> Техника, страница 49 > Индикатор

Индикатор

Индикатор, аппарат для записи колебаний давления в цилиндрах поршневых машин в зависимости от положения одной из деталей основного механизма, чаще всего поршня, иногда от угла поворота главн. вала и прочие Вычерчиваемая И. кривая, индикаторная диаграмма, характеризует собой работу действующего агента (жидкости или газа) в цилиндре. И. разделяется на часть, воспринимающую давление, и на передающий и регистрирующий механизмы. Первая состоит обычно из поршня, нагруженного пружиной, или из мембраны, а вторые бывают весьма разнообразного устройства, и по способу передачи показаний различают И. механические, оптические, электрические, электр о-п невматические.

Теория и типы И. Механический поршневой И. (фигура 1) сист. Розенкран-ца представляет собой один из простейших типов. Он состоит из станины а, со сменным рабочим цилиндром б, к-рый коническим патрубком в сообщается с полостью цилиндра индицируемой машины.

В цилиндре б ходит плотно притертый поршень з, соединенный со штангой д и с одним концом пружины е; второй конец последней прикреплен к крышке ж. На крышке находится вращающееся кольцо з, на к-ром укреплен передающий аппарат, состоящий из пишущего рычага и с карандашом к, двух подвесных тяг л ями шатуна м. Диаграмма вычерчивается карандашом на бумажном листе, натянутом на барабан п, к-рый приводится в переменновращательное движение шнурком р, намотанным в Н/₂—2 оборота на нижнюю часть барабана. Обратное движение и необходимое натяжение шнурка совершаются спиральной пружиной, укрепленной одним концом в барабане, а другим—на неподвижной оси его. Механич. И. других систем отличаются от описанного лишь б. или м. существенными деталями. Работа И. заключается в следующем: пространство под поршнем сообщается с той полостью, давлеииё которой должен быть индицировано. Под действием этого давле-

Фигура 1.

ния поршень з сожмет или растянет пружину е, и перемещение поршня в увеличенном масштабе будет отмечено карандашом к; одновременно барабан п шнурком р поворачивается на угол, зависящий от перемещения какой-либо части индицируемой машины. Полученная диаграмма имеет ординаты, пропорциональные (в пределах точности передающего механизма) перемещениям поршня И. (а не непосредственно давлениям), а абсциссы—углам вращения барабана (а не перемещениям соответственного органа индицируемой машины).

В числе причин, искажающих показания И., то есть нарушающих пропорциональность между перемещениями поршня и давлениями, углами поворота барабана и перемещениями органа машины, при правильной установке и оперировании И., главную роль играют силы инерции частей И. и передаточного механизма (механизма, передающего движения индицируемой машины барабану И.). Чем выше число оборотов индицируемой машины, тем затруднительнее правильная работа И. Оба главных движения И. должны быть строго пропорциональны давлению и перемещению выбранной детали индицируемой машины. Одним из главнейших условий правильного действия И. является прямолинейность движения карандаша и пропорциональность его пути передвижениям поршня, для чего применяется рычажный механизм, известный в кинематике под названием прямила.

В И. употребляются два основных рода прямил: трехзвенное прямило [паралле-лограм Уатта (смотрите)] и производные панто-графного прямила. Трехзвенное прямило (фигура 2, А) употребляется в виду его громоздкости сравнительно редко; оно является частным случаем четырехшарнирного механизма, у которого средняя точка среднего звена вычерчивает кривую в виде восьмерки— лемнискоиду, часть которой достаточно близко напоминает прямую. Пантографное прямило в чистом виде изображено на фигуре 2, Б. Если точка а движется по прямой, то точка б пишущего рычага, лежащая на одной прямой с а и в, двигается также по прямой, причем ее скорость строго пропорциональна скорости точки а, но увеличена в отноше-

вб нии —. Пантографное прямило применяется в чистом виде весьма редко, т. к. два близко лежащих шарнира виз вследствие неизбежной игры допускают значительные угловые перемещения тяги ад, чем практически сводят нанет достижимую теоретически точность. Обычно это прямило применяется в одной из след, модификаций (пунктиром обозначен отсутствующий в действительности стержень аз): укороченное эллиптич. прямило (фигура 2, В), прямило Эванса (фигура 2, Г) и прямило Кросби (фигура 2, Д); все они обладают достаточною для практич. целей точностью; наиболее точным является прямило Эванса, но получающаяся при этом конструкция несколько тяжела и поэтому мало пригодна для И., предназначенных для быстроходных машин. В последних применяют прямило Кросби, как обладающее наименьшей приведенной к штоку поршня массой.

Поршень И. находится в каждое мгновение своего движения под действием следующих сил: а) силы давления р на поршень, где р — искомое давление, a f — известная площадь поршня; б) силы сжатой индикаторной пружины—cs, где с—постоянная пружины, a s—величина сжатия (растяжения) пружины, даваемая в увеличенном виде ординатой индикаторной диаграммы; в) силы трения поршня и передающего механизма, полагаемой постоянною, равною ±W,

г) силы, зависящей от поглощения энергии молекулярным трением в частях И.; т. к.

Фигура 2.

энергия эта принимается пропорциональной квадрату скорости, то сила пропорциональна скорости движения поршня и равна ds

ε, где ε—коэфф., определяемый для данных условий работы И. из опыта, a t—время; д) силы инерции движущихся масс И., связанных с поршнем, пропорциональной

(p_s

ускорению и равной, где т—масса дви жущихся частей, приведенная к движущемуся концу пружины (или, что то же, к поршню). Т. к. в каждый момент сумма всех сил, действующих на поршень, равна 0, то имеем следующее дифференциальное ур-ие движения поршня:

pf-cs±W-e^-m^=0. (1)

В этом ур-ии величины и с даны конструкцией И., W, ε и т определяются вычислением или опытом, величину s получают, измеряя соответственную ординату индика-

ds d²s

торной диаграммы, ^ и ^ получают из самой индикаторной диаграммы, и, т. о., теоретически не встречается препятствий для точного определения значения р в каждый данный момент. На практике, однако, к этим вычислениям прибегают лишь в исключительных случаях. Из ур-ия (1) видно, что, за исключением легко учитываемого влияния трения W, два остальных неизвестных члена зависят от скорости и ускорения частей И. Пока для данного И. не превзойдено некоторое число ходов в мин., зависящее от конструкции И. и абсолютной высоты диаграммы, влияние этих членов на диаграмму настолько мало, что ими можно на практике пренебречь. Вторым обстоятельством,

