Во время работы двигателя его узлы и детали испытывают механические нагрузки, вызываемые, главным образом, силами давления газов в цилиндрах, силами инерции поступательно движущихся и вращающихся масс (центробежных сил). Дополнительные нагрузки возникают при монтаже деталей, а также при деформациях фундаментной рамы, возникающих при ослаблении и нарушении ее посадки на судовом фундаменте и, в ряде случаев, при деформациях корпуса судна при его неправильной загрузке и при сильном волнении моря. Сила давления газов Рr действует в рабочих цилиндрах и нагружает втулки цилиндров, стремясь их разорвать по образующей, крышки, вызывая в них напряжения изгиба, и поршни. В течение рабочего цикла сила меняет свою величину и может быть определена по индикаторной диаграмме или расчетом. На рис 2.1 приведены развернутые по углу поворота вала кривые сил давления газов Рr и сил инерции поступательно движущихся масс Pj 4-х тактного (а) и 2-х тактного двигателей.
Механические нагрузки, главным образом, вызываются действием сил давления газов Рr , сил инерции поступательно движущихся масс Pj и центробежных сил инерции вращающихся масс Рц (рис 2.2).
Силы тяжести деталей, давления наддувочного воздуха в подпоршневой полости и силы трения относительно невелики и их влиянием можно пренебречь. Действующая на поршень сила +Рг направлена вниз и совместно с силами инерции нагружает сам поршень. Сила – Рг, действующая на крышку цилиндра, стремится ее изогнуть, разорвать шпильки ее крепления к блоку цилиндров, шпильки крепления блока к станине и станины к фундаментной раме, при отсутствии анкерных связей создает
в перечисленных элементах напряжения растяжения. Силы +Рг и -Рг равны по величине и поэтому взаимно уравновешиваются (замыкаются внутри остова) и поэтому, действуя внутри остова, на судовой фундамент не передаются. Сила инерции поступательно движущихся масс, представляющая собой произведение масс поршневой группы и верхней части шатуна mп на ускорение движения поршня а : Pjп = mп а, действует как и сила давления газов в направлении оси цилиндра (см. рис 2.1 – а). Сила инерции так же, как и сила давления газов по ходу поршня меняет свою величину и достигает максимумов в мертвых точках поршня, так как именно в этих точках скорости поршня равны нулю, а ускорения – максимальны.
На первой половине хода поршня от ВМТ к НМТ сила Pjп направлена вверх и препятствует движению поршня (в этот период работа силы инерции отрицательна), а на второй половине хода поршня сила инерции положительна (направлена вниз) и таким образом способствует движению поршня. Предварительно условимся, что силы, способствующие движению поршня вниз, принимаем положительными и на диаграмме от оси абсцисс они откладываются вверх, силы, препятствующие движению поршня отрицательны и откладываются вниз (см рис 2.1).
При отрицательном направлении сил инерции (вверх) они нагружают шатунные болты, вызывая в них растягивающие напряжения, которые при превышении оборотов сверх номинальных или ослаблении затяга болтов могут привести к их разрыву и аварии с весьма тяжелыми последствиями.
Сложение сил, приведенных к площади поршня, дает суммарную силу Р = Рг+ Pj ее изменение иллюстрируется рис 2.1 а.
Суммарная сила Р может быть разложена на две составляющие – на силу Рш, направленную вдоль шатуна, и силу нормальную N, направленную перпендикулярно оси цилиндра (см рис2.2, в). Нормальная сила прижимает поршень к втулке цилиндра, а в 2-х тактных крейцкопфных двигателях – ползун к параллелям. Нормальная сила вызывает перекладку поршня в цилиндре и при большом износе ЦПГ появляются глухие стуки.
В свою очередь, сила Рш может быть перенесена вдоль шатуна в центр кривошипного (мотылевого) подшипника и разложена на две составляющие – перпендикулярную к радиусу кривошипа (мотыля) – тангенциальную силу Т, и направленную вдоль щеки вала – силу Z. Тангенциальная сила Т создает крутящий момент Мкр = ТR, а пара сил N и N’ на плече Н создают равный ему, но противоположно направленный реактивный момент Мопр, который называется опрокидывающим моментом, т. к. он, будучи приложенным к опорам двигателя, стремится опрокинуть двигатель в сторону, противоположную направлению вращения вала. Под действием крутящего момента в коленчатом валу возникают напряжения скручивания.
Центробежная сила инерции вращающихся масс Рц = mвр rω2 (2), где mвр– масса вращающихся частей, в которые входят ориентировочно 0,6 массы шатуна, масса кривошипной шейки коленчатого вала и примерно по половине масс щек вала. Центробежная сила приложена к центру кривошипного соединения (см. рис 2.2, б) и может быть разложена на вертикальную и горизонтальные составляющие Рцв, Рцг. Центробежная сила направлена по радиусу кривошипа от центра вала и не меняет свою величину, если обороты остаются неизменными. Силы инерции действуют в пределах каждого цилиндра, относительно центра тяжести двигателя создают моменты, которые совместно с силами, даже ,если они в пределах двигателя и уравновешены, (см. раздел учебника – уравновешивание) совместно с силами давления газов нагружают элементы остова и вызывают его деформации.
