6.2 Размерно-подобные ряды

Показатели размерно-подобных машин зависят от геометрических Размеров машины и от параметров рабочих процессов.

Для сохранения полного подобия машин различных размеров необходимо соблюсти, во-первых, геометрическое подобие (рис. 10), а во-вторых, подобие рабочего процесса, т.е. обеспечить одинаковость параметров энергетической и силовой напряженности машин в целом и их деталей.

Рис. 10. Размерно-подобный ряд поршневых двигателей

Критерии подобия разработаны для большинства типов машин и рабочих процессов. Например, для двигателей внутреннего сгорания главные условия подобия:

• равенство среднего эффективного давления pе, зависящего от давления и температуры смеси на всасывании;

• равенство средней скорости поршня (S - ход поршня, n - частота вращения двигателя) или, что то же самое, равенство произведения Dn (D - диаметр цилиндра, связанный с ходом поршня в геометрически подобных двигателях соотношением S/D = const).

В обобщенном виде

Если этот критерий одинаков, то у всех геометрически подобных двигателей одинаковы термодинамический, механический и эффективный КПД (следовательно, и удельный расход топлива), тепловая напряженность (теплопереход на единицу, охлаждающей поверхности), удельная мощность, напряжения от газовых и инерционных сил, удельные нагрузки на подшипники, конструкционная масса двигателя (масса, отнесенная к сумме квадратов диаметра цилиндра).

При увеличении диаметра цилиндра необходимо для обеспечения постоянства перечисленных показателей снижать или частоту вращения или среднее эффективное давление. Поэтому эффективная мощность двигателя возрастет пропорционально не кубу, а квадрату диаметра цилиндра. Литровая мощность (мощность, отнесенная к рабочему объему цилиндров) снижается пропорционально диаметру цилиндра, а удельная масса (масса, отнесенная к эффективной мощности) возрастает пропорционально диаметру. С увеличением диаметра цилиндра уменьшается жесткость на изгиб деталей и двигателя в целом.

Следует отметить, что строгое соблюдение геометрического подобия в области малых значений диаметра неосуществимо по условиям изготовления. Минимальные сечения деталей ограничены условиями обеспечения достаточной жесткости при изготовлении (сопротивляемость усилиям резания), монтаже и транспортировании. Поэтому многие детали малых машин ряда приходятся делать более массивными, чем того требуют, условия геометрического подобия. Вследствие этого двигатели с малыми цилиндрами имеют повышенную удельную массу, но вместе с тем, большую степень надежности, повышенную прочность и жесткость, способность к форсировке наддувом и повышением частоты вращения.

Рассмотренный пример двигателей, внутреннего сгорания представляет собой частный случай обширной категории машин, напряженность деталей которых зависит от величины рабочих давлений и скоростей. Общую закономерность для машин этого класса можно сформулировать следующим образом: напряжения в геометрически подобных конструкциях, работающих при одинаковых давлениях и рабочих скоростях, одинаковы.

Из предыдущего вытекают следующие выводы. Размерно-подобные ряды надо строить на основе главных характеристик (мощности, производительности и т. д.), а не геометрических параметров, так как в силу внутренних законов подобия главные характеристики располагаются по закономерности, отличной от закономерности изменения геометрических характеристик. Последние получаются как производные.

Следует учитывать неизбежное у геометрически подобных машин изменение удельных показателей (например, литровой мощности у двигателей), а также изменение механических показателей (например, жесткости на изгиб).