_{ί =} ±_Ί/~.Σ

2 л у т ¹

искажающим индикаторную диаграмму, яв-ляется возникновение колебательных движений упругого звена индикаторного механизма (пружины, мембраны). Особенно сильно заметно влияние этих колебаний при резких изменениях давления у быстроходных двигателей, например у автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Общее ур-ие частоты колебаний ζ поршня И. имеет вид:

_ V4с- т - е. ,₉,

^Ζ 4лт ’ W

отбрасывая ε в виду его малости, получаем:

или m=(3)

Наибольшее отклонение поршня под влия нием сил инерции от положения, соответствующего действительному давлению:

ду _ ^атах^т ^

где а_тах—максимальное ускорение поршня при с=1, определяемое опытом. Для удобочитаемости диаграммы важно не абсолютное значение Δу, а его отношение кмаксимальн. ординате перемещения поршня у=‘?sm_t то есть

Ау а_тах-т-с У с² · Ртах где Vmax—максимальное индицируемое И. давление. Подставляя значение т из ур-ия (3) и замечая, что для данного И. и для данной формы индикаторной диаграммы а_тах==к п², где к—постоянная, а п—число оборотов индицируемого мотора, имеем:

(4)

Ау

X^я

У Ья-Ртах 2*4!“ z^! ^

Из ур-ия (5) видно, что наибольшая ошибка прямо пропорциональна квадрату чисел оборотов, обратно пропорциональна частоте собственных колебаний И. и, кроме того, при равных прочих условиях (высоте диаграммы) обратно пропорциональна величине максимального индицируемого давления. Все выведенные выше соотношения справедливы, конечно, для предположенного заданным закона изменения давлений в индицируемом цилиндре, то есть для данной формы индикаторной диаграммы; от быстроты изменения давлений зависит и величина а_тах, а следовательно, и К в ур-ии (5). Для правильной работы И. необходимо, чтобы частота собственных колебаний была много больше числа оборотов индицируемого двигателя (для двигателей Дизеля в 12—15 раз, для двигателей, работающих по циклу Отто, в 16—20 раз). Обычно фирмы указывают границы применения И., далеко не соответствующие действительности, и для получения диаграмм, выражающих истинный ход процесса, рекомендуется использовать не более 7з—’/₂ числа оборотов, указанных в проспектах фирм. Из сказанного понятно также, почему один и тот же И. может дать хорошую нормальную и совершенно непригодную диаграмму со слабой пружиной (увеличение К вследствие уменьшения р_тах).

И. для тихоходных машин не представляют значительных конструктивных трудностей и изготовляются лишь в двух основных разновидностях—с внутрилежащей, «горячей» (фигура 1), или с наружной, «холодной» (фигура 3) пружиной. Последний тип несколько сложнее, но предпочтительнее первого, т. к. нахождение пружины под действием вы-.

Фигура з. соких Г ведет к изменению структуры стали И механических качеств пружины. Пружи-ну делают в настоящее время всегда двойной для избежания возникновения изгибающего момента под действием несимметричной нагрузки штока ординарной пружиной. Пружины делают как для работы на сжатие (фигура 1), так и на растяжение (фигура 3).

В большом употреблении пружины Кросби (фигура 3)с шариком на соединительной части обеих ветвей, которым она соединяется со штоком; эта конструкция позволяет значительно облегчить шток поршня. Из особых конструкций поршня заслуживает внимания система Розенкран-ца (фигура 4); в ней поршень состоит из ряда дисков, соединенных штоком, причем последний продолжен внизу и служит направляющим; эта система обладает всеми достоинствами лабиринтового сальника и не коробится от разницы έ°, как обычные поршни П- и Н-образных сечений. Для того, чтобы один и тот же индикатор мог быть использован для индицирования различных машин, его снабжают несколькими сменными пружинами, причем, конечно, соответственно меняется вертикальный масштаб диаграммы. Дальнейшее увеличение пределов применимости И. достигается употреблением вставных цилиндров с поршнями других диаметров; обычно площадь вспомогательного поршня берут в простом отношении к площади нормального. Обозначая отношение площадей нормального поршня F к добавочному через х, мы должны в κ раз увеличить максимальное индицируемое давление ивк раз уменьшить масштаб каждой пружины.

Существенной частью И. является барабан; он приводится обычно в переменновозвратное вращательное движение от передаточного механизма, связанного обыкновенно с крейцкопфом индицируемой машины; передача совершается при помощи особого шнура. На барабан в каждый момент действуют следующие силы (все—приведенные к средней окружности витка шнура на барабане радиуса г): а) сила натяжения шнура S; б) натяжение пружины, равное К₀+К_1У, где К₀—первоначальное натяжение ее, К_г— постоянная пружины и у—линейное перемещение средней окружности витка; в) сила инерции барабана, равная -_г - ~, где 1—момент инерции массы барабана, равный mr² (m—масса, отнесенная к средней окружности), а а—угловое перемещение барабана;

г) сила трения ρ. Замечая, что у=га, имеем следующее дифференциальное ур-ие движе-ния барабана:

Фигура 4.

S-K₀-K_iy-m^±Q=0. (6)

Перемещение у_х механизма, приводящего барабан во вращение, связано с перемещением барабана следующим уравнением:

V-Vi-*S, (7)

где L—длина шнура, Е—модуль упругости его (при малых усилиях индикаторный шнур подчиняется закону Гука); подставляя в ур-ие (7) величину S из ур-ия (6) имеем:

у-Уг-ЦК+Кд + т&±е). (8)

В первом приблшкении можно принять, что у=у₁ и крейцкопф совершает гармонии, колебания, т. e. y_x=l sin (со_xt), где I—ход барабана и ω_χ—угловая скорость индицируемого двигателя; отсюда

= - ίωi sin (cuji)=- (о“У!;

подставляя это выражение в ур-ие (8), получаем окончательно:

y=y₁(l + ^L™o>z)^(K₀ + K₁y±g). (9)

Из ур-ия (9) видно, что силы инерции барабана при условии гармонии, колебания крейцкопфа не нарушают пропорциональности перемещений барабана и крейцкопфа; первоначальное натяжение пружины несколько смещает всю диаграмму в сторону; переменное натяжение обусловливает то, что масштаб абсцисс меняется по длине диаграммы; наиболее вредным оказывается по причине знакопеременности трение, поэтому его следует по возможности уменьшать.

