background image

 

1

Mechanika układu korbowego- temat nr 16 (2). 

 

a/ równanie ruchu elementów układu korbowego, 

b/ siły bezwładności i zasada ich wyrównywania, 

c/ przykłady wyrównywania sił i momentów bezwładności w silnikach wielocylindrowych, 

d/ zasada budowy i działanie koła zamachowego, 

e/ drgania skrętne wału korbowego – określenie stopnia bezpieczeństwa określonego  

    przypadku rezonansu drgań skrętnych, 

f/ tłumiki drgań skrętnych – budowa, działanie zalecenia eksploatacyjne. 

 

 

Obciążenia działające na układy i elementy silnika, rozumiane jako jedno lub wielokierunkowe stany naprężeń, wywołane są 

siłami i momentami działającymi na układ tłokowo-korbowy, pochodzącymi od: 

 

sił ciśnienia czynnika roboczego, 

 

sił bezwładności mas poruszających się ruchem zmiennym, 

 

naprężeniami  termicznymi  od  elementów  podlegających  znacznym  wahaniom  temperaturowym  (  głowice,  tuleje 

cylindrowe, tłoki). 

 

Na układ tłokowo-korbowy pracującego silnika działają: 

 

zmienne siły gazowe P

g,

 

 

zmienne siły masowe P

s

, P

o

 

tarcia P

µµµµ

, 

 

stałe siły ciężkości P

G

. 

 

Siły P

µµµµ

 i P

G

 jako relatywnie małe są z reguły w wyliczeniach są pomijane 

 

Siły  masowe  P

zależą  od  przyśpieszeń  ruchu  poszczególnych  elementów  układu  korbowo-tłokowego  i  ich  wyznaczenie 

wymaga znajomości równań ruchu charakterystycznych punktów układu tłokowo-korbowego. 

 

Tłok  w  silnikach  wodzikowych  a  wraz  z  nim  trzon  tłokowy  i  wodzik  wykonują  ruch  zbliżony  do  harmonicznego  zwany 

ruchem posuwisto-zwrotnym lub oscylacyjnym. 

 

Wał  korbowy  wykonuje  ruch  obrotowy  wokół  stałej  osi,  natomiast  ruch  korbowodu  jest  wypadkową  ruchu  posuwisto-

obrotowego i obrotowego

background image

 

2

Charakterystyczne wielkości wynikające z kinematyki układu tłokowo-korbowego: 

   

               

 

           

    

ππππ

 

prędkością kątowa           

ω

ω

ω

ω

  



  

 

 

( rad/s) 

 

 

 

 

    30 

 

 

                         

 

                        

ππππ

 

prędkość liniowa   c

o

 = 

ω

ω

ω

ω

 

r =    



  

 

( m/s) 

         30 

 
 

 

przyspieszenie dośrodkowe   a

d

 = 

ω

ω

ω

ω

2

r   

( m/s

2

), 

 

 

 

prędkość chwilowa tłoka  c

α

αα

α

 

w zwrotnych położeniach c

α

αα

α

  

= 0,   

 

                                                                         

____________________

 

 prędkość maksymalna  

c

α

αα

α

max 

= c

o

 

√√√√



1+

λλλλ

2



 

 

 

gdzie  

λλλλ

= r / l      i wynosi dla silników okrętowych 0,2 – 0,25 

 

 

 r- ramie wykorbienia;   

– długość korbowodu. 

 

 

         S 

⋅⋅⋅⋅

 n 

 

ś

rednia prędkość tłoka  

c

ś

r

 =  



  

 

( m/s)     

                     

 

 

          30 

 

 

gdzie: 

 – skok tłoka;     n – prędkość obrotowa  

[obr/min] 

 

 

 

przyśpieszenie chwilowe a

α

αα

α

 

 

a

α

αα

α

 = 

ω

ω

ω

ω

2

r (cos 

α

αα

α

 + 

λλλλ

cos2

α

αα

α

)   [m/s]   gdzie kąt obrotu wału korbowego 

α

αα

α

ω

ω

ω

ωττττ

  [rad] 

lub       a

α

αα

α

 = a

d

 cos 

α

αα

α

 + 

λλλλ

 a

d

 cos2

α

αα

α

   [m/s]   =  a

 + a

II

 

background image

 

3

Przyspieszenie chwilowe ruchu posuwisto-zwrotnego przedstawiamy jako sumę dwóch przyspieszeń ( rys.4.3): 

 

 

przyspieszenie pierwszego rzędu a

I

 = a

d

 cos 

α

αα

α

 o amplitudzie a

i okresie 2

ππππ

; 

 

 

przyspieszenie drugiego rzędu a

II

 = 

λλλλ

 a

d

 cos2

α

αα

α

  o amplitudzie 

λλλλ

 a

d

  i okresie 

ππππ

 

Siły gazowe P

g. 

 

Zmienne  cisnienie  p

g 

czynnika  roboczego  wywierane  na  tłok  powoduje  powstanie  siły  gazowej,  której  wielkość  dla 

określonej średnicy tłoka wynosi: 

 

 

ππππ

d

2

 

P

g

 = p’

g

  



    

[N] 

 

 

 

 

 

  

 

gdzie p’

g

 – różnica ciśnień działających na tłok  

 

 p’

g

 = p

g

 – p

d

  

 

[Pa] 

 

p

g

 – ciśnienie w przestrzeni roboczej, 

 

p

d 

– ciśnienie w przestrzeni podtłokowej. 

 

ππππ

d

2

 

wobec tego, że    



  = const, oraz małej wartości p

d

 w stosunku do p

g

 można przyjąć,  

 

                 

 
 

ż

P

g

 

≈≈≈≈

 p

g  

i wyznaczyć P

 na podstawie ciśnienia p

wykres indykatorowy zamknięty i rozwinięty – ryz.4.4). 

 

Siły masowe P

s

 i  P

o

 

Działające na układ tłokowo korbowy siły masowe, zwane też siłami bezwładności, można zastąpić dwiema siłami: 

 

 

P

o

 – siła wypadkową sił bezwładności od mas wykonujących ruch obrotowy, zwanej siła rotacyjną, 

 

P

 - siła wypadkową sił bezwładności mas wykonujących ruch posuwisto zwrotny, zwana siła oscylacyjną. 

 

background image

 

4

Siła masowa ruchu obrotowego P

o

 powodowana jest przyspieszeniem  

 

a

d

 = 

ω

ω

ω

ω

2

r ( m/s

2

), jakiego doznaje masa m

o

 [kg] wirująca na promieniu r [m] ze stałą  

 

 

 

 

 

 

    

ππππ

prędkością 

ω

ω

ω

ω

 [s-1] czyli             P

o

 = 

ω

ω

ω

ω

r

2

m

o

 [N]     a     

ω

ω

ω

ω

  



 ( rad/s) 

 

 

 

 

 

 

     30 

 
 

Przyjmując  r  za  promień  wykorbienia,  m

o

  oznacza  masę  zastępczą  mas  obrotowych  skupioną  w  osi  czopa  korbowego 

(rys.4.5), zwaną masą zredukowaną na promieniu korby. 

