Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания, страница 17

При этом принимаемыеминимальные значения коэффициентов запаса при расчетах на выносливость должны учитывать достоверность задаваемых нагрузок, стабильность прочностных характеристик применяемых материалов итехнологии изготовления, совершенство используемых методов расчета деформаций и напряжений.(2.150)где Аs и Аt – поправочные коэффициенты меньше 1.772.3. Минимально допустимые коэффициенты запаса прочности деталей тепловозныхи судовых форсированных среднеоборотных дизелейДетальБлоккартерКоленчатый валПоршень (головка)Материал деталиДиапазон изменения коэффициента запаса прочностиСталь (20, 20Л)1,8–2,2Чугун (ЧШГ)1,9–2,2Сталь (кованая)1,6–1,9Чугуны (ЧШГ)1,7–2,0Сталь1,5–1,9Чугун1,6–2,0Поршень (тронк)Алюминиевый сплав (АК)1,4–1,7Поршневой палецСталь, ГОСТ 4543–711,6–2,0ШатуныСталь, ГОСТ 4543–711,6–2,0Втулка цилиндраЧугун (ХНМ)1,5–1,8Крышка (головка) цилиндраЧугун (ЧШГ)1,4–1,6повышается вероятность безотказной работы, но зачастую увеличивается и материалоемкостьдеталей, что ухудшает массогабаритные показатели двигателя.

Втабл. 2.3 приведены величиныминимально допустимых коэффициентов запасов прочности,принятых на Коломенском заводе, производящем тепловозные исудовые форсированные среднеоборотные дизели.В машиностроении в зависимости от степени достоверностиперечисленных выше факторов,включая наличие соответствующих экспериментальных данных,выделяют несколько уровней значений коэффициентов запаса:1) n = 1,3–1,5; 2) n = 1,5–2,0;3) n = 2–3. Первый уровень соответствует повышенной точностирасчетов, а также подкрепленнымэкспериментально сведениям поуровню нагружения и прочностным характеристикам материалов.

Третий уровень относится котсутствию экспериментальныхданных по величинам нагрузок ипрочности, при возможной нестабильности технологии изготовления материала и др. Второйуровень соответствует промежуточному положению между первым и третьим уровнями.Более высокие значения коэффициентов запаса прочности назначают для более ответственныхдеталей, разрушение которых может привести к аварии. С ростомвеличины коэффициента запаса2.6.2. Оценка работоспособноститеплонапряженных деталейдвигателяРабота теплонапряженных деталей двигателя происходит вособо сложных условиях, связанных в первую очередь с высокойтемпературой и переменным нагружением во времени. Большинство разрушений в таких деталяхначинается с зон, где температурные деформации стеснены и высока концентрация напряжений.По современным воззрениям приоценке прочности в подробных78случаях необходимо учитыватькак циклические нагрузки в наиболее напряженных местах деталей, так и статическое нагружение и связанную с ним в условиях повышенных температур ползучесть материала.

В этом случаезависимости, относящиеся к чисто механической усталости, неприменимы. Так, наблюдение вэксплуатации за чугунными головками цилиндров форсированных дизелей показало, что развитие трещин начинается с огневойповерхности днища, где в рабочем состоянии имеют место напряжения сжатия. При этом отсутствуют характерные признакимеханической усталости. Вместес тем разрушение деталей, образующих камеру сгорания двигателя, нельзя также объяснить одноразовым или кратковременнымдействием тепловой нагрузки.Разрушение не наступает сразу, апроисходит часто через весьмазначительное время (сотни, аиногда и тысячи часов работыдвигателя).

Изменение температуры и давления в течение одногорабочего цикла двигателя такжене может быть главной причинойразрушения теплонапряженныхдеталей. Колебания температурынаружных слоев вносят свойвклад в снижение долговечностидеталей, но они и связанные сними напряжения, как правило,невелики по величине и быстрозатухают с удалением от поверхности. Что касается максимального давления сгорания pz, то внекоторых случаях разрушениятеплонапряженных деталей (днища крышек цилиндров) величинанапряжений в них, вызванных pz,была невысока.

Кроме того, количество циклов, которое успевает наработать двигатель до разрушения, например, днища головкицилиндра, обычно столь велико,что будь причиной циклическоеизменение давления, разрушениепроисходило бы гораздо быстрее.Если число рабочих цикловдвигателя за время наработкиочень велико, то число циклов,связанных с глубокими изменениями режимов работы установки, включая пуски и остановкидвигателя, гораздо меньше и составляет тысячи или десятки тысяч циклов. Указанные циклысопровождаются значительнымизменением теплового состояниятеплонапряженных деталей –макротеплосменами в отличие отмикротеплосмен в поверхностных слоях деталей в течение одного рабочего цикла.

Разрушение наступает, когда макротеплосмены сопровождаются повторной пластической деформацией материала детали. Приэтом существенную роль играетвременн<я характеристика цикла, обусловливающая возможность проявления ползучести, вчастности релаксационных процессов в зонах высоких температурных напряжений.Следствиеммакротеплосменявляется термическая усталостьматериала, которая отличается отобычной многоцикловой механической усталости значительноб\льшим по величине размахомдеформаций за цикл De и меньшим числом циклов Nf до разрушения. Наиболее нагретый участок детали оказывается максимально нагруженным и поглощающим деформации более холодных участков, где материалимеет повышенный предел текучести sТ.