Описанные системы И. служат для получения замкнутых однократных диаграмм нормального типа. Иногда, в частности для изучения процессов регулировки, является желательным снять целый ряд диаграмм т. о., чтобы они не покрывали друг друга, как это имеет место при нормальных И. Для этого И. снабжают специальным барабаном (фигура 5); он укрепляется на месте нормального барабана и также приводится шнуром в переменновозвратное вращательное движение. Индикаторная бумага в длинном ролике а помещается Фигура 5. внутри барабана; она проходит сначала между двумя роликами 1 и 2, из которых первый укреплен на рычажке б и призкимается пружиной в, затем бумага огибает снаружи барабан и, про Идя по ролику 3, наматывается на валик г; последний в конце каждого двойного хода храповым механизмом поворачивается на нек-рый угол, так что новая диаграмма начинается казкдый раз несколько отступя по горизонтали от предыдущей. Иногда является желательным получить абсциссы пропорциональными не перемещению поршня двигателя, • а углу вращения коренного вала. В этом случае вращение коренного вала передается особому барабану, непрерывно продвигающему бумажную ленту под карандашом И. Для определения положения мертвых точек (МТ) поршня на И. укрепляют электрич. аппарат, отмечающий моменты прохождения кривошипа через мертвые положения; иногда пишущий рычаг этого приспособления делают колеблющимся, и тогда, зная часто ту его колебаний, можно пользоваться этими отметками также и при изучении протекания процессов во времени; диаграмма этого типа дана на фигуре 6. Иногда И. снабжают интегрирующим приспособлением, дающим непосредственно сумму работ, совершенных двигателем за из- мт мт мт меренное число цик- Фигура 6.

лов. Принцип действия интегрирующего И. системы Ветхера виден из фигура 7. Интегрирующий механизм состоит из колесика а, укрепленного в рамке б и прижимаемого пружиной в к верхней плоской поверхности индикаторного барабана з. Вращение колесика передается счетному механизму; рамка б соединена рычажным механизмом д, е и ж со штоком И. так, что при атмосферном давлении колесико прикасается к цилиндру на расстоянии г₀ от центра последнего, а при перемещениях штока И., соответствующих давлениям свыше атмосферного,приближается к центру, причем величина перемещения г₀—г пр опор циональна перемещению поршня И. Отбрасывая погрешности и полагая, что перемещения поршня И. пропорциональны давлениями углы вращения барабана—пути поршня индицируемого двигателя,получаем:

Р=С_Х (г₀ - г), ds=С₂ da, (10)

где р—какое-нибудь давление в цилиндре двигателя, ds—бесконечно малое перемещение поршня двигателя, da—соответствующий (по времени) бесконечно малый поворот барабана И., а С_х, С₂—постоянные для данного И. и способа передачи. Работа dA, совершенная двигателем на пути поршня ds, равна:

dA=F р ds

(F—площадь поршня двигателя); подставляя значенияри ds изур-ий (10), получаем: dA=FC_tC₂ (r₀ -г) da. (11)

Обозначая давления в цилиндре двигателя в течение переднего (рабочего) хода поршня через Pi =О₁(г₀ —зу), а при обратном ходе р₂=С_х(т₀ — г₂), получаем индикаторную работу за один цикл:

s о s s

A=Fjp_ids + Fjp_sds=Fjp₁ds—Fjp₂ds, (12)

о S о о где S—ход поршня. Угол поворота β колесика пропорционален углу поворота барабана и расстоянию колесика от центра последнего, то есть

άβ=C₃r da.

Т. к. при замкнутом цикле колесико проходит каждую абсциссу диаграммы дважды— один раз в прямом и другой раз в обратном направлении, то общий угол поворота колесика за цикл:

а о а а

/S=C_a[Jr₁ da + Jr₂ da^C^j^da—JY₂da].(13)

О a 0 0

Фигура 7.

Подставляя в уравнение (12) значения р и ds из уравнений (10), имеем:

а а

А=FC-fi“, [ (г₀ - r_±) da- j (r₀ - r₂) da]=о о а а

= -i^,C₁C₂[/r₁da-J’r₂da] ;

О О

подставляя сюда вместо разности интегралов ее значение из ур-ия (13), равное, имеем окончательно за один полный цикл

Α=—.ββ=Κβ, (14)

Оз то есть угол поворота колесика прямо пропорционален работе двигателя за один цикл; ясно, что если индицирование распространено на несколько циклов, то общий угол

Фигура 8.

поворота колесика будет пропорционален работе, совершенной за эти циклы: При этом следует, однако, иметь в виду, что уравнение (14) справедливо лишь для целого числа полных циклов; поэтому при индици-ровании малого числа оборотов двигателя надо принять меры к тому, чтобы И. был пущен в ход и остановлен в одной и той же точке цикла.

Все описанные выше системы И. пригодны лишь для индицирования двигателей с плавной диаграммой и небольшими чи оборотов. Значительное распространение легких двигателей внутреннего сгорания с резко изменяющимися давлениями и большими чи оборотов (в современных моторах гоночных машин до 7 000 об/м. ^ и выше) вынудило создать И. специальных конструкций с преимущественным применением оптических или электрич. систем регистрации. Одним из действительно быстроходных механическ. И. является И. со стержневой пружиной, изображенный на фигуре 8; легкий поршень а опирается на сферич. конец стержневой пружины б, укрепленной в станине И.; перемещения поршня передаются пишущим механизмом в (прямило Кросби) на барабан г. Собственное число колебаний этого индикатора равно: с пружиной 1 миллиметров—1 atm: 30 000—40 000 кол/м.; 2 миллиметров— 1 aim: 21 000—28 000 кол/м.; 0,5 миллиметров—1 aim: 42 000 — 55 000 кол/м.; т. о., он м. б. при

Фигура 9.