 

Masa zredukowana m

o

 składa się z: 

 

 

masy czopa korbowego wraz z masą zredukowaną nie wyrównoważonych ramion korby m

ow

 , 

 

 

a także z masy zredukowanej obrotowej części korbowodu m

ok

. 

 

m

o

 = m

ow

 + m

ok

 [kg] 

 

Siła rotacyjna P

o

 zaczepiona w osi czopa korbowego, działając wzdłuż ramienia korby, jest stała co do wielkości oraz wiruje 

w płaszczyźnie wykorbienia z prędkością wału korbowego. 

 

Siła masowa ruchu posuwisto zwrotnego P

s

, powodowana jest zmiennym przyspieszeniem  

a

α

αα

α

 [m/s], jakiego doznaje podczas ruchu tłok, trzon tłokowy, wodzik i część korbowodu i wynosi: 

 

P

s

 = m

s

 a

α

αα

α

 

 = m

ω

ω

ω

ω

2

r (cos 

α

αα

α

 + 

λλλλ

cos2

α

αα

α

)    

[N]  

α

αα

α

 - kąt obrotu wału korbowego (droga kątowa)   

α

αα

α

 = 

ω

ω

ω

ω

 

ττττ

    [rad] 

 

m

s

  [kg]  –  masa  zastępcza  elementów  poruszających  się  ruchem  oscylacyjnym,  zredukowana  do  osi  sworznia  tłokowego 

(rys.4.5) 

m

s

 = m 

st

 + m

sk

    [kg] 

gdzie: 

m

st 

–  masa tłoka [kg]  wraz z pierścieniami, sworzniem, itp., dla silnika wodzikowego dodatkowo  masa trzona tłokowego i 

wodzika, 

m

sk

 – masa zastępcza [kg] części korbowodu zredukowana do osi sworznia tłokowego / wodzikowego 

background image

 

5

 

 

Po przekształceniach ostateczny wzór na siłę masową ruchu posuwisto-zwrotnego będzie się przedstawiał: 

 

P

s

 = m

s

 

ω

ω

ω

ω

2

r cos 

α

αα

α

 +m

ω

ω

ω

ω

2

λλλλ

cos2

α

αα

α

 = m

s

 a

d

 cos 

α

αα

α

 + m

s

 a

d

 

λλλλ

 cos2

α

αα

α

    [N]   

 

Podstawiając przedstawiane wcześniej  wzory na przyspieszenia chwilowe pierwszego i drugiego rzędu: 

 

      

 

a

α

αα

α

 = a

d

 cos 

α

αα

α

 + 

λλλλ

 a

d

 cos2

α

αα

α

   [m/s]   =  a

 + a

II

 

 

otrzymamy ostateczny wzór na siłę masową ruchu posuwisto-zwrotnego: 

 

P

s

 = m

a

 + m

s

 a

II

   = P

 + P

II 

 

wyrażenie   

P

I

 = m

a

  

nazywa się siłą masową pierwszego rzędu,  

 

natomiast  

P

II

 = m

a

II 

  

siłą masową drugiego rzędu

 

Przebieg zmienności sił masowych w funkcji kąta obrotu 

α

αα

α

 jest taki sam jak dla przyspieszeń a

I

  i a

II 

pierwszego i drugiego 

rzędu). 

 

Niezrównoważone  siły  masowe  lub  ich  momenty  mogą  powodować  drgania  przenoszone  z  fundamentu  silnika  na  kadłub 

statku. 

 

Drgania  te  są  szczególnie  niebezpieczne  w  warunkach  rezonansu,  to  jest  częstotliwości  drgań  własnych  zespołu  silnik-

fundament lub kadłuba statku. 

 

Drgania  te,  przenosząc  się  na  kadłub  statku  i  elementy  z  nim  sztywno  połączone,  wywołują  ich  dodatkowe  obciążenia 

mechaniczne. 

Wibracja i hałas z tym związane są także uciążliwe i szkodliwe dla załogi. 

 

Wyeliminowanie tych drgań wymaga całkowitego wyrównoważenia sił masowych i ich momentów. 

 

 

 

background image

 

6

Siła tłokowa P

t. 

 

Sumując  siłę  gazową  P

g

  i  siłę  oscylacyjną  P

oraz  pomijając  jako  małe  siły  ciężkości  i  tarcia,  otrzymuje  się  wypadkowa 

zwaną siła tłokową 

 

P

t

 = P

g

 + P

 

 

Przebieg  zmienności  siły  tłokowej  P

w  zależności  od  kąta  obrotu  wału  korbowego 

α

αα

α

  dla  silnika  czterosuwowego  można 

przedstawić na wykresie. (rys.4.6a), dla silnika dwusuwowego rys. 4.6b. 

 

Siła  tłokowa  w  silniku  czterosuwowym  działa  przemiennie  w  kierunku  ku-  i  odkorbowym,  w  dwusuwowym  silniku 

wolnoobrotowym skierowana jest w zasadzie dla każdego położenia korby w kierunku kukorbowym. 

 

Siły i momenty obciążajace kadłub silnika. 

 

Siły w układzie korbowym. 

 

Siła tłokowa P

t

 działająca w osi cylindra przenosi się bezpośrednio na ramę fundamentową tylko w zwrotnych położeniach 

tłoka, kiedy oś korbowodu i wykorbienia pokrywa się z osią cylindra. 

 

W pozostałych położeniach korby siła P

t 

rozkłada się na składowe P

N

 i P

K. 

 

Siła  P

  -  wywołuje  nacisk  tłoka  na  gładź  cylindrową  lub  nacisk  wodzika  na  prowadnicę,  wpływa  na  wartość  siły  tarcia 

między tymi elementami, a tym samym na ich zużycie cierne. 

 

Siłę P

 - przenosi korbowód do osi czopa korbowego.  

 

Rozkłada się ona na siłę P

R

 i składową styczną P

T. 

 

Składowa  promieniowa  P

R  , 

przenoszona  przez  czop  korbowy  i  ramiona  wykorbień  na  czop  główny  jest  równoważona  w 

łożysku głównym, a więc obciąża łożyska korbowe i główne. 

Przyjmuje wartości dodatnie i ujemne i za wartość dodatnią przyjmuje się siłę ściskającą ramiona wykorbienia. 

 

background image

 

7

Siła  (składowa)  styczna  P

T

  również  obciąża  łożyska  główne  i  korbowe,  a  działając  na  ramieniu  r  wywołuje  chwilowy 

moment obrotowy  

M

o

  = P

T  

⋅⋅⋅⋅

 r  

 

którego zmienność w funkcji kąta OWK jest taka, jak siły stycznej ( wykres rys.4.9). 

 

Zakładając  równą  moc  każdego  cylindra  silnika  wielocylindrowego,  można  przyjąć,  że  wykresy  sił  stycznych 

poszczególnych cylindrów są identyczne, przesunięte względem siebie o kąt pomiędzy zapłonami. 

 

Sumując wykresy sił stycznych wszystkich cylindrów otrzymujemy wykres siły stycznej wypadkowej dla całego silnika. 

 

Im  większa  liczba  cylindrów,  tym  mniejsze  są  wahania  w  stosunku  do  wartości  średniej  siły  stycznej  P

T

  ,  a  przez  to  i 

momentu obrotowego M

o. 

