Повышение прочностной надежности транспортных дизелей (1025560)
Текст из файла
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана(МГТУ им. Н.Э. Баумана)На правах рукописи0420.1000820Мягков Сергей ПетровичПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТНОЙ НАДЕЖНОСТИ КРЫШЕК ЦИЛИНДРОВТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ05.04.02 - Тепловые двигатели01.02.06 - Динамика, прочность машин,приборов и аппаратурыДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель доктор технических наук,профессор Чайнов Н.Д.АНаучный консультант —кандидат технических наук,Раенко М.И.Москва - 20092СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ4Глава 1.
Обзор конструкторских особенностей, материалов, методов8исследования теплового и напряженно-деформированного состояния,методов оценки долговечности крышек цилиндров среднеоборотныхдизелей транспортного назначения1.1. Конструкторские особенности тепловозных и быстроходных8судовых дизелей1.2. Материалы, применяемые для изготовления крышек цилиндров171.3. Методы исследования теплового и25напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров1.4. Обзор методов оценки долговечности конструкций,47работающих при неизотермическом малоцикловом нагружении1.5. Постановка задачи исследования57Глава 2.
Расчетное исследование напряженно-деформированного58состояния крышек цилиндров2.1. Теория течения и неупругого последействия60Глава 3. Расчетно-экспериментальное исследование77остаточных напряжений в крышках цилиндров3.1. Описание методики измерения остаточных напряжений85в крышках цилиндров3.2. Результаты тензометрирования крышек цилиндров97дизеля 16ЧН26/26 после ускоренных испытаний3.3. Описание методики расчета остаточных напряженийи анализ полученных данных1003Стр.3.4. Сравнение результатов расчета с экспериментальными121данными по остаточной напряженностиГлава 4.
Разработка упрощенной расчетной модели128межклапанной перемычки для оценки остаточных напряженийГлава 5. Оценка долговечности крышек цилиндров среднеоборотных138дизелей5.1.1. Определение параметров блока типового140нагружения по данным хронометража для тепловозного дизеля5.1.2. Определение параметров блока нагружения153для судового дизеля5.2. Оценка долговечности крышек цилиндров по результатам156конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния5.2.1.
Определение долговечности крышки цилиндра158по критерию термической усталости5.2.2. Определение долговечности крышки цилиндра164по критерию предельного времени релаксацииВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ168ЛИТЕРАТУРА1694ВВЕДЕНИЕТенденциями развития современного двигателестроения являются повышение агрегатных мощностей, улучшение экономических показателей с одновременным повышением сроков службы и надежности, а также улучшение массогабаритных показателей двигателя. Также особенно остро в настоящее времястоит задача уменьшения загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми двигателями внутреннего сгорания.Основой увеличения цилиндровых и агрегатных мощностей, кроме увеличения средней скорости поршня Cm, является повышение среднего эффективного давления Ре значения которого для современных среднеоборотных дизелей транспортного назначения достигает величин Р с =2,2...2,7 МПа и выше[1,2,18,19,20,21].
При этом максимальное давление сгорания Pz достигает величин 18...21 МПа. Температура деталей ЦПГ при этом находится в пределах220...460 °С. Дальнейшее форсирование рабочего процесса, сдерживается ростом тепломеханической напряженности узлов и деталей дизеля, что приводит кснижению их надежности и долговечности. Для большинства современных дизелей транспортного назначения долговечность (определяемая в часах наработки до первого капитального ремонта или пробегом транспортной установки)должна быть не менее 1...1,2 млн. км. пробега (для тепловозных дизелей Коломенского завода типа ЧН26/26), или 50...60 тыс. час. для судового двигателя.
Вперспективе планируется увеличение этих показателей до 1,5...2,0 млн. км. идо 70...80 тыс. час. соответственно.Тепловая напряженность характеризуется уровнем рабочих температур,разностью температур на поверхности детали, уровнем температурных напряжений и деформаций, определяемых величиной теплового потока через тепловоспринимающую поверхность, и их динамикой в условиях эксплуатации:сменностью и частотой приложения температурной нагрузки, максимальным иминимальным значениями температуры цикла.5Увеличение тепловой напряженности деталей, образующих камеру сгорания, при повышении форсирования и серьезные последствия при возможныхразрушениях требуют повышенного внимания к этим факторам при проектировании и изготовлении.