меняем с первой пружиной до 2 500 об/м., со второй—до 1 750 об/м. и с третьей—до 3 500 об/м. В микроиндикаторе системы Мадера совершенно отсутствует передаточный увеличивающий механизм (фигура 9); перемещения поршня а, нагруженного спиральной пружиной б, передаются непосредственно рычажку в с карандашом; последний прижимается к штоку слабой пружиной г и совершает под действием особого приводного механизма е поперечное движение, причем пути его пропорциональны путям крейцкопфа индицируемого двигателя. Укрепленное в головке д рычажка острие чертит диаграмму на закопченной стеклянной или на целлюлоидной пластинке; получающаяся диаграмма весьма мала (не более 2x2,3 миллиметров), так что дальнейшая обработка ведется под микроскопом. Последнее обстоятельство, в связи с тем, что число собственных колебаний не очень велико (применение спиральной пружины), сильно ограничивает распространение И. этой системы. Другой микроиндикатор, системы Коллинса, изображен на фигуре 10; здесь давление поршня а передается непосредственно на плоскую стальную пружину б, имеющую форму тела равного сопротивления. К концу пружины прикреплен легкий рычажок в, снабженный на конце острием, царапающим диаграмму на целлюлоидной пластинке, натянутой на цилиндрический сектор а. Максимальный ход поршня равен 0,8 миллиметров, соответствующее перемещение острия—3 миллиметров. И. пускается вход боуденовским шнуром д и снабжен электрическим приспособлением е, отнимающим острие от диаграммы по истечении одного целого цикла. В виду жесткости и большой частоты колебаний пластинчатой пружины, этот И.пригоден для больших чисел оборотов.

Фигура 10.

Общая принципиальная схема оптич. И. изображена на фигуре 11: перемещения стержня а, соединенного со штоком поршня (или с мембраной) И., пропорциональные давлениям, через посредство рычага б сообщают зеркалу в отклонения, которые также пропорциональны давлениям в цилиндре И. Вся рамка г с сидящим на ней зеркалом вращается вокруг вертикальной оси д, причем углы поворота рамки пропорциональны перемещениям поршня индицируемого двигателя. Луч света от лампы е отбрасывается зеркалом и проектируется на матовый экран ж.

При небольших значениях углов отклонения зеркала перемещения световой точки на экране пропорциональны: по оси абсцисс— перемещениям поршня, а по оси ординат— давлениям, то есть на экране появляется нормальная индикаторная диаграмма, которая м.б. рассматриваема невооруженным глазом или их является громоздкость и значительная восприимчивость к механич. толчкам и колебаниям индицируемого двигателя.

В последнее время учащаются попытки применить для целей передачи в И. переменный ток. На фигуре 13 изображен И. системы Юиши Обата (Токийский ун-т), а на фигуре 14— его включение в цепь осциллографа. Конструкция и принцип действия И. очень просты: рабочей частью является толстая стальная мембрана а (2—3 миллиметров толщ, и 50 миллиметров 0), полость под которой сообщается с рабочим цилиндром индицируемого двигателя. Над мембраной на небольшом расстоянии прикреплен диск б, изолированный от корпуса И. Нижняя часть И. сделана в виде охлаждающей камеры, в которую пропускается вода. Принцип работы И. заключается в том, что мембрана а и диск б используются в качестве двух обкладок конденсатора С, включенного в колебательный контур CL небольшого лампового генератора. Изменение расстояния между обеими пластинками меняет емкость конденсатора, а следовательно,

снята на фотография, пластинку. Практич. выполнение оптического И. системы Берстол (Burstall) дано на фигуре 12. Поршень а опирается штоком непосредственно на пластинчатую пружину б в виде тела равного сопротивления, несущую на конце зеркальце в Последнее отбрасывает луч света, посылаемый лампой г на зеркало д, к-рое сообщает .тучу требуемое отклонение по оси абсцисс; для этого оно укреплено на оси е, вращающейся в шарикоподшипниках и приводимой в переменно-возвратное вращательное движение сектором ж.

Отраженный вторично луч падает на матовый экран з, заменяемый при желании кассетой ^фиг· ¹³·

с фотографическ. пластинкой. Цилиндр и и кран И. к охлаждаются водой. Хотя И. этого рода и обладают большой чувствительностью и собственная частота колебаний, вследствие использования лишенного массы пучка света в качестве рычага, весьма высока, но недостатком

и настройку колебательного контура, вызывая тем самым колебания в анодной цепи генератора, которые после усиления в усилителе передаются на самопишущий осциллограф О. Т. к. частота собствен, колебаний мембраны была определена в 480 000 кол/м. для 2-мм диафрагмы и в 720 000 кол/м. для 3-мм, то при помощи этого индикатора возможно индицирование весьма быстроходных двигателей. Крупным неудобством, однако, является трудность тарирования его, то есть перевода ординат осциллограммы в давления, так как большое количество промежуточных звеньев сильно влияет на передаточный коэфф. Поэтому И. этой системы пригодны более для качественного, чем количественного, изучения процесса работы двигателя. Равным образом, были попытки применения пьезокварца в качестве модулятора электрических колебаний, воспринимаемых затем после соответственного усиления осциллографом или регистрирующим струнным гальванометром.

Фигура 14.