 

Dla danej liczby cylindrów, o zmienności siły P

( momentu obrotowego M

o

) decyduje kolejność zapłonu i równomierność 

obciążenia poszczególnych cylindrów. 

 

Silnik źle wyregulowany emituje dodatkowe drgania, co powoduje dodatkowe obciążenie kadłuba i fundamentu silnika. 

 

Momenty działające na układ korbowy i kadłub. 

 

Po rozłożeniu siły tłokowej P

t

 na jej składowe P

N

 i P

K

 ( rys.4.10). 

 

Składowa P

K

 działając na ramieniu a wywołuje moment obrotowy  

M

o

 = P

K

 

⋅⋅⋅⋅

 a   

działający na wał korbowy, który równoważy moment odbiornika mocy – śruby napędowej lub prądnicy. 

 

Składowa P

 działająca na ramieniu b wywołuje moment: 

M’ P

N  

. b   

 

który  jest  równy    momentowi  M

o,

  lecz  przeciwnie  skierowany  i  który  usiłuje  obrócić  silnik  w  płaszczyźnie  poprzecznej, 

czemu przeciwdziała odpowiednie mocowanie kadłuba silnika do fundamentu ( śrubami fundamentowymi). 

 

 

background image

 

8

Wyrównoważenie silników

 

Na  układ  tłokow-korbowy  silnika  działają  siły  masowe    P

s

  i    P

o

,  ich  momenty  oraz  moment  M’  pochodzący  od  siły 

normalnej P

N. 

 

Wymienione  siły  i  momenty  określa  się  jako  zewnętrzne  –  inaczej  wolne  –  w  odróżnieniu  od  siły  gazowej,  zwanej 

wewnętrzną, zrównoważoną w obrębie kadłuba silnika. 

 

Siły i momenty zewnętrzne powodują drgania silnika, a przenoszone przez kadłub silnika na fundament stanowią uciążliwe 

dla otoczenia źródło hałasu i wibracji, a także powodują drgania kadłuba statku. 

 

Wyrównoważenie  silników  ma  na  celu  częściowe  lub  całkowite  zrównoważenie  zewnętrznych  sił  i  momentów,  będące 

niezbędnym warunkiem ograniczenia lub eliminacji drgań silnika podczas jego pracy. 

 

Całkowite zewnętrzne wyrównywanie silnika wymaga, aby 

 

∑  sił masowych = 0 

 

∑ momentów sił masowych = 0. 

 

Powyższy cel realizuje się przez odpowiedni dobór: 

 

 

liczby cylindrów, 

 

rozstawienia wykorbień, 

 

kolejności zapłonów, 

 

stosowanie przeciwciężarów na ramionach wykorbień wału. 

 

Zasady równoważenia masowych sił rotacyjnych. 

 

Zrównoważenie siły rotacyjnej P

o

 w silniku jednocylindrowym równoważy się przeciwciężarem o masie m’

o

 zamontowanym 

na przedłużeniu ramion wykorbienia w odległości r’ od środka obrotu. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

Wartość masy oblicza się z zależności  

 

m

 

⋅⋅⋅⋅

 r = m’

o

 

⋅⋅⋅⋅

 r’     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

9

 

 

 

 

        r 

skąd  

 

 

m’

o

 = m

o

 

⋅⋅⋅⋅

 



 

 

 

 

 

        r’ 

Zrównoważenie  siły  rotacyjnej  P

o

  w  silnikach  wielocylindrowych  równoważy  się  przeciwciężarami  o  masie  m’

o

 

zamontowanym na przedłużeniu ramion każdego wykorbienia wykorbienia w odległości r’ od środka obrotu. 

 

Warunek ten spełnia się dla wszystkich wielocylindrowych silników o równych odstępach zapłonu między cylindrami. 

 

Zasady równoważenia masowych sił oscylacyjnych. 

 

Siła oscylacyjna P

s

 jest sumą siły masowej pierwszego rzędu i siły masowej drugiego rzędu 

 

P

s

 = P

 + P

II

 = m

s

⋅⋅⋅⋅

 

ω

ω

ω

ω

2

⋅⋅⋅⋅

r

⋅⋅⋅⋅

 cos 

α

αα

α

 +m

⋅⋅⋅⋅ω

ω

ω

ω

2

⋅⋅⋅⋅

λλλλ

cos2

α

αα

α

 

 

Zrównoważenie siły P

s

 polega na zrównoważeniu jej składowych P

 i P

II.

 

 

Równoważenie  masowych  sił  oscylacyjnych  P

s 

w  silniku  jednocylindrowym  wymaga  stosowania  specjalnych  układów 

wyrównoważających. 

 

Praktycznie  wyrównoważenie  jednocylindrowego  silnika  sprowadza  się  do  częściowego  zrównoważenia  siły  P

  przez 

dodanie  dodatkowej  masy  m’

oI 

,  ponieważ  całkowite  zrównoważenie  siły  oscylacyjnej  pierwszego  rzędu  spowodowałoby 

wystąpienie niezrównoważonej siły składowej, co praktycznie oznaczałoby zmianę kierunku działania siły pierwszego rzędu 

P

I. 

 

Całkowite  zrównoważenie  siły  masowych  drugiego  rzędu  P

II 

wymagałoby  stosowania  złożonego  układu  konstrukcyjnego, 

dlatego w powszechnie spotykanych rozwiązaniach siły te nie są wewnętrznie zrównoważane i przenoszą się przez kadłub na 

fundament silnika. 

 

W silnikach wielocylindrowych całkowite zrównoważenie sił masowych I i II rzędu można uzyskać, dobierając odpowiednio 

kąt rozstawienia wykorbień, a zatem bez stosowania dodatkowych zabiegów konstrukcyjnych. 

 

 

 

 

background image

 

10

Zasada wyznaczania i równoważenia momentów sił masowych. 

 

Z  wyżej  podanego  wniosku  możnaby  sądzić,  że  w  silnikach  rzędowych  wielocylindrowych,  dla  których  wypadkowe  sił 

masowych równają się zeru (  ∑

P

o

 =0; 

P

I

 = 0; 

P

II

=0 ), wystepuje całkowite zewnętrzne zrównoważenie nie powodujące 

zewnętrznego oddziaływania silnika na jego fundament. 

 

Tak  jednak  nie  jest,  gdyż  siły  te,  choć  wzajemnie  równoważące  się,  mogą  powodować  momenty  działające  na  silnik  w 

różnych płaszczyznach. 

 

Za przykład służy silnik dwusuwowy, dwucylindrowy (rys.4.13) z wałem korbowym o wykorbieniach przestawionych o kąt 

180

o

 

Dla tego silnika  

 

 

 

 

P

o

 = 0;   

P

I

 = 0;  

P

II 

≠≠≠≠

 0 

 

natomiast 

 

 

 

 

Mp

o

 

>>>>

 0;   

M

PI

  

>>>>

  0;  

M

PII 

====

 0 

 

Momenty sił rotacyjnych M

Po

 

Siły rotacyjne P

o

 działają stale wzdłuż ramion korb i wirują z prędkością wału korbowego. 