В чистом виде термическая усталость наблюдается приработе детали по пилообразному79Рис. 2.17. Изменение температурыпри термоциклировании без выдержки температурыциклу изменения температуры(рис. 2.17). Связь между числомциклов до разрушения Nf и величиной пластической деформацииDep за цикл в первом приближении выражается степенными зависимостями типа экспериментально полученных формул МэнсонаКоффинаDe p N kf = C ,зультате релаксации сжимающихтемпературных напряжений кбольшим остаточным напряжениям растяжения. В случаях, подобных рассматриваемому, повреждения, накапливаемые в материале, вызываются как термическойусталостью, к которой можетприсоединиться и чисто механическая составляющая (например,в элементах тонкостенных головок поршней), так и процессаминаправленного пластического деформирования, приводящего кразрушению статического характера.Полагают, что влияние на общее повреждение числа цикловнагружения и времени пребывания при высокой температуре вусловиях циклического деформирования можно условно разделить.

Условие разрушения записывается в виде(2.153)где k, С – константы материала.Для достаточно пластичных материалов рекомендовано k = 0,5;1С = 0,5 ln, где y – коэффици1 -yент поперечного сужения материала при разрыве.Детали форсированных двигателей работают в условиях переменных по длительности циклов нагружения с выдержками при максимальной температуре (рис. 2.18).С увеличением времени выдержки tвыд, число циклов N доразрушения резко уменьшается.Это связано с протеканием в высокотемпературной части циклапроцессов ползучести материала,приводящих, в частности, в реdуст + dст =1,(2.154)где dуст, dст – соответственно усталостные и статические повреждения.Наряду с приведенной зависимостью (2.154) линейного суммиРис.

2.18. Изменение температурыпри термоциклировании с выдержками в высокотемпературной частицикла80Рис. 2.19. Диаграммы циклического деформирования:а – мягкое нагружение; б – жесткое нагружениерования повреждений рассматривается и нелинейное суммированиеadуст+ dстb =1.вой усталости при заданных деформации и температуре цикла в условиях жесткого нагружения; ef – деформация, односторонне накопленная к моменту разрушения; ef (t, Т) –предельная пластическая деформация при монотонном неизотермическом нагружении.Выражение (2.156) предполагаетраспределение амплитуд напряжений в виде непрерывных функций.В этом случае dN представляет собой число циклов нагружения самплитудами напряжений, лежащими в пределах от sа до sа + dsаи выражается как dN = Nf(sа)dsа,где f(sа) – плотность вероятностираспределения амплитуд напряжений; N является суммарным количеством циклов амплитуд напряжений всех уровней.

При дискретном характере изменения амплитуд напряжений интеграл заменяется суммой.Выражение (2.156) соответствует предельному состоянию и справедливо при неизотермическоммягком (рис. 2.19, а), жестком(рис. 2.19, б), а также промежуточном нагружениях. Размах деформаций при жестком нагружении явля(2.155)Коэффициенты a и b изменяются в широких пределах, для жаропрочных никелевых сплавов изменения: a = 0,125–1,000 и b = 0,25–1,00.

Главное влияние на величинуa и b оказывает максимальная температура цикла Тmax. В зонах концентрации напряжений и деформаций предельное состояние определяется, главным образом, долей усталостных повреждений.Условие разрушения при неизотермическом малоцикловом нагружении и линейном суммированииусталостных dуст и статических dстповреждений определяют с помощью деформационнокинетического критерияNfò0efdNde+ò= 1, (2.156)N fi (t, T ) 0 e f (t, T )где Nf – циклическая долговечность; Nfi(t, Т) – циклическая долговечность, определяемая по кри81Рис. 2.20. Кривые малоцикловой усталости приразличных режимах нагруженияется достаточно стабильной величиной по сравнению с размахомнапряжений при термическом нагружении. Для реализации соотношения (2.156) требуется знание кинетики параметров деформирования в зоне возможного появленияочагов разрушения: изменения деформации в зависимости от числациклов, а также кривых малоцикловой усталости для различных режимов нагружения (рис.

2.20).В общем случае достаточно точное определение расчетных характеристик прочности при неизотермическом малоцикловом нагружении предполагает поцикловое суммирование усталостных и квазистатических повреждений и связано сналичием экспериментальных данных, полученных в условиях термомеханического нагружения, соответствующих эксплуатационным.Глава 3КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ПОРШНЕВЫХДВИГАТЕЛЕЙгде qi – обобщенная координата; Wи П – кинетическая и потенциальная энергия системы; Qi – обобщенная сила, не имеющая потенциала.Такой подход удобен для анализасложных систем, поэтому он получил наибольшее распространение ив динамических расчетах ДВС.Из общего уравнения ЛагранжаII рода следует, что при одинаковых обобщенных силах для идентификации расчетной и действительной схем двигателя необходимо обеспечить равенство кинетической и потенциальной энергийэлементов расчетной схемы и реальной системы.Для многих задач динамики, вчастности при определении движения КШМ без учета колебаний, реальную конструкцию с достаточной для практики точностью можно заменить расчетной схемой, вкоторой недеформируемые элементы (их массы можно считать сосредоточенными) соединены между собой абсолютно жесткими невесомыми стержнями.

Условиемприведения расчетной и действительной систем является равенствокинетической энергии.Такой подход используется прирассмотрении кинематики КШМ,сил, действующих в нем, и уравновешивания двигателя. Упругостьсвязей между элементами двигателя учитывается при рассмотрениивопросов, связанных с крутильными, изгибными и продольными колебаниями систем коленчатых валов ДВС.Современный высокофорсированный надежно работающий ДВС сбольшим моторесурсом может бытьсоздан только на основании его подробного кинематического и динамического исследования.