На совершенно ином принципе основан ряд индикаторов для быстроходных двигате-лей, в которых конструкторы заранее отказываются от вычерчивания индивидуальных диаграмм, а прибегают к вычерчиванию средних диаграмм за целый ряд циклов. К И. этого типа относятся И. систем Юхаца (К. J. Juhasz) и Британского аэродинамич. ин-та (Royal Aircraft Establishment). В И. сист. Юхаца для записи служит обыкновенный механич. И., присоединенный к мотору помощью особого приспособления, к-рое сообщает пространство под поршнем И. лишь на весьма короткое время с полостью индицируемого цилиндра. Между началами двух смежных открываний соединительного канала между мотором и И. (заполненного маслом для более быстрой передачи давления) проходит промежуток времени

^Т=(¹⁺»)^Т-

где —время одного оборота индицируе мого двигателя; барабан И. двигается от того же приспособления с ^ скорости, соответствующей действительному числу оборотов двигателя. Т. о., карандаш И. за один оборот двигателя отмечает лишь давление, существовавшее в некоторой точке хода поршня; при следующем обороте он отметит уяда давление не в этой, а в другой точке,

лежащей на ^ оборота впереди; т. к. за это время барабан переместится на угол, соответствующий I оборота, то давление опять будет отмечено на должной абсциссе, и через п или 2п оборотов (для двух- и четырехтактных двигателей) будет окончена одна полная диаграмма, представляющая собой до известной степени среднюю за истекшие п или 2п оборотов. Понятно, что при этом способе правильная диаграмма м. б. получена лишь при вполне установившейся работе двигателя. В виду того, что все движения И. при этом замедлены в п раз, влияние инерционных сил

Фигура 15.

практически равно нулю. И. Британского аэродинамич. ин-та изображен на фигуре 15, общая схема установки—на фигура 16.

В цилиндре а И. помещается весьма легкий клапан б, опирающийся с обеих сторон на клапанные седла в, в Верхняя часть цилиндра сообщается с цилиндром индицируемого двигателя, а нижняя через патрубок з—с цилиндром пишущего приспособления д и с резервуаром, в к-ром в течение опыта давление понижается от максимального, достигаемого в цилиндре мотора, до атмосферного или, в случае необходимости, и ниже последнего. В цилиндре ходит поршень е, находящийся под действием пружи ны ж и снабженный штоком, на к-ром укреплено металлич. острие з, соединенное с одним концом вторичной обмотки трансформатора н. В нижнем положении вентиль прикасается к штифту к и т. о. замыкает цепь батареи л через первичную обмотку трансформатора м. Каждый раз как клапан б, поднимаясь или опускаясь, размыкает или включает ток в первичной обмотке трансформатора, во вторичной индуктируется толчок тока, ведущий к искровому разряду между острием з и барабаном и, включенным в цепь вторичной обмотки посредством контакта о. Барабан и с натянутой на нем тонкой бумагой совершает вращательное движение с угловой скоростью коренного вала индицируемого двигателя. Поршень е медленно следует изменению давления в резервуаре с сжатым воздухом, и его положение всегда соответствует величине давления в цилиндре д и нижней части цилиндра а И. Каждый раз как давление в рабочем цилиндре двигателя, возрастая или убывая, уравнивается с давлением в нижней части цилиндра а, клапан б замыкает или размыкает ток в первичной обмотке трансформатора, и на соответствующем месте бумазкной полосы, натянутой на барабан и, пробивается искрой небольшое отверстие. После того как давление в резервуаре упадет ниже наименьшего давления в цилиндре двигателя, на бумажной полосе рядом точек будет вычерчена полная (развернутая) индикаторная диаграмма. Т. к. в И. этой системы единственной деталью, совершающей переменно-возвратные движения, является очень легкая тарелка клапана, путь которой к тому же равен всего ~0,8 миллиметров, то влияние сил инерции моягно практически считать исключенным.

Установка И. Правильность показаний И. в значительной мере зависит от надлежащего присоединения его к индицируемому двигателю и от устройства и установки приводного механизма для передачи движения барабану И. Общими принципами, которыми следует руководствоваться при проектировании индикаторных гнезд, являются следующие: канал, сообщающий внутреннее пространство цилиндра, должен быть по возмояшо-сти короток, не иметь внезапных изменений направления и сечения; не доля-ген ни при каких положениях частей двигателя закрываться поршнем или какой-либо деталью распределительного механизма; в двигателях внутреннего сгорания должен быть достаточно хорошо проветриваем, чтобы в нем не могли собираться догорающие газы; в насосах не доляген допускать возмоншости образования воздушных мешков, а в паровых машинах должен иметь небольшой уклон для стока конденсационной воды в цилиндр двигателя. В малых двигателях и в поршневых машинах с очень малым вредным пространством (компрессоры) добавочное вредное пространство, получающееся вследствие присоединения к объёму цилиндра дополнительного объёма И., может совершенно исказить действительные условия работы. В этих случаях при малом числе оборотов (действительном или фиктивном, как в И. системы Юхаца) моягно помочь этому, заполняя всю полость соединительного канала и И. жид-

костью. Способ снимания одним И. диаграмм одновременно на обеих сторонах парового цилиндра помощью длинной трубки и трехходового крана, соединяющего И. попеременно с одной и другой стороной цилиндра, ведет к грубым погрешностям вследствие значительного увеличения вредного пространства, инерции масс пара, находящихся в трубке, и мятия пара при прохождении через загибы трубки и трехходовой кран. Хотя правильность работы И. не зависит от положения последнего, но принято за правило в паровых машинах ставить его вертикально вверх для облегчения удаления конденсата из цилиндра И., а при индицирова-нии насосов—наклонно вниз, чтобы воздух, попавший в цилиндр И., выходил из него и не образовывал воздушного мешка.

Нормальным способом приведения в движение барабана является применение ходо-уменыпителя рычажного или роликового типа, получающего движение от крейцкопфа, штока или поршня машины. Наиболее точным является рычажный ходоуменыпитель, однако, его конструкция и установка требуют также известного внимания, чтобы углы поворота барабана, а следовательно, и абсциссы индикаторной диаграммы были