Dla  silnika  dwucylindrowego,  w  położeniu  jak  na  rys  (  4.13)  moment  tych  sił,  liczony  względem  płaszczyzny  S-S 

przechodzącej przez środek ciężkości silnika i prostopadłej do osi wału korbowego działa w płaszczyźnie symetrii wzdłużnej 

i wynosi 

 

        l                   l 

  M

Po 

=  P

o1    

 

  +   P

o2

  

  = P

o

 l  = m

o  

ω

ω

ω

ω

2  

r  l 

                       2                 2  
 

Moment ten podczas obrotu wału korbowego stara się przechylić silnik we wszystkich płaszczyznach przechodzących przez 

oś wzdłużną wału korbowego. 

 

Zrównoważenie tego momentu jest możliwe przez całkowite zrównoważenie sił rotacyjnych za pomocą czterech bądź dwóch 

przeciwciężarów zamocowanych na przedłużeniu ramion wykorbienia. 

 

 

background image

 

11

Przy użyciu czterech przeciwciężarów masę równoważącą wylicza się według zależności  

 

      

 

 

 

   r 

 

 

 

m’

o

 = m

o

 



 

 

 

 

 

                   r’ 

 
 przy użyciu dwóch przeciwciężarów  

 

 

 

 

   r 

 

 

 

m’

o

 = m

o

 



  

⋅⋅⋅⋅

  



 

 

 

 

 

   r’         2l’ 

 

Momenty sił oscylacyjnych M

I

 i M

II 

 

odróżnieniu od momentu sił rotacyjnych momenty sił oscylacyjnych pierwszego i drugiego rzędu - M

I

 i M

II, 

działają tylko 

w płaszczyźnie symetrii wzdłużnej. 

 

Ich wartości zmieniają się w okresie 2

ππππ

 ( moment M

I

) i 

ππππ

 (moment M

II

) a więc tak jak przyspieszenia a

I

 a

II

 

Zrównoważenie tych momentów wymaga, zatem zastosowania takiego układu konstrukcyjnego, którego momenty M’

I

 i M’

II

 

równożyłyby momenty M

I

 i M

II

. 

 

Moment I rzędu - M

I

  

 

Momenty pierwszego rzędu działają w płaszczyźnie pionowej i poziomej silnika. 

 

Równoważone  są  za  pomocą  dodatkowych  mas  (przeciwciężarów)  w  ograniczonym  stopniu  zależnym  od  sztywności  – 

podatności fundamentu (kadłuba statku) na działanie składowych momentu. 

 

Częściowe  zrównoważenie  przez  dodanie  przeciwciężarów  nie  likwiduje  momentu  M

I

  a  jedynie  zmienia  częściowo  lub 

całkowicie kierunek jego działania z pionowego (wertykalnego) na poziomy (horyzontalny). 

 

Całkowita kompensacja sił masowych pierwszego rzędu M

I

 możliwa jest przez zastosowanie kompensatora. 

 

W  silnikach  wielocylindrowych  konieczność  zrównoważenia  momentu  M

I

  zachodzi  głownie  dla  4-  i  5-cylindrowych 

silników. 

 

Schematy konstrukcyjne kompensatorów sił  masowych pierwszego rzędu stosowane w silnikach  MAN – B&W - rys.4.15; 

4.16 i 4.17. 

background image

 

12

 

Moment II rzędu - M

II

 

Konieczność  zrównoważenia  /  ograniczenia  momentów  zewnętrznych  drugiego  rzędu  M

II

  zachodzi  dla  4-,5-,  i  6-

cylindrowych silników dwusuwowych oraz 3- i 5-cylindrowych silników czterosuwowych. 

 

Niezrównoważone momenty M

II

 w silnikach o liczbie 

>

6 są relatywnie małe lub równe 0. 

 

Moment M

II

 = 0 dla silników 8, 10, 12-cylindrowych rzędowych silników dwusuwowych. 

 

Z  uwagi  na  dwukrotną,  w  stosunku  do  częstotliwości  obrotów  wału  korbowego,  częstotliwość  zmian  momentów  M

II

  , 

kompensacja / ograniczenie M

II

 metodą „przeciwciężarów” jest konstrukcyjnie niemożliwa. 

 

Zrównoważenie momentu drugiego rzędu wymaga zastosowania specjalnego układu bezwładnościowego ( rys.4.18 i rys.4.19 

–  kompensator  Lanchestera),  który  jest  montowany  po  obu  stronach  silnika  –  czołowej  i  tylnej,  –  co  jest  rozwiązaniem 

standardowym (rys.4.20). 

 

Stosowane  są  również  zintegrowane  kompensatory  zewnętrznych  momentów  pierwszego  i  drugiego  rzędu  –  stosuje  firma 

SULZER dla 4-cylindrowych silników dwusuwowych dużej mocy ( np. 4RLB76; 4RLB90; 4RTA84). 

 

Stopień  kompensacji  momentu  M

I

  zależy  od  podatności  kadłuba  statku  na  drgania  spowodowane  tym  momentem  w 

płaszczyznach pionowej i poziomej oraz od miejsca posadowienia silnika w stosunku do węzła drgań. 

 

Koła zamachowe. 

 

Jak wynika z rozważań o siłach i momentach masowy, cechuje je okresowa zmienność.  

 

Największe wahania momentu w czasie jednego cyklu występują w silniku 1-cylindrowym 4-suwowym, gdzie na jeden suw 

pracy, podczas którego moment jest dodatni, występują trzy suwy pomocnicze. 

 

Suwy pomocnicze odbywają się kosztem energii przekazanej do układu korbowego podczas suwu pracy. 

 

Jeżeli przyjmie się stały moment odbiornika mocy, to chwilowa prędkość kątowa wału korbowego silnika nie może być stała. 

background image

 

13

Ruch obrotowy wału korbowego odbywa się, zatem  z określona nierównomiernością, tym  większą, im  mniejsza jest liczba 

cylindrów i masa układu korbowego. 

 

Nierównomierność prędkości obrotowej silnika w czasie jednego cyklu roboczego, określoną stopniem  nierówności biegu 

silnika,  można  zmniejszyć  przez  podzielenie  pracy  silnika  na  kilka  cylindrów  lub  przez  osadzenie  na  wale  ciężkich  mas 

obrotowych, zwanych kołami zamachowymi lub przez pierwsze i drugie jednocześnie. 

 

Im  większa  jest  liczba  cylindrów  silnika,  tym  koło  zamachowe  może  być  mniejsze,  a  więc  i  lżejsze,  co  jest  korzystne  ze 

względu na obciążenie sąsiadującego z kołem zamachowym łożyska. 

 

Koła  zamachowe  wraz  z  całym  układem  korbowym  akumulują  nadwyżki  energii  w  okresie,  gdy  moment  obrotowy  silnika 

jest większy od momentu odbiornika i oddają, kiedy jest odwrotnie. 

 

Rodzaje wykonania – rys.6.65; 6.66. – konstrukcje tarczowe lub wieńcowe. 

 

Wielkość  koła  zamachowego  (zależna  od  żądanego  stopnia  nierównomierności  biegu)  silnika  określa  się  momentem 

bezwładności koła zamachowego I

o, którego

 wartość z wystarczającą dla praktyki dokładnością określa się z zależności 

 

 

 

 

   

mD

2

 

I

o

 = m ( D/2)

2

 =    



  

 

 

 

 

 

  4 

gdzie:  

 

m – masa koła zamachowego odniesiona do środka ciężkości wieńca. 

