و هم حرکت دورانی دارند. از اثر ممان رفتوبرگشتی، جز در موتورهای سرعت پایین دریایی، معمولاً صرفنظر میشود. ممان اینرسیمعادل تقریباً از اضافه کردن ممان اینرسی گردشی میللنگ به نصف جرم رفتوبرگشتی ضربدر مربع شعاع لنگ بدست می-
آید:[6]
میرایی ویسکوز: معمولاً از یک فلایویل که داخل یک قفسه میچرخد تشکیل شده که بین آنها یک مایع ویسکوز قرار دارد و حرکت برشی مایع ویسکوز بین فلایویل و سطح قفسه انرژی ارتعاشی را بصورت حرارت پراکنده میکند. ثابت میرایی و ممان اینرسی قطبی معادل میراگر نیز از اطلاعات سازنده استخراج و در مدلسازی استفاده شده است.
-2-3 طراحی وزنههای تعادل چیدمان دوازده وزنهای بر اساس بالانس نرمال هر لنگ:
مطابق شکل((1 بالانس میللنگ بدون تمایز و تشخیص نیروهای اینرسی گردشی و رفتوبرگشتی، امکانپذیر نیست. نیروهای جرم رفتوبرگشتی در جهت استوانه اثر کرده و از اجزای هارمونیک (هماهنگ) تشکیل شدهاند که به شکل سینوس و کسینوس متغیر است و از نسبت فرکانس (تعداد نوسانات در واحد زمان) آنها به فرکانس گردشی میللنگ، عددی بدست میآید که آن را »مرتبه« گویند. نیروهای گردشی فقط در مراتب اول ظاهر میشوند درحالیکه نیروهای رفتوبرگشتی در مراتب بالاتر نیز ظاهرمیشوند. بطور معمول بالانس میللنگ فقط شامل مرتبه اول میباشد. براین اساس جرم گردشی و رفتوبرگشتی معادل سامانه لغزنده لنگ موتور نمونه با استفاده از مدل سهبعدی آن در نرمافزار CATIAاستخراج شده است و با استفاده از آنها و معیارهای طراحی وزنههای تعادل جهت بالانس نرمال میللنگ جرم وزنههای تعادل چیدمان دوازدهگانه مشخص شده است.
جدول3 مشخصات سامانهی لنگ موتور نمونه
جرم و شعاع مرکز جرم وب بدون وزنه = 4. 026 kg ,
تعادل r =21 mm
جرم کل پیستون و پین پیستون = 4.133 kg
جرم شاتون = 4.130 kg
فاصله مرکز جرم شاتون تا مرکز چشمی = 83.494 mm
بزرگ
فاصله مراکز چشمی کوچک و بزرگ = 251 mm
شاتون
بالانس کامل(نرمال) از خنثی کردن نیروی گردشی و نصف نیروی اینرسی رفت و برگشتی مرتبه اول نتیجه میشود:[7]
از جایگذاری مقادیر مربوط به موتور نمونه از جدول((3 در رابطه((1، جرم وزنهتعادل بالانس نرمال نیروهای اینرسی بدست میآید:
kg
در حقیقت با بکارگیری جرم 6/08 کیلوگرمی درشعاع10سانتیمتری از مرکز شفت اصلی به عنوان وزنه تعادل، میتوان نیروی اینرسی جرم گردشی و نصف نیروی جرم رفتوبرگشتی مرتبه اول هر لنگ را خنثی کرد. البته با توجه به اینکه در هر لنگ دو وب وجود دارد، جرم مذکور به دو جرم 3/04 کیلوگرمی تقسیم میشود که روی هر وب قرار داده میشود. بایستی توجه داشت با تغییر شعاع قرارگیری مرکز جرم وزنه تعادل جرم آن نیز تغییر میکند، ولی فرم طراحی وبها و فضای در نظر گرفته شده برای چرخش میللنگ این فاصله را محدود میکند.
شکل1 سامانه معادل جرمی مکانیزم میللنگ[7]
-4نتایج:
محاسبات ارتعاشات پیچشی بر اساس مدل جرم فنر معادل سامانه میللنگ موتور نمونه میباشد. این مدل، همانطور که در شکل((2 مشخص است، توسط نرمافزار مربوطه تهیه شده و جرمهای متمرکزی را دربر میگیرد که بوسیله میله بدون وزن وارتجاعی بهم متصل اند.
شکل2 مدل جرم فنر معادل و مشخصات آن