действительно пропорциональны путям, проходимым поршнем. Условием, достаточным для правильного действия передаточного механизма, является соблюдение закона механического подобия части, воспринимающей движение, и части, передающей его дальше. На фигуре 17 изображены 4 рычажных ходо-уменынителя, удовлетворяющих этому условию и дающих вполне точную пропорциональность между перемещениями ползуна а и крючка б для индикаторного шнура; понятно, что шнур должен двигаться по одной прямой с направлением движения крючка б, т. к. в противном случае в виду конечной длины шнура угол между шнуром и направлением движения будет изменяться^ при движении и, т. о., пропорциональность будет нарушена. Коэфф. ходоуменынения v равен коэфф-ту механич. подобия, то есть отношению линейных размеров двух любых подобных частей механизма (в дальнейшем мы считаем всегда меньшей части к большей, т. e. v < 1). Роликовый ходоуменыпитель, пользующийся значительным распространением, состоит из большого легкого барабана, на который навивается шнур, прикрепленный непосредственно к крейцкопфу; этот барабан сидит на одном валу с малым роликом, на к-рый наматывается шнур, приводящий в движение И. В большом барабане помещается спиральная пружина, служащая для натяжения шнура; "маленький ролик делают сменным, различных диаметров, для того чтобы при различных ходах поршня индицируемого двигателя получить оптимальную длину индикаторной диаграммы. Коэфф-т ходоуменынения равен отношению диаметров ролика и барабана. Роликовые ходоуменыни-тели, в виду их значительной массы и затруднений при надевании шнура непосредственно на двигающийся с большой быстротой стержень крейцкопфа, обычно не применяются при числах оборотов свыше 500 в мин. При индицировании двигателей внутреннего сгорания, не имеющих штока и крейцкопфа, с механизмом, часто совершенно закрытым в картере, приходится осуществлять привод барабана И. от какой-либо части двигателя, вращающейся со скоростью коренного вала и жестко с ним связанной. При этом, однако, необходимо, чтобы механизм, превращающий вращательное движение в переменновозвратное, был механически подобен кривошипно-шатунному механизму двигателя и, в частности, чтобы отношение длины шатуна к плечу кривошипа было одинаковым как у двигателя, так и у приводного механизма. В настоящее время часто уже при проектировании двигателей предусматривают приводный механизм для индикатора.

Испытание И. Как всякий контрольный прибор, И. должен от времени до времени подвергаться проверке. Проверяют отдельно правильность работы передаточного (регистрирующего) механизма И., то есть пропорциональность отклонений карандаша и перемещений поршня И., и масштаб индикаторной пружины в горячем или в холодном состоянии; попутно определяют величину трения W, выраженную в единицах давления. Наиболее существенным является а б определение масштаба Фигура 18.

пружины И., к-рое производят в специальных аппаратах, подобных изображенным на фигуре 18. Нагрузка совершается грузами, тарированными таким образом, что каждая гиря соответствует давлению 0,5 atm или 1,0 atm на нормальный поршень (при поршне в 20 миллиметров— ~ и

π кг, при поршне 20, 27 миллиметров—соответственно 1,613 и 3,226 килограмм). Для испытания пружин на сверхдавление И. ввинчивают в нижнее гнездо перекладины (фигура 18, а) и последовательно нагружают через 1 или 0,5 atm, смотря по масштабу пружины, причем каждый раз проводят вращением барабана горизонтальную черту на натянутой на нем бумаге; после полной нагрузки совершают таким яге порядком разгрузку, отмечая снова положения карандаша. Для определения масштаба пружины при вакууме И. ввинчивают в верхнее гнездо перекладины (фигура 18, б) и нагруягают гирями, соответствующими давлениям 0,1 atm. По окончании испытаний снимают бумагу с отметками и определяют средний масштаб одним из

следующих 4 способов. Обозначим давления Pi, р₂,., р_п, соответствующие им ординаты, полученные при нагрузке, через h[, h_n

а при разгрузке—h", hi

h". Средняя величина трения механизма И., выраженная в ординате диаграммы:

_ (Л, — 7ц) + (fog ~ Тц) + · · · ~t~ (Τιγι — hft) (15)

^w 2 n

Определяем средние ординаты h _ Μ + ^ί. hz + hi _t

^ηι--у—» h ⁼ “—9 9 ·· ^Пп ⁼

Tin

тогда средний масштаб ординат μ, то есть величина ординаты, соответствующая давлению 1 atm

или

μ

или или

h₃— ho.

Рз — Рг * *

7Цг~~ ТЦг-Л Vn~Vn- )

> (16)

iii -Ь Τι₂Η-----1- h«

Pi + P₂ H-----bP n i

При правильно работающем И. величины μ, вычисленные по этим четырем методам, различаются мея-сду собой весьма мало (0,1— 0,3 %); более сильные расхождения указывают на неисправное состояние И. При работе И. с внутренней (горячей) пружиной вследствие изменения t° изменяются диаметр поршня и размеры пружины, а также и модуль упругости; т. о., тарировка этих И., произведенная в холодном состоянии,

может сильно расходиться с действительными показаниями аппарата при высокой ί°. Для возможности испытания И. в условиях, близких к их нормальной работе, аппараты для испытания снабжают доба вочным патрубком, позволяющим производить обогревание И. паром, получаемым из небольшого котла, или же производят нагрузку поршня не грузами, а непосредственно паром, получаемым в особом котле а (фигура 19); котел нагревается газовой горелкой б и снабжен обычной арматурой; манометр в, служащий для определения величины действительного давления в котле, должен быть особенно точным. Тарировку производят тем же способом, что и выше, путем постепенного нагревания и охлаждения котла. Для измерения ί° внутри И. удаляют крышку и заменяют ее термометром особой конструкции. При отсутствии возможности та- ф_ИГ. ₂о. рировать И. в горячем ср-стоянии можно воспользоваться следующей ф-лой, дающей зависимость между масштабами холодного и горячего (μ и μ·,) И. в зависимости от темп-ры t внутри последнего:

μ₁=μ [1 +0,0004(4-20)].

Считая среднюю 1° внутри И. при индици-ровании паровой машины ок. 120°, имеем μ_χ= 1,04 μ, то есть ошибка достигает 4%. Для проверки правильности работы пишущего механизма независимо от пружины служит прибор, состоящий из микрометрич. винта, гайка которого ввинчивается в гнездо И., а винтом, после удаления пружины, поднимают поршень И. на определенную величину и отмечают соответственное полоясение карандаша. Зная фактический ход поршня и измеряя соответств. передвижение карандаша, проверяют степень пропорциональности обоих движений при различных полоясе-ниях поршня. Для той же цели служит набор втулок различной длины с нарезками на концах, одинаковыми с нарезками гнезд индикаторных пружин (фигура 20); ввинчивая их последовательно вместо пружины, заставляют поршень принимать различные, строго определенные полоягения.