D – średnica odpowiadająca środkowi ciężkości wieńca. 

 

Charakterystycznym  parametrem  koła  zamachowego  jest  iloczyn  mD

2   

zwany  także  momentem  zamachowym  koła 

zamachowego. 

 

Koło zamachowe osadzone na końcu wału korbowego od strony  odbiornika  mocy,  ma na zewnętrznej powierzchni wieńca 

nacięte zęby, stanowiące wraz z kołem zębatym, obracarki jednostopniową przekładnie zębatą, służącą do obrotu silnika.  

 

Odcinek wału z kołem zamachowym jest dwustronnie łożyskowany. 

 

 

 

 

background image

 

14

Podsumowanie: 

 

W  rozważaniach  na  temat  wyrównoważenia  silników  zakładano,  że  masy  części  powtarzających  się  w  poszczególnych 

cylindrach są jednakowe. 

 

W  rzeczywistości  tak  nie  jest,  ze  względu  na  nieunikniony  rozrzut  wymiarów  i  mas,  zwłaszcza  części  odlewanych  ze 

względu na niejednorodność struktury i surowy stan powierzchni. 

 

Z  tych  względów,  w  razie  potrzeby,  przeprowadza  się  korektę  mas  wałów  korbowych  przez  nawiercanie  otworów 

korekcyjnych w przeciwciężarach. 

Przeciwciężary z otworami korekcyjnymi są wzajemnie niewymienialne. 

 

Stopień wyrównoważenia silnika jest kompromisem konstrukcyjnym, uwzględniającym wiele różnych czynników – w tym: 

 

przeznaczenie silnika, 

 

jego ciężar, 

 

rodzaj fundamentowania, 

 

obciążenia łozysk. 

 

Każde  odstępstwo  od  tych  założeń,  np.  praca  silnika  ze  zdemontowanym  układem  tłkowo-korbowym,  zwiększa  stopień 

niezrównoważenia silnika, co objawia się wzmożonymi drganiami. 

 

Z  tych  tez  względów  wymontowanie  uszkodzonego  układu  z  silnika  jest  celowym  tylko  wówczas,  gdy  uszkodzenie 

uniemożliwia kontynuowanie podróży.  

 

Drgania skrętne układu silnik-śruba napędowa. 

 

Każde  ciało  sprężyste,  poddane  działaniu  okresowo  zmiennym  i  odpowiedniej  wartości  obciążeniom  ulega  okresowym 

wychyleniom wokół położenia spoczynkowego.  

Ruch ten nazywa się drganiem. 

 

Wał  korbowy  silnika  wraz  ze  sprzęgniętym  z  nim  wałem  pośrednim  i  odbiornikiem  mocy  (  sruba  napędową  lub  prądnicą) 

stanowi  układ  drgający,  pobudzony  do  drgań  skrętnych,  giętych  i  wzdłużnych,  okresowo  zmiennymi  siłami  gazowymi  i 

masowymi oraz momentami. 

 

background image

 

15

Drgania  te  są  przyczyną  powstawania  dodatkowych  sił  i  momentów  masowych  w  układzie  tłokowo-korbowym  i 

wynikających z tego dodatkowych, a trudnych do określenia obciążeń mechanicznych. 

 

Drgania wpływają także niekorzystnie na warunki pracy łożysk układu tłokowo-korbowego. 

 

Szczególnie niebezpieczne są rezonansowe drgania skrętne wału korbowego powstające wtedy, gdy częstotliwość okresowo 

zmiennego momentu wzbudzającego drgania skrętne, zwana dalej częstotliwością wzbudzania n’

wz

  jest równa częstotliwości 

drgań n’

 własnych układu drgającego 

 

 

 

n’

wz

   =    n’

wł 

 

Układ drgający składa się z: 

 

wału korbowego, 

 

koła zamachowego,  

 

wału pośredniego, 

 

wału śrubowego, 

 

ś

ruby napędowej. 

 

Dla silnika zespołu prądotwórczego układ drgający stanowią: 

 

wał korbowy, 

 

koło zamachowe, 

 

pradnica. 

 

Rzeczywiste układy drgające, charakteryzujące się, między innymi, zdolnością rozpraszania energii, czyli tłumieniem drgań, 

mogą pobudzić do drgań rezonansowych tylko takie siły lub momenty, których praca wzbudzenia L

wz

 jest, co najmniej 

równa pracy tłumienia L

 

Dla obsługującego silnik ważna jest odpowiedź na pytania: 

1.

 

dla jakich prędkosci obrotowych silnika wystepuje rezonans, czyli n’

wz

  =   n’

wł,

 

2.

 

dla jakich rezonansów praca momentu skręcającego, czyli praca wzbudzenia  

L

wz

 spełnia warunek L

wz

 

≥≥≥≥

 L

 

W aspekcie konstrukcyjnym istotnym jest również określenie dodatkowych naprężeń powstających wskutek drgań 

rezonansowych. 

background image

 

16

Ciało sprężyste, pobudzone do drgań jednorazowym impulsem, przestaje po pewnym czasie drgać i czas ten jest zależny od 

zdolności rozpraszania energii wzbudzającej drganie. 

 

Drgania podczas których energia ulega rozproszeniu, nazywają się drganiami tłumionymi

 

Każdy rzeczywisty układ drgający ma właściwości rozpraszania energii ( poprzez tarcie w łożyskach, tarcie śruby napędowej 

o wodę, itp.), a zatem wszystkie drgania rzeczywiste są drganiami tłumionymi

 

Jeżeli na układ drgający działają okresowo zmienne siły lub momenty, to powodowane nimi drgania nazywają się drganiami 

wymuszonymi lub wzbudzanymi. 

 

Układ rzeczywisty wzbudzony do drgań będzie drgać ze stałą amplitudą, jeśli energia wzbudzająca e

wz 

– energia 

doprowadzona do układu drgającego w czasie jednego okresu – będzie równa energii tłumienia e

, to jest energii, jaką w tym 

czasie układ jest zdolny rozproszyć. 

 

Jeśli e

wz

 

>

e

, to obszerność drgań będzie wzrastała, a dla e

wz

 

<

 e

 drgania będą zanikać. 

 

Drgania skrętne swobodne nie tłumione układów wielomasowych. 

 

W  celu obliczenia częstotliwości drgań własnych rzeczywistego układu drgającego sprowadza się go do układu zastępczego, 

składającego się z masowych momentów bezwładności I

1

, I

2

 ....I

i

 oraz (i-1) bezmasowych odcinków wałów o sztywności 

skrętnej s

1

, s

......s

i

 ( schemat zastępczy rys.4.24) 

 

Sztywność skrętną wału definiuje się jako stosunek momentu skręcającego M [Nm] do statycznego kata skręcenia 

ϕϕϕϕ

st

 [rad] 

wału spowodowanego przez moment M  

 

 

 

        

 

 

 

=  



  

[Nm/rad] 

 

 

 

        

ϕϕϕϕ

st 

wobec 

 

 

          M

⋅⋅⋅⋅

 l 

 

 

 

ϕϕϕϕ

st  





 

[rad] 

 

 

 

          G

⋅⋅⋅⋅

 I

gdzie: 

ϕϕϕϕ

st   

- kat skręcenia [rad], 

l – długość skręcania wału [m], 

G- moduł sprężystości postaciowej materiału [N/m

2

], 

background image

 

17

I

o

 – biegunowy moment bezwładności wału [m

4

], 

 

ostateczny wzór na sztywność wału przyjmuje postać: 

 

 

 

 

⋅⋅⋅⋅

 I

o

 

 

 

s =     



     [Nm/rad] 

 

 

 

  l 

 

Drgania skrętne swobodne nie tłumione układu dwumasowego – schemat ry.4.25. 

