بخشی از مقاله
چکیده
بررسیهای تجربی اخیر نشان میدهد عمده آسیبهای میللنگ موتورهای احتراق داخلی ناشی از تنشهای و ارتعاشات بوجود آمده از نوسانات پیچشی است. بدین منظور بررسی رفتار دینامیکی و مدل ارتعاشات پیچشی سامانه میللنگ اهمیت بسزایی دارد. وزنههای تعادل جزیی از میل-لنگاند که برای متعادل کردن و خنثی کردن نیروهای اینرسی به محور اصلی متصل میشوند ازاینرو طراحی و شکل توزیع آنها روی محور اصلی بسیار مهم است.
پاسخ نابالانسی در واقع پاسخ اجباری روتور به نابالانسی جرمی است . در این مقاله پاسخ اجزای معینی را نسبت به این نابالانسی بررسی می گردد. نکته قابل توجه حساسیت بسیار زیاد پاسخ روتور نسبت به توزیع نابالانسی است. برای این منظور میللنگ موتور دیزل خورجینی شانزده استوانه بعنوان ساختار نمونه انتخاب شده و با استفاده از مدلسازی در نرمافزار ANSYS و حل مدل جرم-فنر، مشخصات ارتعاشات پیچشی آن مطالعه و بررسی شده است. بهمنظور مشخص شدن تأثیر بالانس جرمی، نمودار کمپل برای سرعت های بحرانی میل لنگ در نسبت تناسب های 0/5، 1، 2 و 3 مقایسه شده است.
با توجه به نتایج بدست آمده تا دور کاری 1800 دور بر دقیقه تنها یک فرکانس طبیعی میل لنگ وجود دارد که احتمال تحریک بسیار ضعیفی دارد. در آخر برای حصول اطمینان از نتیجه و روند بدست آمده، ارتعاشات سر آزاد میللنگ در تحلیل مدل نمونه با نتایج آزمون موتور مقایسه و صحهگذاری شده است.
کلیدواژهها: میللنگ موتور، ارتعاشات پیچشی، نابالانسی جرمی، نمودار کمپل
مقدمه
بطور کلی ماشین های دوار دارای دینامیک پیچیدهای هستند. یکی از مهمترین، گران قیمت ترین و پیچیده ترین قطعات مکانیکی خودرو ازحیث طراحی، ساخت و تحلیل ، میل لنگ می باشد.فشار در طراحی موتورهای احتراق داخلی به منظور افزایش قدرت موتور و کاهش اندازه موتور و بهبودمصرف سوخت ، دارای اهمیت است. برای طراحی مناسب و عالی که نتیجه آن کاهش سر و صدای موتور ، قدرت بالا ، دوام و راحتی بالا است، باید اجزای موتور بهینه سازی شوند.تحلیل های پیچیده ابزاری برای شناخت بیشتر پدیده های فیزیکی موثر بر اجزای اصلی موتور، بخصوص میل لنگ که یکی از اجزای اصلی موتور است می باشد.
مروری بر کارهای گذشته
در گذشته، انسان برای تأمین نیرو در عملیات و کارهای مختلف از نیروی حیوانات استفاده می نمود، امّا با گذشت سال ها و پیشرفت های بشر، موتور گرمایی 1 اختراع شد و به عنوان منبع تولید توان در کارهای گوناگون به کار گرفته شد. تاریخچه موتورهای احتراق داخلی به سال 1876 میلادی زمانی که نیکولاس اتو، برای اولین بار موتور اشتعال جرقه ای2 و سال 1892 زمانی که رادلف دیزل موتور اشتعال تراکمی3 را اختراع کردند، بر می گردد. آن زمان تاکنون، همراه با افزایش دانش ما از فرایندهای موتور، فراهم شدن فن آوری های جدید، افزایش تقاضا برای انواع موتورهای جدی تغییر در محدودیت های زیست محیطی، تکنولوژی مربوط به موتورها همواره در حال پیشرفت بوده است. هم اکنون، موتورهای احتراق داخلی و صنایعی که آنها را توسعه داده و تولید می کنند و از به کارگیری آنها حمایت می کنند، نقش بارزی در زمینه های توان، پیشرانش و انرژی ایفا می کنند.
در تحقیق سال 1999 جنتا نیز مشخص شد ماشینهایی که اجزای آن حرکت رفت و برگشتی دارند دارای مشخصات دینامیکی یکسانی هستند و میتوان حالت شکست و آسیبهای متفاوتی نسبت به ماشین-هایی که اجزای آن فقط حرکت دورانی دارند برایشان متصور شد. یکی از این آسیب ها که اهمیت بالایی دارد آسیب ناشی از ارتعاشات پیچشی معرفی شده است.[1] تحقیق یونگ یانگ در سال 2011 نیز بیان میکند که برای ایجاد تغییرات در موتور بایستی ارتعاشات پیچشی محور میللنگ مد نظر قرار گیرد. نتایج وی نشان میدهد محدوده عملکرد موتور نمونه این تحقیق در محدوده ممنوعه قرار دارد.
با ایجاد تغییرات جزیی در سامانه میل لنگ، بجای تغییرات عمده، میتوان محدوده عملکرد موتور را از محدوده ممنوعه خارج کرد. در سال 2008 ولادیسلاو و دوستان تلاش کردند مدل ارتعاشا 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 اجزای محدود، ساخته شده در نرم افزار انسیس، پرداختند. بررسی ارتعاشات پیچشی سیستم انتقال قدرت موتورهای دریایی که شامل میللنگ، محور و پروانه هستند، با استفاده از نرمافزار Ansys و ارتباط بین تعداد پرههای پروانه و دامنه ارتعاشات نیز در تحقیق تیگران پریکیان به آن پرداخته شده است.