Индикаторная диаграмма. Нормальная индикаторная диаграмма (фигура 21) представляет собой, после учета и исправления всех ошибок, в соответственном масштабе кривую давлений в рабочем цилиндре машины в зависимости от положения крейцкопфа или, что то же, поршня. Работа поршня двигателя простого действия на бесконечно малом участке пути ds, на котором давление р можно считать постоянным, <Д1=

= F-p-ds (где F—площадь поршня двигателя), или за один рабочий цикл:

A=F

S ¹ о

jp₁ ds + f p₂-ds

° s

= F

- s s

S Pi-ds-Jpt-ds

0 β

а т. к.=—, as=“, где v—коэффициент ходоуменьшения, то

А

F

μ·ν

J TJxdx — J у Αχ

= ~· (/ι-/₂), (17)

где /_х—площадь, ограниченная верхней кривой диаграммы и двумя крайними ординатами, а /₂—площадь, ограниченная нижней кривой и теми же ординатами; называя площадь самой диаграммы через и замечая, что f=имеем окончательно:

4“·/· (18)

Из ф-лы (18) видно, что площадь диаграммы выражает собой в известном масштабе работу двигателя за один .рабочий цикл. При этом, однако, надо всегда иметь в виду, что площадь эта получена как разность площадей при прямом и обратном ходе поршня; т. о., площади петель а на диаграммах 5, 6, 7, 24 (смотрите таблицу) должен быть вычтены из площади остальной части диаграммы. Для вычисления мощности двигателя бывает удобнее заменить индикаторную диаграмму фиктивной, представляющей собою прямоугольник с основанием S, равным ходу поршня, и с постоянной высотой, равной р_г—с реднему индикаторному давлению; тогда работа поршня за один цикл

А=F S _Vi. (19)

Мощность двигателя L равна работе, со-

• А

вершаемой им в единицу времени, т. e. L= у, где Т—продолжительность одного цикла в секунду, равная — _ ₂, п—число оо/м. ма-

шины, a m—общее число ходов поршня за один цикл. Подставляя эти выражения в уравнение (19) и приводя единицы к кгм/ск, имеем:

Ь=8Ш-^р-⁸-Р<’ (2°)

где S—в м, F—в см², р_г—в кг/см², п—об/м. Называя υ=—средней скоростью поршня, получаем окончательно мощность .№_г в ЬР:

(²¹>

Все приведенные ф-лы относятся к двигателям простого действия; двигатели двойного действия, например обыкновенная паровая машина, должен быть рассматриваемы как два двигателя простого действия, сидящие на общем штоке; мощность ее получается суммированием мощностей отдельно для передней и задней полостей цилиндра. На фигуре 22 (стрелки внутри диаграмм обозначают направление прохождения цикла) изображены нормальные индикаторные диаграммы паровой ма-,шины (а), четырехтактного двигателя Дизеля (б), двухтактного двигателя Дизеля (в), четырехтактного газового двигателя (г), водяного насоса (д) и компрессора (е). Эти диаграммы отражают в себе все происходящие в цилиндре двигателя процессы (отдельные фазы обозначены следующими цифрами: ί—наполнение, 2—засасывание, 3—горение или, 4—расширение, 5—выталкивание и 6—сжатие). В четырехтактных двига телях внутреннего сгорания часть нормальной диаграммы, относящаяся к перйоду выталкивания сгоревших газов и засасывания смеси, настолько сжата по высоте в виду незначительности возникающих при этом давлений, что она не дает никаких указаний относительно работы органов распределения

Фигура 22.

за эти две фазы. Для получения ясной картины хода этих процессов снимают диаграмму со слабой пружиной; при этом верхняя часть не выходит совершенно, так как шток поршня И. упирается своим ободком в ограничитель хода, зато нижняя часть диаграммы выступает очень рельефно и дает возможность проверить продувку цилиндра. Равным образом на нормальных индикаторных диаграммах двигателей внутреннего сгорания нельзя с достаточной степенью точности проследить процессы, протекающие около мертвых точек, в виду малой скорости поршня, а следовательно, и сильной сжатости абсцисс диаграммы по времени. Путем снятия т. н. с м е щ е н н ы х диаграмм (фигура 23) можно с достаточной точностью исследовать процессы воспламенения и горения, протекающие «

вблизи мертвого по- [Шж. ложения поршня. /#

Для получения та- J

кой диаграммы необ-ходимо движение ба-

рабану И. сообщать --

не от поршня или ф_Иг. 23.

связанной с ним детали индицируемого двигателя, а от ползуна, приводимого в движение от коренного вала кривошипно-шатунным механизмом с углом опережения в 90° относительно кривошипа индицируемого цилиндра. В многоцилиндровых двигателях с кривошипами под 90° для этой цели м. б. использован другой цилиндр, иначе неизбежно устройство специального приводного приспособления. Описанные выше роды диаграмм носят название замкнутых;® них только нормальная пригодна для вычисления мощности двигателя непосредственно по ее площади.

Диаграмма

итступление от нормы и причина

Скругление резких переходов и отставание всех процессов: сильное мнтие пара как следствие длинных и узких каналов между И. и цилиндром машины

Часть диаграммы по длине срезана: индикаторный шнур слишком длинен; барабан упирается в ограничитель хода до того, как успеет совершить полный ход

Отсутствие закруглений при переходах линий; колебания поршня не располагаются по обе стороны линии равномерно: сухое трение поршня И. или попавший в цилиндр И. песок

Диаграмма прервана в двух местах по высоте: карандаш выступает слишком далеко назад и задевает за рычаги пишущего механизма

Диаграмма образует петлю в конце линии сжатия: слишком высокое сжатие, обусловленное ранним закрытием паровыпускного канала

Диаграмма образует петлю в конце линии расширения: общая степень расширения слишком велика для данной машины, период впуска пара слишком мал

Диаграмма образует петлю в начале линии выпуска (машина с конденсацией): противодавление выпуска очень велико, значительное мятие при выпуске или плохой вакуум

Диаграмма

Отступление от нормы и причина

Линии сжатия и расширения проходят много ниже нормальных, причем разница постепенно возрастает: утечка пара через весьма неплотный выпускной орган

