试论柴油机超负荷.doc

试论柴油机超负荷 1 柴油机的超负荷 负荷，又称载荷或负载。《现代汉语词典》的解释是：“动力设备、机械设备以及生理组织在单位时间内所担负的工作量”。在工程的实践中，负荷一般是对动力设备和机械设备而言，载荷则是对建筑构件而言。 超负荷，无疑是动力设备、机械设备在单位时间内所担负的工作量超过设备设计和试验所核定的额定值。 在轮机工程中，什么叫柴油机的超负荷？可以用这样的一句话来描述：把柴油机在运行中其机械负荷和热负荷均超出说明书的额定值的现象称为超负荷。 它的完整概念如图： 2.1超机械负荷 柴油机在运行中其所超负荷以力的形式呈现,我们把这种超负荷现象称为超机械负荷。 它以下列三个方面表现出来： （1）燃气压力——超过最大爆发压力 柴油机的最高爆发压力是指燃油在汽缸被发火燃烧时所具有的最大压力。这个指标是衡量是否超负荷的最重要的指标之一。爆发压力过低，将使柴油机的功率下降。爆发压力过高，则使柴油机工作粗暴，使机械负荷和热负荷都增大。 现设活塞顶上的机械负荷为p， 则 p=πD2Pz/4 Pz为爆发压力，π d2/4为定值，由此可见，当Pz↑时P↑。 因此，为了延长柴油机的使用寿命，提高柴油机工作的可靠性，以及机器承载零件的结构强度能得到保证，所以每台柴油机的最大爆发压力在说明书中都有规定，不用说，这是一条准绳。 （2）曲柄连杆机构的惯性力 曲柄连杆机构的惯性力有三部分组成：活塞组件往复运动所产生的惯性力；曲柄不平衡回转质量回转运动所产生的惯性力（离心力）；连杆运动所产生的惯性力 。 根据牛顿第二运动定律：即物体受到外力作用后，产生加速度。加速度与物体质量的乘积等于物体所受的力，用数学式表述为： F = ma 再根据牛顿第三运动定律，即作用力与反作用力定律可知： F = -F 由此可以得出，往复惯性力F = -ma 由于往复运动部件的质量一经柴油机制成就固定不变，因此惯性力就仅仅与加速度a有关。 对于做回转运动的部件则a=Rω2，回转半径R是不变的，故曲柄连杆的一次往复惯性力和离心力只曲柄回转角速度的平方即ω2成正比。而角速度ω=n/30，因此曲柄连杆机构的惯性力与曲柄转速的平方成正比。 由上面的推导可以得出下列结论，当柴油机超速运行时曲柄连杆机构惯性力的数值将大大增加，致使有关部件所承受的机械负荷增大，从而会使发动机产生较大振动。尤其是柴油机发生飞车时，过高的转速造就巨大的惯性力，这样轴承负荷和摩擦力大为增大，可能导致连杆螺栓断裂使“大腿”伸出或轴承烧毁等重大机损事故。 （3）曲轴超扭矩 曲轴的机轴扭矩又称转矩。根据工程力学理论，圆轴在受力传递能量时受到的扭矩只产生剪应力，不会产生正应力。而剪应力与扭矩之间的关系可用下式来表述。 M = τπD3/16 M ——机轴扭矩 τ——机轴受力时所产生的剪应力 D ——机轴直径 从上式可知，M∝τ，所以对于一台柴油机，其曲轴在工作时产生的扭应力主要决定于它所传递的转矩。此外，由于机轴的轴线不平直，轴颈与下瓦的贴合情况不良以及车速处于临界转速区等，都会造成曲轴的扭转振动而产生附加的扭转应力。因此，倘若曲轴超扭矩就会使曲轴在运行中的扭应力超过设定值，使机轴的机械负荷过大甚至剪断。 柴油机机轴的扭矩与转速还有这样的关系： M = 716.2Ne/n M ——机轴扭矩 Ne ——柴油机功率 N ——转速 上式表明，在转速n 不变的情况下，Ne↑，M↑。假定Ne不变，则n↑，其扭矩M 。 2.2 超热负荷 柴油机在运行中其所超负荷以热的形式呈现，这种超负荷现象称为超热负荷。 （1）热接触部件表面上单位时间的传热两量超过设计值 众所周知，柴油机靠喷入汽缸内的雾状燃油压燃做功。而燃油燃烧时所放出的热量约为30%～33%要经过汽缸、汽缸盖和活塞等部件散出。对于发动机的金属部件，它对热负荷的承受能力是有限度的，这可以通过进行对材料的试验而测取。一旦超过这个极限当然会过热而损坏。这些情形在轮机管理的实践中是屡见不鲜的，诸如，活塞顶与缸盖向火面的烧蚀，汽缸和活塞过热引起的拉缸或咬缸乃至热裂，排气阀的烧蚀等等。 （2）温差应力 所谓热应力或称温差应力是指金属零件被加热或冷却时，由于材料内部相制约而不能充分自由变形，从而使金属材料内部产生单位面积上的内力。例如，汽缸盖其向火面接触的是燃气，而内部冷却通道流动的是低温冷却水，因而其内侧表面存在着温差，于是就会产生不同程度的热应力。 专门的试验研究表明，在热负荷一定的情况下，零件所受热应力的大小，除与金属材质有关以外，主要的是与壁面两侧的温度差和壁面的厚度成正比。过大热应力的产生是导致发动机裂纹的根本原因之一。所以我们平常所说的超热负荷这个完整的概念也不能仅局限于单位时间内冷却表面传