Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания, страница 15

Хотя на предварительных этапах расчетов вариантовконструкций, где это допустимо поусловиям прочности, для построения моделей формы могут использоваться типовые элементы, такиекак стержни, пластинки и оболочки. При практической оценкепрочностной надежности деталейдвигателя их материал рассматривается как сплошная среда (континуум). Многочисленные экспериментальные исследования показали, что использование моделисплошной среды при прочностном68вышение h над x говорит о наличии среднего коэффициента запасапрочностимогут рассматриваться: условныйпредел текучести s0,2; предел прочности (временное сопротивление)sв; длительная прочность sдл; пределвыносливости s-1; предел ползучести sпл для базового времени t.

Запасы прочности являются основнойхарактеристикой прочностной надежности деталей, поэтому их величины и порядок определения должны соответствовать нормативнойдокументации. Запасы прочностимогут быть детерминированными истатистическими. Первые зависятнапрямую от численной величиныпредельного и максимального рабочего напряжений. При вычислениистатистических запасов прочностиоценивается достоверность указанных напряжений. Таким образом,величина коэффициента запасапрочности зависит от вариации sпреди smах, определяемых стабильностьюсвойств материала и технологиипроизводства, а также стабильностью условий эксплуатации и обслуживания.На рис. 2.12 представлены нормальные распределения плотностифактора прочности материала h (например, предела выносливости детали s-1д) и напряженности x (например, амплитуды действующих напряжений sа).

Средние значения (математические ожидания) факторовпрочности материала и нагрузки соответственно обозначены h и x. Преn = h x.(2.133)Статистическийкоэффициентзапаса прочности определяют какотношение минимального значенияhmin к максимальному xmax при принятых соответствующих уровняхзначимости q и доверительной вероятности Р. Неравенство n >1 свидетельствует о предусмотренном в детали по условиям изготовления иэксплуатации среднем запасе прочности, а величины hmin и xmax считаются установленными.

Известно,что с увеличением коэффициентазапаса прочности вероятность разрушения Рразр уменьшается. При независимости случайных величин h и xPразр =æ1n -1- Фçç2222è n vh + vxö÷, (2.134)÷øгде vx, vh – соответственно коэффициенты вариации факторов нагрузки и прочности.Значения функции Лапласа Ф(х)n -1нав зависимости от x =n 2 v h2 + v x2ходятся из таблиц.Коэффициент запаса обычнопревышает 1, поэтому на вероятность разрушения больше влияетразброс фактора прочности, чемразброс фактора нагружений.

Таким образом, снижение материалоемкости конструкции, связанное суменьшением коэффициента запасапрочности, требует повышения стабильности прочностных характеристик материалов и технологическихпроцессов изготовления, а такжеконтроля за нагрузками (режимамиработы) при эксплуатации.Рис. 2.12. Распределение плотности факторовпрочности и нагрузки69Так как при проектировании данные о факторах h и x часто отсутствуют, для определения запаса прочности пользуются справочными данными по несущей способности материала в качестве средних значений ихфункций распределения.

Например,коэффициент вариации прочностныхсвойств материала лопаток авиационных газотурбинных двигателейпринимают vh = 0,1, а коэффициентвариации рабочих напряжений с учетом разброса нагрузок и размеров деталей принимается vx = 0,2–0,3.Несмотря на б\льшую объективность и достоверность вероятностного подхода при оценке запаса прочности, чтобы определитьего достоверные числовые значения, надо располагать достаточнымобъемом статистических данных попрочностным характеристикам материалов, из которых выполненыдетали, а также по характеру нагружения при работе этих деталей.Учитывая дефицит подобной информации, относящейся к поршневым двигателям, при прочностныхрасчетах деталей проектируемыхдвигателей определяются детерминированные запасы прочности, несвязанные с числовой оценкой достоверности прочностных характеристик материала и действующихнагрузок.

При этом методика определения запасов прочности детально строго оговаривается.Для определения стандартныхпрочностных характеристик, которые требуются при расчетах запасов прочности, проводятся испытания на гладких образцах в условияходноосного напряженного состояния как при однократном растяжении, так и при длительном, а такжепри циклическом нагружении.Однократное нагружение рассматривается как простейший частный случай циклического нагружения, длительность которого весьмамала, а разрушение, если оно произойдет, будет иметь место в нулевом полуцикле.

Для многих деталейпоршневых двигателей напряженнодеформированное состояние вопасных зонах является сложным(многоосным). В этом случае приоценке прочности вычисляют эквивалентное напряжение и эквивалентную деформацию. Часто выбираются si и ei, определяемые поформулам (2.31). При циклическомнагружении вычисляют интенсивность амплитуды и интенсивностьсреднего напряжения.В простейшем случае работы детали при нормальной температуреили незначительном ее повышениив условиях относительно медленногомонотонного нагружения в качествепредельного напряжения принимается предел прочности sв или пределтекучести sт. Коэффициент запасавычисляется при этом соответственно по пределу прочности nв или пределу текучести nт по формулеn в, т =s в, тs max,(2.135)где smax – максимальное рабочее напряжение.В поршневых двигателях так могут быть оценены коэффициенты запаса прочности некоторых крепежных элементов, нагруженных постоянными усилиями затяжки.