 

Układ nie ma zdolności tłumienia drgań i składa się  z: 

 

dwóch mas o momentach masowych I

1

 i I

2

 

bezmasowego odcinka wału o długosci l i sztywności skrętnej s

 

Na układ działa moment skręcający M, powodujący skręcenie wału o kąty 

ϕϕϕϕ

o1

 i 

ϕϕϕϕ

o2

 

Po ustaniu działania momentu M układ będzie drgać wokół osi wału ze stałą częstotliwością n’

.   

 

Kąty 

ϕϕϕϕ

o1

 i 

ϕϕϕϕ

o2

  to amplitudy ruchu drgającego mas 1 i 2. 

 

Punkt W – wychylenie równe 0 (

ϕϕϕϕ

w

 = 0), to węzeł drgań dla drgania  pierwszego rzędu lub drgania jednowęzłowego (dla 

tego przypadku). 

 

Częstotliwość kątowa drgań własnych 

ω

’wł układu drgającego dla np. układu dwumasowego wynosi  

 

 

               











 

 

 

            



  I

1

  +  I

2

 

 

      

ω

ω

ω

ω

 = 

ω

ω

ω

ω

’ =   



s  







 

[  rad / s] 

 

 

           

√√√√

     I

1

 

⋅⋅⋅⋅

 I

2

 

 

Wyrażenia w powyższym wzorze są funkcją wielkości określających ilość, rodzaj i rozmieszczenie materiału, z którego 

układ drgający jest wykonany. 

 

Uogólniając powyższe należy stwierdzić, że częstotliwość drgań własnych drgającego układu 

ω

 zależy wyłącznie od cech 

własnych układu, nie zależy od wielkości częstotliwości momentu wzbudzającego drgania, ani tez od ich wielkości. 

 

 

 

background image

 

18

Drgania skrętne układów wielomasowych. 

Układ trójmasowy – schemat zastępczy rys.4.26. 

 

Układ taki można pobudzić do drgań skrętnych w dwojaki sposób: 

 

1.

 

tak, aby masa środkowa i jedna z mas skrajnych wychylały się jednoczesnie w tym samym kierunku, a druga masa 

skrajna w kierunku przeciwnym ( jeden węzeł drgań W

I

), 

 

2.

 

tak, aby dwie skrajne masy wychylały się jednoczesnie w tym samym kierunku, natomiast masa środkowa w 

przeciwnym (dwa węzły drań W

I

 W

II

 – drgania dwuwęzłowe lub drgania drugiego stopnia). 

 

Każdemu stopniowi drgań odpowiada określona częstotliwość drgań własnych: 

 

drganiom pierwszego stopnia – częstotliwość pierwszego stopnia 

ω

ω

ω

ω

I

(n’,v

I

), 

 

drganiom drugiego stopnia – częstotliwość stopnia 

ω

ω

ω

ω

II

(n”, v

II

), 

 

Wyższym stopniom drgań odpowiada większa częstotliwość drgań własnych, 

ω

ω

ω

ω

II

 

>>>>ω

ω

ω

ω

I

 

Układ wielomasowy składający się z i mas można pobudzić do drgań skrętnych na i-1 sposobów, co oznacza, ze układ taki 

może drgać z częstotliwościami własnymi i-1 stopni –  

ω

ω

ω

ω

I;  

ω

ω

ω

ω

II

......

ω

ω

ω

ω

i-1

 

Przykładem ruchu drgającego wielomasowego jest układ napędowy statku. 

 

Ilość stopni drgań takiego układu jest teoretycznie nieskończenie duża, praktycznie zależna od liczby mas zastępczych – 

masowych momentów bezwładności – odwzorowujących układ rzeczywisty. 

 

Dla układu drgającego silnik-śruba napędowa wystarczająca znajomość drgań skrętnych i nich następstw dla pierwszego i 

drugiego stopnia drgań, a dla  układów z silnikiem na śródokręciu – dodatkowo trzeciego.  

 

Przykład wykresów względnych ( wartości wychyleń poszczególnych mas wyrażone w wartościach względnych  przy 

założeniu, że  wychylenie pierwszej masy 

ϕϕϕϕ

o1 

= 1 ) wychyleń skrętnych I, II i III stopnia drgań dla układu statku z siłownia 

na śródokręciu – rys.4.27. 

 

 

 

background image

 

19

Momenty wzbudzające drgania skrętne. 

 

Drgania skrętne układu rzeczywistego możliwe są tylko wtedy, gdy na układ ten działa okresowo zmienny moment, którego 

praca skręcania jest równa co najmniej pracy tłumienia. 

 

Momentem wzbudzającym drgania skrętne układu napędowego jest moment obrotowy silnika ( rys.4.28), jest on funkcja 

okresowo zmienna, ciągła i określona w każdym punkcie przedziału (0,2

ππππ

) dla silników dwusuwowych lub (0,4

ππππ

) dla 

silników czterosuwowych. 

 

Rozkładając moment obrotowy silnika M na z momentów składowych, przyjmuje się w dalszych rozważaniach, że układ 

korbowy działa z momentów zmiennych ( z harmonicznych) M

1

, M

2

 ......M

z

 i każdy z nich może niezależnie wzbudzić 

drgania skrętne układu silnik-śruba lub silnik prądnica. 

 

Rezonans drgań. Krytyczna prędkość obrotowa

 

Drgania skrętne układu silnik-śruba napędowa (silnik – prądnica) mogą być szczególnie niebezpieczne w warunkach 

rezonansowych, to jest gdy częstotliwość zmian momentu wzbudzającego drgania 

ω

ω

ω

ω

wz

 równa się częstotliwości drgań 

własnych 

ω

ω

ω

ω

 układu drgającego  

ω

ω

ω

ω

wz 

ω

ω

ω

ω

 

 

 

lub   

 

 

 

n’

wz 

= n’

wł 

 

Częstotliwość n’

wz

 harmonicznej k-tego rzędu, dla prędkości obrotowej n [obr/min] wynosi 

 

 

 

 

 

n’

wz

 = k 

⋅⋅⋅⋅

 n [1/min] 

Prędkości obrotowe, dla których występuje równość  

⋅⋅⋅⋅

 n = n’

wł 

nazywają się rezonansowymi prędkościami obrotowymi lub krytycznymi prędkościami obrotowymi n

kr

 zatem 

 
 n’

wł 

 

 

n

kr

 =  



   [obr/min] 

 

   

 

Dla układu silnik-śruba praktycznie należy się liczyć z trzema stopniami drgań o częstotliwościach własnych 

ω

ω

ω

ω

I;  

ω

ω

ω

ω

II

 , 

ω

ω

ω

ω

III

 

oraz z z momentami ( harmonicznymi) wzbudzającymi drgania, zatem teoretycznie możliwa liczba rezonansów wynosi 3z. 

