Повышение прочностной надежности транспортных дизелей (1025560), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Вэтом случае после первого цикла нагружения (OABCD) деформирование впоследующихциклахбудет осуществлятьсяквазиупругопо линии BCD.Циклическая релаксация В-В' напряжений в высокотемпературной части цикла,73как и в предыдущем случае, будет способствовать накоплению остаточныхнапряжений за счет разупрочнения материала.На рис. 2.4. изображено поведение поверхности текучести для этого случая.Напряжения в точке D как видно не превышают «нового» предела текучести материала при растяжении, именно поэтому при последующих нагружениях (с амплитудой напряжений, не превышающих первоначальную) будет происходить квазиупругое деформирования материала, поскольку размах напряжений будет находиться в области, ограниченной поверхностью текучести.В этом случае могут иметь место две модели разрушения: малоцикловая термическая усталость с относительно небольшим числом циклов до разрушения(10 ), и разрушение при достаточно большом количестве циклов (до 10 циклов).Долговечность будет определяться величиной неупругой деформации в цикле нагружения, а также особенностями поведения материала при циклическом нагружении.В зависимости от величины с тах > а также от релаксационной стойкости материала может иметь место либо частичная приспособляемость, либо полная приспособляемостьматериала.одностороннимнакоплениемЧастичнаяприспособляемостьдеформаций(напряжений)сопровождаетсяспостепеннымзатуханием процесса накопления деформаций; при этом разрушение может иметьпереходный характер от статического разрыва к усталостному разрушению.
Полная приспособляемость означает переход к квазиупругому деформированию, тоесть через некоторое количество циклов прирост неупругих деформаций настолько мал, что им можно пренебречь. Разрушение в этих условиях будет иметь чистотермоусталостный характер. На рис. 2.2. отрезок В-В' соответствует времени релаксации, предельному с точки зрения обеспечения квазиупругого деформирования. Отрезок В-В" в свою очередь показывает, какой уровень максимальных напряжений сжатия в нулевом полуцикле цикле будет соответствовать предельному74уровню в цикле без релаксации. Таким образом, в данном случае криваяOABB"B'C'D' описывает предельное состояние материала, при циклическом деформировании. Под предельным состоянием понимается такое состояние, при котором сумма остаточных напряжений с максимальными напряжениями сжатия непревышает удвоенного начального предела текучести материала (оост+стяк<2(5т).Рис.
2.2. Диаграмма термоциклического деформирования материала75Рис. 2.3. Поведение поверхности текучести при кинематическом упрочнении(температура Т2)Изложенная теория реализуется при расчете остаточных напряжений в межклапанных перемычках крышки. При существующих уровнях форсирования дизелей Коломенского завода реализуется второй механизм, когда рост и накоплениеостаточных напряжений происходит лишь за счет эффекта релаксации напряжений. Расчет выполняется методом конечных элементов в трехмерной постановке.76азпредельное состояниеРис.
2.4 Поведение поверхности текучести при кинематическом упрочнении(температура Т1)77ГЛАВА 3. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В КРЫШКАХ ЦИЛИНДРОВРаботоспособность узлов и деталей современных дизелей в значительнойстепени зависит от уровня и знака возникающих в них остаточных напряжений,как начальных (технологических), так и приобретаемых под действием рабочих(эксплуатационных) нагрузок.
В связи с этим, определение остаточной напряженности узлов и деталей ДВС является важной составной частью при уточненной оценке запасов прочности и решении задач обеспечения их надежностии прогнозирования располагаемого ресурса. В частности, применяемая в практике ОАО «Коломенский завод» методика оценки располагаемого ресурсакрышек цилиндров, основана на анализе темпов роста остаточных напряженийв межклапанных перемычках после определенного времени работы на дизеле[87].Остаточными напряжениями называют напряжения, существующие в деталях при отсутствии внешних воздействий (силовых и температурных). Длялюбого произвольного сечения детали эпюра остаточных напряжений являетсясамоуравновешенной, т.е. равнодействующие усилия и моменты от этих напряжений равны нулю. В деталях дизелей остаточные напряжения могут возникать как в процессе изготовления, так и в условиях эксплуатации.
Чаще остаточные напряжения возникают в деталях цилиндропоршневой группы (ЦПГ),подверженных переменным силовым и температурным нагрузкам, при которыхуровень действующих напряжений может превосходить предел упругости материала. Остаточные напряжения, возникшие от внешних воздействий самоуравновешиваются внутри отдельных участков, соизмеримых с размерами сечений детали и имеют ориентацию, связанную с её формой.