Для учета помимо растягивающих напряжений также и касательных напряжений от момента затяжки в качествемаксимального рабочего напряженияследует использовать максимальноеэквивалентное напряжение, например, интенсивность напряженийsi max. Для деталей, работающих приповышенной температуре, в качествепредельного напряжения принимает70Рис.

2.13. Изменение предела длительной прочности различных материалов в зависимости от времени:а – стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69); б – стали 20Х3МВФ (ЭИ415) при Т = 550 °С; в – высокопрочного чугуна; 1 –гладкие образцы; 2 – образцы с концентраторамися предел длительной прочности sдл,по которому и вычисляется коэффициент запаса nдл с учетом определенного времени работы детали, от которого при заданной температуре зависит величина sдл:n дл =s дл,s рабВ логарифмических координатах (рис.

2.13) зависимость sдл от tимеет вид ломаной линии. Перелом линии соответствует изменению характера разрушения от вязкого при значительных пластических деформациях на начальномпо времени участке, когда трещины разрушения идут по зернамматериала, к разрушению с незначительными пластическими деформациями и межзерновым характером распределения трещин.При этом второго участка может ине быть. Экстраполяцию по времени экспериментальных зависимостей нужно проводить оченьосторожно и только лишь для второго участка.На рис.

2.13 представлены зависимости sдл от времени t длясталей 45Х14Н14В2М, 20Х3МВФи высокопрочного чугуна, приме(2.136)где sраб – напряжение (в общемслучае интенсивность si), действующее в детали в течение срокаслужбы при рабочей температуре.Зависимость sдл от времени tудовлетворительноописываетсястепенной зависимостьюt = As -длm ,(2.137)где А, m – параметры материала,зависящие от температуры и характеристик разрушения.71происходит изменение напряженийи деформаций вследствие ползучести и релаксации температурныхнапряжений в наиболее нагретыхэлементах конструкции.

Следствием является, например, широко известное накопление остаточныхрастягивающих напряжений в такихдеталях двигателей как крышка цилиндра или поршень, что можетиногда являться главной причинойразрушения.няющихся для теплонапряженныхдеталей двигателей.Наряду с определением запасапо напряжению определяют коэффициент запаса по долговечностиnt (запас по времени)nt = t раз t ,(2.138)где tраз – время разрушения.С учетом выражения (2.137) коэффициент запаса по времениможно связать с коэффициентомзапаса по напряжениюnt =m.n дл2.6.1. Многоцикловая усталостьи расчет на выносливость деталейпоршневых двигателей(2.139)Например, для дисков турбин nдлрекомендуется выбирать не менее1,5.

Так как для жаропрочных материалов показатель m колеблется от 4до 20, запас nt во много раз превосходит nдл. Предложенные оценкипрочности справедливы для статически нагруженных деталей двигателей, работающих весь срок службы практически на одном скоростном и нагрузочном режимах.Для подавляющего большинствадеталей двигателей внутреннегосгорания характерны переменныево времени нагрузки. При этом, если детали кривошипношатунногомеханизма, механизма привода клапанов работают в основном в условиях механического нагружения, тодетали цилиндропоршневой группы, турбокомпрессора, выпускнойсистемы испытывают как механические, так и тепловые нагрузки.

Длятранспортных двигателей последние являются переменными во времени как вследствие цикличностирабочих процессов в двигателе, таки в связи с частыми изменениямискоростного и нагрузочного режимов работы. В этом случае при достаточно высоком уровне форсирования в теплонапряженных деталяхПрочностная надежность деталей двигателей, подверженныхчисто механическим переменнымнагрузкам, во многом определяетсяусталостными разрушениями, обусловленными низкими значениямипредела выносливости детали и вероятностью появления повышенных амплитуд напряжений, связанных с забросами нагрузок, а такжес резонансными и другими видамиколебаний. Расчет на выносливостьимеет первостепенное значение инеобходим для деталей кривошипношатунного механизма, деталеймеханизма газораспределения, элементов корпуса двигателя, силовыхшпилек и болтов. По опубликованным данным подконтрольной эксплуатации форсированных среднеоборотных дизелей доля усталостных поломок деталей достигает90 % и выше от общего числа разрушений.

В области газотурбинныхдвигателей доля усталостных разрушений лопаток составляет 33 %, аразрушений при сочетании вибрационных напряжений и малоцикловой усталости – 42 %.При переменных во временинапряжениях разрушения наступают при меньших их значениях72по сравнению со статическим (постоянным во времени) нагружением. При этом усталостные трещины появляются, как правило, вместах концентрации напряжений. Нормали к поверхности трещины приблизительно совпадаютс направлением действия наибольших нормальных напряжений. Изменение напряжений заодин период называется циклом,характеризующимся максимальным (smах, tmах), минимальным(smin, tmin) напряжениями, а такжесредним напряжением sm == 0,5(smax + smin); tm = 0,5(tmax ++ tmin) и амплитудой напряженийsa = 0,5(smax - smin); ta = 0,5(tmax – tmin). Отношение минимальногонапряжения к максимальному называют коэффициентом асимметрии цикла r = smin/smax. Для симметричного цикла r = -1 и sm = 0,при r = 0 цикл называется отнулевым (пульсирующим), в этом случае smin = 0; sm = sа = 0,5smах.