در تحقیق سال2011 نزرف 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 وی4شکل پرداخته شده و برای رسیدن به این هدف افزایش جرم وزنه تعادل و افزایش فاصله مرکز جرم و مرکز دوران و نیز تغییرات چیدمان و زاویه وزنههای متعادلکننده مورد بررسی قرارگرفت و مشخص شد این تغییرات باعث بالانس کامل میللنگ و در نتیجه افزایش عمر آن شده است. کاهش سروصدا و دامنه ارتعاشات پیچشی نیز برای این موتور خاص قابل حصول معرفی شده است.
روش پژوهش
دراین پژوهش برای بررسی ارتعاشات پیچشی میللنگ موتور نمونه از نرمافزار Ansys برای مدلسازی استفاده شده است. نرمافزار مذکور یکی از نرمافزارهای قدرتمند مدلسازی و تحلیل اجزای موتور است که امروزه در تحلیل ارتعاشات پیچشی بکاربرده میشود. بدین منظور مشخصات دقیق سامانه میللنگ شامل محور 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 است. موتور نمونه شانزده استوانه خورجینی است. در این تحقیق نتایج حل ارتعاشات پیچشی - فرکانس طبیعی و جابجایی زاویه ای سر آزاد میللنگ - برای سه چیدمان وزنه تعادل محاسبه و مقایسه شده است.
مدلسازی روتورها بهصورت پیوسته
ساده ترین مدل ارتعاش پیوسته عبارت از ارتعاش یک میله یا یک تیر است که در واقع مدل دینامیکی سیستم هایی است که در درس مقاومت مصالح، استاتیک آنها بحث می شود. در این نوع سیستمها اجزاء الاستیک دارای جرم نیز هستند . سیستم های پیوسته و گسسته ممکن است تنها یک جسم و یا ترکیبی از چند سازه باشند. معادلات حرکت سیستمهایپیوسته ط بیعتاً مشکل تر از سیستمهای گسسته است.
وقتی که شکل یک روتور پیچیده است اغلب از مدل پیوسته که در آن جرم محور توزیع شده است، استفاده میشود. اغلب در حالت پیوسته مدلی ارائه میشود که در آن جرم، سفتی و استهلاک توزیع شده باشند. یکی از این مدلسازیها به صورت تیر است. در تیر اویلر برنولی ممان خمشی در هر نقطه دلخواه متناسب است با عکس شعاع انحنای خط مرکزی محور و همچنین جابهجاییها در صفحه عمودی کوپل نیستند. باید توجه کرد که هرگاه طول موج مودهای ارتعاشی نسبت به ضخامت تیر کوچک باشد تاثیر اینرسی چرخشی و تغییر شکل ناشی از برش ظاهر میشوند. مدل تیری که در آن این دو پدیده تاثیرشان مشهود است مدل تیمشنکو میباشد. در شکل 1 یک نمونه روتور پیوسته نمایش داده شده است.
یک نمونه روتور پیوسته
زمانیکه روتور مانند میل لنگ1 از لحاظ هندسی پیچیده می باشد، بهترین روش برای تحلیل ارتعاشی روتور روش المان محدود است. در این مدل روش روتور ابتدا شبکه بندی2 می شود. در مرحله بعد با استفاده از روابط الاستیسیته ماتریس های جرم، سفتی و استهلاک بدست خواهد آمد.
یک نمونه روتور شبکه بندی شده به روش المان محدود
بالانس کامل - نرمال - از خنثی کردن نیروی گردشی و نصف نیروی اینرسی رفت و برگشتی مرتبه اول نتیجه میشود فرکانس های طبیعی یک سازه، متناسب با معکوس زمان تناوب ارتعاشات آزاد آن سازه میباشد که بصورت طبیعی و در عدم حضور نیروهای ایجاد کننده ارتعاش اجباری ایجاد میشود. یافتن فرکانس-های طبیعی یک سازه علاوه بر مشخص نمودن مقدار فرکانس ارتعاش آزاد آن، در تحلیل ارتعاش اجباری سازه از روش جمع مودها نیز کاربرد دارد. شکلی که سازه حین ارتعاش آزاد بخود میگیرد با نام مود طبیعی خوانده شده که متناظر با یک فرکانس طبیعی است و به تعداد فرکانسهای طبیعی سازه، مود طبیعی وجود دارد.
نکته مهم دیگر از نظر تعیین فرکانسهای طبیعی سازه، بررسی بروز پدیده تشدید میباشد. به این مفهوم که چنانچه فرکانس بار اجباری وارده به سازه با فرکانس طبیعی سازه برابر شود، سازه دچار تشدید شده و دامنه ارتعاش آن در حالت میرایی صفر، بی نهایت می شود. که بروز چنین دامنه های بزرگ ارتعاشی، باعث ایجاد تنشهای مخرب در سازه می-گردد. فرکانس های طبیعی میل لنگ در دور صفر به صورت جدول 2 بدست آمده است. البته در دورهای بعدی فرکانس ها تغییر می کند که در نمودارهای کمپبل خواهیم دید.