Это в полной мере относится и крышке цилиндра - одной из наиболее сложных в конструкторском и наиболее нагруженных в тепловом отношении детали ЦПГ.Основным видом повреждения крышек цилиндров являются трещины вперемычках, образованных клапанными отверстиями. Для 4-х клапанных конструкций крышек цилиндров 4-х тактных дизелей наиболее характерны разрушения по перемычкам между выпускными, а также между впускными отверстиями. Такой вид разрушений имел место в практике АО «Коломенский завод» при доводке и эксплуатации семейства среднеоборотных дизелей типаЧН26/26. Для 4-х клапанных крышек цилиндров 2-х тактных дизелей имеет место разрушение не только по межклапанным перемычкам, но также по перемычкам, образованным отверстиями под клапаны и форсунку.
Такие разрушения наблюдались на дизелях типа ДН23/30 «Коломенского завода». Вид трещины четырехклапанной крышки цилиндра четырехтактного дизеля представленна рис. 1.1.Анализ разрушений показал, что трещины имеют термоусталостный характер. При этом в крышке цилиндра при работе двигателя возникают переменныетемпературные напряжения, размах которых может превышать предел выносливости материала (высокопрочного чугуна) в 1,2.Л,5 раза. Максимальные значения сжимающих (рабочих) термических напряжений могут превышать условный предел текучести материала, что при остывании конструкции приводитк появлению остаточных напряжений растяжения в наиболее нагруженныхэлементах огневого днища.
В действительных циклах имеют место эффектыползучести и релаксации напряжений, происходящие в условиях выдержкиконструкции при повышенной температуре. Реологические процессы обеспечи-6вают постоянный рост остаточных напряжений и дополнительно вносят повреждающее воздействие в структуру материала.В этих условиях крышка цилиндра работает в области постоянной повреждаемости материала и имеет ограниченную долговечность. Для обеспечениятребуемого ресурса крышки цилиндраРис. 1.1. Характерный вид разрушения чугунной четырехклапанной крышки цилиндра дизельного двигателядолжен быть обеспечен запас по долговечности, представляющий собой отношение числа циклов до разрушения к числу циклов, выдерживаемых конструкцией в эксплуатации за заданный срок службы. (n a =N n p /N p ).Учитывая рассеяние прочностных показателей конструкционного материала, качество изготовления всей детали в целом, нерегулярный характер приложенных нагрузок (изменение температур и давлений в цилиндре вследствиеразрегулировки или появления отложений на поверхности охлаждения и др.), вряде случаев не может быть обеспечен назначенный в технических условияхресурс.
Определение располагаемого ресурса крышек входит в разработанную[3,4] обобщенную методику оценки долговечности крышки цилиндра. В связи сдальнейшим повышением форсирования дизелей типа ЧН26/26 и разработкойдизеля новой размерности (ЧН26,5/31) становится актуальной задача прогнози-7рования прочностной надежности деталей ЦПГ, работающих в области повышенных температур и давлений, в том числе крышки цилиндра.Поскольку темп роста остаточных напряжений характеризует механизмнакопления повреждений в структуре материала, основным направлением работы является разработка методики расчета остаточных напряжений в крышкена различных этапах эксплуатации и проектирования.
Основные этапы разработки методики изложены в работе [39].8ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКТОРСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ, МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО И НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КРЫШЕК ЦИЛИНДРОВ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ1.1. КОНСТРУКТОРСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КРЫШЕК ЦИЛИНДРОВТЕПЛОВОЗНЫХ И БЫСТРОХОДНЫХ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙКрышка цилиндра относится к неподвижным деталям двигателя.
В соединении с блоком цилиндров она замыкает силовую схему двигателя сверху,формируя совместно с днищем поршня и стенками цилиндра камеру сгорания.Крышка характеризуется сложной конструкцией, связанной с наличием впускных и выпускных каналов сложной геометрии, полостей охлаждения, вспомогательных отверстий и т.д., а также тяжелыми условиями работы, характерными для современного дизеля. При работе двигателя на крышку одновременнодействуют циклические температурные и механические (от сил давления газов), статические монтажные и технологические (остаточные) напряжения.Температура огневого днища крышки со стороны камеры сгорания может достигать 300...450°С.
Огневое днище при этом имеет неравномерное распределение температур по радиусу и толщине огневого днища (перепад температурможет превышать 100 С), а максимальное давление в цилиндре составляет18...20МПа [19,20].Основным видом нагружения крышки цилиндра являются температурныенагрузки, возникающие из-за неравномерного нагрева днища в осевом и радиальном направлениях в условиях несвободного расширения элементов огневогоднища при работе двигателя.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