 

 

 

background image

 

20

Pasmo rezonansowych prędkosci obrotowych dla silników wolnoobrotowych wynosi  

±±±±

 (0,05 

÷÷÷÷

0,08) n

kr

 dla rezonansów niskich stopni i rzędów oraz 

±±±±

 ( 0,01 

÷÷÷÷

 0,03)n

kr

 dla rezonansów wyższych stopni i 

wyższych rzędów. 

 

Szerokości pasm rezonansowych prędkosci obrotowych , niedostępnych dla pracy silników średnioobrotowych są 

odpowiednio większe. 

 

Gdyby wszystkie drgania rezonansowe były jednakowo niebezpieczne, zastosowanie silnika tłokowego jako urządzenia 

napędowego statku byłoby praktycznie niemożliwe. 

 

Krytyczna prędkość obrotowa rzędów głównych. 

  

Niektóre z możliwych rezonansów znajdują się poza zakresem eksploatacyjnej prędkości obrotowej silnika, dla innych zaś 

amplituda drgań rezonansowych jest tak mała, że drgania te nie mają żadnego praktycznego znaczenia. 

 

Aby układ silnik-śruba pobudzić do drgań, moment wzbudzający drgania musi zmieniać się z częstotliwością rezonansową, a 

praca skręcania tego momentu L

s

 = L

wz

 musi być co najmniej równa pracy tłumienia L

s

 

≥≥≥≥

 L

 

Praca skręcania harmonicznej k-tego rzędu silnika i-cylindrowego jest geometryczna sumą prac skręcania k-tej 

harmonicznej poszczególnych cylindrów. 

 

Prace skręcania harmonicznych k-tego rzędu poszczególnych cylindrów mogą się wzajemnie znosić lub dodawać. 

 

Chcąc zatem określić, które harmoniczne ( którego rzędu harmoniczne) wzbudzają najbardziej niebezpieczne drgania, należy 

wyznaczyć prace skręcania dla każdego stopnia i rzędu. 

 

Aby określić rząd harmonicznej, wzbudzającej najbardziej niebezpieczne drgania, należy obliczyć dla poszczególnych stopni 

drgań pracę skręcania. 

 

Rzędy, dla których geometryczna suma pracy skręcania danego stopnia drgań jest największa, nazywają się rzędami 

głównymi

 

Praca skręcania dla momentu k-tego rzędu M

ok

 i-tego cylindra dla s-tego stopnia drgań wynosi 

 

background image

 

21

l

kis

 = 

ππππ

 

⋅⋅⋅⋅

 M

ok

 

⋅⋅⋅⋅

 

ϕϕϕϕ

ois

 

⋅⋅⋅⋅

 sin

ββββ

ki 

i jest największa, gdy przesunięcie fazowe 

ββββ

ki

 miedzy momentem M

ok

 a kątem skręcenia 

ϕϕϕϕ

ois

 równa się 

ππππ

/2 (90

o

). 

 

Aby określić pracę skręcania k-tej harmonicznej silnika i-cylindrowego dla drgań s-tego stopnia, należy zsumować tak 

wyliczone geometryczne prace skręcania wszystkich cylindrów. 

 

Dla jakościowej oceny wielkości pracę skręcania harmonicznej k-tego rzędu, a przez to wyznaczenia głównych rzędów 

drgań, wystarczająca jest znajomość sumy określonej wzorem (4.57b), zwanej wektorowa sumą wychyleń względnych, dla 

wyznaczenia, której przyjmuje się umownie, iż wychylenie 

ϕϕϕϕ

o1

 = 1, stąd: 

 

Φ

Φ

Φ

Φ

kis

 =  1   + 

ϕϕϕϕ

o2s

  sin (90+

ββββ

k2

)  + ..........+ 

ϕϕϕϕ

ois

  sin (90 + 

ββββ

ki

 

Przyjmując za wychylenie pierwszej masy dla wszystkich stopni drgań 

ϕϕϕϕ

o1

 = 1, wartość liczbowa tej sumy dla silnika i-

cylindrowego zawiera się w przedziale  

<<<<

 

Φ

Φ

Φ

Φ

kis

 

<<<<

 i. 

 

Rzędy, dla których suma 

Φ

Φ

Φ

Φ

kis

 jest największa ( praktycznie 

>>>>>>>>

 0 ), przyjmuje się za rzędy główne. 

 

Rzędy główne drugiego i wyższych stopni drgań należy określić na podstawie pracy skręcania lub wektorowej sumy 

wychyleń względnych. 

 

Spośród rezonansów rzędów głównych najniebezpieczniejsze są rezonanse dla rzędów o małej liczbie porządkowej. 

 

Praca skręcania wału korbowego silnika ośmiocylindrowego 4-suwowego – rys.4.32. 

 

Nie wszystkie drgania rezonansowe rzędów głównych wywołują jednakowe naprężenia skręcające na wale. 

 

W odróżnieniu od drgań występujących podczas krytycznych prędkosci obrotowych niskich rzędów, drgania silnika w 

rezonansie wyższych rzędów są słabo lub wcale nieodczuwalne w przedzialae maszynowym. 

 

Prowadzi to często do złego zwyczaju całkowitego ich lekceważenia i ustalania eksploatacyjnej prędkości obrotowej w 

paśmie krytycznej prędkosci obrotowej wyższych rzędów i stopni. 

 

background image

 

22

Mimo iż naprężenia skręcające wał, wywołane drganiami wyższych rzędów głównych są pomijalnie małe, należy unikać 

pracy silnika w paśmie krytycznych prędkości obrotowych wyższych rzędów, gdyż powstałe w tych warunkach drgania 

mogą mieć ujemne skutki. 

 

Każde drgania skrętne zwiększają obciążenia dynamiczne elementów układu tłokowo-korbowego i przekładni napędowej 

wału rozrzadu oraz wpływają niekorzystnie na pracę łozysk układu, a także mogą wywoływać drgania tulei cylindrowych 

skutkujące zwiększoną intensywnością zużycia tulei i kawitacja powierzchni chłodzących. 

 

Przy sztywnym połączeniu wału korbowego z odbiornikiem mocy drgania skrętne mogą wywierać niekorzystny wpływ na 

prace tych ostatnich. 

 

W wypadku napędu głównego wpływają zakłócająco na pracę śruby napędowej. 

 

Jeśli odbiornikiem mocy jest prądnica prądu przemiennego, mogą pojawić się trudności z pracą równoległa prądnic. 

 

Drgania te przenoszą się przez kadłub silnika na fundament oraz kadłub statku, mogą wywoływać drgania rezonansowe 

innych elementów sprężystych w przedziale maszynowym lub poza nim. 

 

 

Działają długotrwale powodują uszkodzenia zmęczeniowe elementów siłowni i kadłuba statku, ponadto wpływają ujemnie na 

warunki bytowe załogi. 

 

Zmiana zakresu głównej krytycznej prędkosci obrotowej. 