В конце линии сжатия имеется петля—линия расширения пересекает нормальную: сжатие начинается слишком рано, впуск и выпуск—слишком поздно, паровпускной орган неплотен

Сильное искажение индикаторной диаграммы вследствие ошибки в установке эксцентрика: все процессы сдвинуты в направлении запаздывания

Быстрое падение давления в период впуска, линия выпуска лежит частью ниже нормальной: влияние инерции паровых масс во впускной и выпускной трубах

Линия расширения вначале идет ниже теоретической, под конец—выше, линия выпуска выше нормы: неплотный поршень машины, перепускание пара из соседней полости цилиндра

Линии расширения и сжатия лежат по всей длине ниже соответствующих адиабат: небольшая неплот ность парораспределительного органа; цилиндр все время сообщается с выпуском

Линия сжатия проходит выше нормальной, в начале линий впуска и выпуска имеются острые углы: впуск открывается, а выпуск открывается и закрывается слишком рано числу оборотов и размерам двигателя. Для специальных исследований бывает иногда желательно по оси абсцисс откладывать не положения поршня, а другие величины, связанные с работой двигателя, например угол поворота коренного вала. В этом случае диаграмма примет вид, изображенный на фигуре 6. Другие разновидности открытых диаграмм м. б. получены, если диаграммной бумаге дать постоянную скорость движения (диаграмма: давление—время), если перемещение бумажной ленты сделать пропорциональным сумме перемещений поршня, откладываемых все время в одном направлении (открытая диаграмма: давление—путь поршня), и т. д.

В паровых машинах с несколькими ступенями расширения (или сжатия—в компрессорах), в которых одно количество пара работает последовательно в нескольких цилиндрах, для исследования суммарной работы данного количества пара при прохождении через машину прибегают к так называемым ран-кинизированию диаграмм. Для этого перечерчивают индикаторные диаграммы последовательно проходимых паром сторон цилиндров машины (напр‘ передней стороны цилиндра высшего давления, задней стороны цилиндра среднего давления и передней стороны цилиндра низкого давления), приведя их к одному вертикальному масштабу и изменяя горизонтальный масштаб пропорционально объёмам отдельных цилиндров

(фигура 24). Измененные т. о. диаграммы вычерчивают вместе, на общих осях координат, причем абсциссы мертвых точек впуска делают равными величинам вредных пространств соответственного цилиндра в принятом для него масштабе объёмов. Обыкновенно для сравнения общей работы данного объёма пара с т. н. теоретической проводят адиабату, изображаемую равнобочной гиперболой и ограничивающую теоретическую индикаторную диаграмму. Для построения этой линии достаточно, кроме осей координат, являющихся ее асимптотами, знать одну ее точку. Существует несколько способов отыскания ее: 1) если известен расход пара на один цикл, то, вычисляя его объём при начальных условиях впуска в цилиндр высокого давления, откладывают его в соответствующих координатах; 2) берут наглаз или по диаграмме парораспределения точку конца впуска в цилиндр высокого давления и проводят гиперболу через нее. Отношение суммы площадей ранки-

низированных диаграмм к площади, ограниченной давлением впуска, адиабатой, наибольшим объёмом занятого паром пространства в цилиндре низкого давления и обеими осями координат, называется коэфф-том полноты диаграмм и служит до известной степени мерилом использования энергии пара в машине. Строго говоря, ран-кинизирование применимо лишь для того случая, когда одно количество пара, не увеличиваясь и не уменьшаясь, протекает через несколько цилиндров; т. о., для машин с большими ресиверами ранкинизирование является приближенным способом. Как видно из вышесказанного, индикаторная диаграмма является действительным средством для выяснения ошибок и неисправностей функционирования двигателей. В приводимой таблице дан ряд примерных индикаторных диаграмм, взятых из практики, с указанием их отступлений от нормальных и причин, вызвавших эти неправильности.

Лит.: Грамберг А., Технич. измерения и испытания машин, т. 1, вып. 5—Индикатор, пер. с нем.,

M., 1926; БерштадскийЛ. Я., Руководство при практич. пользовании индикатором, счетчиком мощности и регистратором нагрузки, М„ 1926; Хедер Г., Индикатор, пер. с нем., М., 1903; Brand J. и. Seufert F., Technische Untersuchungsmethoden z. Betriebsiiberwachung, 5 Aufl., B., 1926; S t a и s A., Der Indikator u. seine Hilfseinrichtungen, B., 1911; H a e d e r H., Der Indikator u. die Kraftanlage, 3 Aufl., B., 1928; Wilke W., Der Indikator u. das Indikatordiagramm, Lpz., 1916 (им. лит. до 1915 г.); L о w F. R., Steam Engine Indicator, N. Y., 1910; «Z. d. YDI», 1921, B. 65, p. 973; ibid., 1922, B. 66, p. 298, 326, 740; ibid., 1923, B. 67, p. 814; ibid., 1924, B. 68, p. 477, 811; «Ztschr. f. Instrumentenkunde», B., 1928, B. 48, p. 14; «Mechanical Engineering»,

N. Y., 1927, v. 49, p. 543, 1312; «Engineering», L., 1927, V. 124, p. 253; ibid., 1922, v. 113, p. 716; ibid., 1923, y. 115, p. 31, 210; «Automotive Industries», Philadelphia, 1921, v. 45, p. 471; ibid., 1928, V. 59, p. 78; «Automobile Engineer», L., 1923, v. 13, p. 150, 250; «Auto-Technik», B. 1923, Jg. 12, p. 19, 23; ibid.,

1927, Jg. 16, 16, 19, 20, 22; «Mechanical World», Manchester, 1928, V. 83, p. 400, 436; «Motorwagen», B, 1923, Jg. 26, p. 88; ibid., 1928, Jg. 31, p. 10; «Autocar», L., 1924, v. 53, p. 1023; «Motorsbip», L., 1924, v. 5, p. 256; «Forschungshefte der Auto-Technik», B., 1925, H. 2; «Technical Report of the Aeronautical Research Committee for the Year 1926/27», London,

1928, p. 137; «Oil Engine Power», Washington, 1928,

y. 6, p. 815. Л. riaanyuiHOB.