 

Rezonansowe prędkosci obrotowe danego układu napędowego, wyznaczone drogą obliczeń lub doświadczalnie dla 

określonych warunków pracy silnika przyjętych za normalne, mogą w warunkach eksploatacyjnych zmienić się, jeśli: 

 

zmieni się częstotliwość drgań własnych układu napędowego,  

 

ulegnie zmianie praca skręcania poszczególnych harmonicznych, 

 

warunki wpływające na prace tłumienia. 

 

Wymienione przyczyny mogą występować oddzielnie lub łącznie. 

 

Masowe momenty bezwładności I oraz sztywność skręcania wału s, od których zależy częstotliwość drgań własnych układu, 

są w normalnych warunkach eksploatacyjnych wielkościami stałymi. 

background image

 

23

 

Jedynie w stanach awaryjnych, którym towarzyszy ubytek masy układu napędowego, np.: 

 

odpadniecie lata śruby napędowej,  

 

praca silnika z wymontowanym tłokiem, itp. 

 

Częstotliwość drgań własnych układu napędowego wzrasta. 

 

Wyraźna zmiana warunków tłumienia drgań, np. wyraźny wzrost tarcia lub zmiana skoku śruby nastawnej, zdecydować 

mogą także o zmianie częstotliwości drgań własnych, jak i o amplitudzie drgań. 

 

W układach napędowych ze śrubą nastawną zmiana skoku śruby nastawnej powoduje zarówno zmianę częstotliwości drgań 

własnych układu silnik-sruba, jak i amplitudy drgań. 

 

Występowanie drgań skrętnych poza zakresem rezonansów głównych rzędów może być spowodowane nierównomiernym 

rozkładem mocy w poszczególnych cylindrach lub w wypadku krańcowym praca silnika z wyłączonym jednym lub kilkoma 

cylindrami. 

 

Uwzględniając, że wyłączenie z pracy jednego cylindra zwiększa jednocześnie drgania giętne wału, a przez to obciążenie 

mechaniczne elementów silnika, to pracę silnika z wyłączonym cylindrem lub cylindrami uznać należy za technicznie 

niewłaściwą, uzasadniona tylko względami bezpieczeństwa. 

 

Eliminacja / ograniczenie drgań skrętnych. 

 

Ze względu na obciążenie mechaniczne wałów korbowych, niebezpieczne są drgania powodowane harmonicznymi 

głównymi niskich rzędów. Niepożądane są również drgania rezonansowe pozostałych rzędów. 

 

Eliminację drgań skrętnych lub znaczne ich zmniejszenie osiąga się w drodze konstrukcyjnej przez: 

 

odpowiedni dobór kolejności zapłonów, 

 

odpowiedni dobór odstępu między zapłonami, 

 

ukształtowanie wału korbowego i pośredniego o możliwie największej częstotliwości drgań własnych, tak by 

rezonanse rzędów głównych wypadały poza zakresem eksploatacyjnym ( sztywny wał o małej długości i dużej 

ś

rednicy). 

 

background image

 

24

Jeżeli mimo określonych zabiegów konstrukcyjnych, amplitudy niektórych drgań rezonansowych w przedziale prędkosci 

eksploatacyjnych są zbyt duże, to może okazać się konieczne zastosowanie specjalnych urządzeń zmniejszających lub 

eliminujących drgania, takich jak: 

 

tłumiki tarciowe zmniejszające amplitudy drgań rezonansowych wszystkich rzędów i stopni, 

 

rezonansowe eliminatory drgań eliminujące drgania rezonansowe jednego rzędu drgań, 

 

tłumiki łączące w sobie obie wyżej wymienione własności, czyli eliminatory rezonansowe z tłumieniem. 

 

W silnikach okrętowych stosuje się głownie tarciowe tłumiki drgań. 

 

Działanie tych urządzeń polega na tłumieniu drgań, to znaczy zmniejszeniu amplitud wychyleń skrętnych przez pochłanianie 

energii ruchu drgającego. 

 

Dodatkowym skutkiem tego działania jest zmniejszenie częstotliwosci rezonansowych. 

 

Głownym elementem typowego tłumika tarciowego jest bezwładnik ( bezwładna masa). Połaczony podatnie ze swobodnym 

końcem wału korbowego, czyli w miejscu największych wychyleń drgań skrętnych. 

 

Tłumiki tarciowe tłumią drgania różnej częstotliwości, a ich skuteczność zależy od masy bezwładnika oraz od rodzaju złącza 

tarciowego. 

 

Powszechnie stosowany jest tłumik olejowy, składający się z pierścieniowej, całkowicie zamkniętej obudowy, wewnątrz 

której znajduje się bezwładnik. Przestrzeń pomiędzy bezwładnikiem a obudową wypełnia olej silikonowy o dużej lepkości. 

 

Różnica w rozwiązaniach konstrukcyjnych tych tłumików polega na sposobie ciernego sprzęgnięcia się bezwładnika z jego 

korpusem, a przez korpus z wałem korbowym. 

 

Tłumik w podanym wykonaniu nie wymaga bieżącej obsługi i konserwacji a jedynie w okresach określonych przez 

wytwórcę pobiera się próbki oleju na podstawie, których producent tłumika określa jego stan i termin przeglądu polegający 

na wymianie oleju oraz ewentualnie pierścieni dystansowych i uszczelniających. 

 

 

 

 

 

background image

 

25

 

Wnioski i zalecenia. 

 

Naprężenia skręcające w wałach korbowych, powodowane rezonansowymi drganiami skrętnymi mogą przekraczać 

naprężenia dopuszczalne dla ciągłej pracy silnika. 

 

Praca silnika z rezonansową prędkością obrotową rzędów głównych jest niedopuszczalna ze względu na możliwość 

zniszczenia wału. 

 

Wzmożone drgania skrętne występują nie tylko dla rezonansowej prędkości obrotowej, ale także w określonym przedziale 

wokół jej prędkosci obrotowej. 

 

Przedział rezonansowych prędkosci obrotowych rozciąga się symetrycznie względem n

kr

 

Szerokość przedziału krytycznej prędkości obrotowej jest tym większa, im niższy jest stopień i rząd drgań. 

 

Podczas zwiększania prędkosci obrotowej należy możliwie szybko przejść przedział krytycznej prędkości rzędów głównych. 

 

W tym celu, po stopniowym zwiększeniu prędkosci obrotowej silnika do zakresu krytycznego, nastawę paliwowa należy 

zwiększać skokowo na obciążenie poza zakres prędkosci krytycznej. 

 

W układach automatycznego sterowania zmianę nastawy paliwowej, uwzględniającą przejście przez zakres prędkości 

krytycznej, realizuje odpowiednio zaprogramowany układ sterujący. 

 

Podczas pracy silnika z częściowym obciążeniem ( kanały, manewry, itp.) należy także unikać rezonansowych prędkosci 

obrotowych wyższych rzędów i stopni, mimo iż drgania skrętne podczas tych rezonansów są praktycznie nie odczuwalne 

przez obsługę. 

 

Należy się liczyć również z tym, że przy częściowym obciążeniu silnika prawdopodobieństwo nieprawidłowego spalania, a 

tym samym nierównomiernego rozkładu mocy w poszczególnych cylindrach jest większe niż podczas obciążenia 

nominalnego. 

 

W tych warunkach rzeczywiste amplitudy drgań skrętnych mogą znacznie przekraczać wartości obliczone.