Такие напряженияназывают напряжениями 1-го рода или макронапряжениями и для них допустима гипотеза об однородности и изотропности материала, на которой основанорасчетное определение напряжений и деформаций в элементах деталей и узлов.78При оценке влияния остаточных напряжений на прочность детали рассматривается действие только напряжений 1-го рода. Остаточные напряжения П-го рода- микронапряжения (действующие в пределах зерна или группы зерен металла)и Ш-го рода-субмикронапряжения (действующие в пределах атомной решетки)при этом не учитываются [23].В процессе изготовления остаточные напряжения возникают в деталях всвязи с различными технологическими процессами такими как: сварка, литье,термическая обработка, механическая обработка.
При этом каждый этап термомеханической обработки вносит свой вклад в формирование картины распределения остаточных напряжений. В основе возникновения остаточных напряжений обычно лежат необратимые объемные изменения в материале. Приработе дизеля появление и рост остаточных напряжений в элементах деталей,образующих камеру сгорания (крышки цилиндра, головки поршня), происходитв результате накопления пластических деформаций, возникающих от температурных усилий в условиях неравномерного нагрева и теплосмен, связанных сизменением режимов работы. Наиболее опасны с этой точки зрения резкие изменения мощности дизеля в эксплуатации.Остаточные напряжения оказывают влияние на циклическую прочностьдетали, изменяя постоянную составляющую (среднее напряжение — а т ) цикла.Как известно, с увеличением постоянных растягивающих напряжений предельная амплитуда аа сопротивления усталостному разрушению детали снижается,а с увеличением постоянных сжимающих напряжений повышается [77].Влияние остаточных напряжений на циклическую прочность резко увеличивается для деталей дизелей, имеющих концентраторы напряжений.
В этомслучае остаточные напряжения могут изменить величины сопротивления усталостному разрушению деталей в несколько раз, а их долговечность при этомможет изменяться в десятки раз [11]. Поэтому, при изготовлении деталей и узлов дизелей технологический процесс разрабатывается таким образом, чтобы, содной стороны, максимально уменьшить уровень растягивающих остаточных79напряжении, а с другой — по возможности, создавать в поверхностных слоях детали, остаточные напряжения сжатия путем использования упрочняющей накатки роликом, дробеструйного наклепа или специальной термической обработки. Наличие высокого уровня растягивающих остаточных напряжений в деталях дизелей может приводить к их разрушениям в эксплуатации даже при относительно небольших величинах переменных напряжений.Типичным примером является крышка цилиндра, в межклапанных перемычках которой появляются и накапливаются со временем напряжения растяжения, которые оказывают решающее воздействие на долговечность детали.Такие разрушения характерны также для тонких перемычек головок поршней,например в дизелях ЧН 30/38, возникал высокий уровень технологических растягивающих напряжений, связанных с неправильным выбором режима термической обработки, проводимой на заготовке до её механической обработки.Изменение режима закалки (повышение температуры воды в ванне с 20° до90°...95°С и выполнение основной механической обработки до термообработки) позволили снизить остаточные напряжения до безопасного уровня и обеспечить надежную работу поршней в эксплуатации.Технологические остаточные напряжения могут, не вызывая разрушенийузлов и деталей, приводить, при последующей работе на дизеле, к искажениюисходной геометрии, нарушению точности, снижающих их служебные свойства.Так на дизелях типа ДН 23/30 в сварных конструкциях блоков цилиндров имели место случаи значительных отклонений положения опор коленчатого вала.Выполненные на Коломенском заводе исследования [81] показали, что основной причиной необратимых деформаций блоков цилиндров являлась релаксация (во времени) высокого уровня технологических остаточных напряжений,возникающих в процессе изготовления (при сварке его элементов).
Повышениетемпературы высокого отпуска блоков до рекомендуемых значений и увеличение времени выдержки при этой температуре позволили значительно снизитьуровень остаточных напряжений и исключить недопустимое искажение геомет-80рии детали.При доводке дизелей типа ДН 23/30, отмечались случаи возникновения радиальных трещин на фасках выпускных клапанов. Клапаны изготовляются изсплава 4Х14Н14В2М, а на рабочие фаски наплавляется кобальтовый стеллитмарки ВЗК.
Основной причиной появления трещин, как показали выполненныеисследования, являлось наличие высокого уровня суммарных температурныхрастягивающих напряжений, обусловленных осевым и радиальным перепадомтемператур в тарелке клапана и значительным различием коэффициентов линейного расширения основного металла и наплавки [82]. Одним из основныхмероприятий по устранению указанных трещин являлось внедрение специальноразработанного режима термической обработки клапанов, обеспечивающего внаплавленном слое высокий уровень благоприятных сжимающих остаточныхнапряжении в пределах 100...120 МПа [82].Исследования возникающих в процессе эксплуатации дизеля остаточныхнапряженийвэлементахкрышекцилиндров,работающихвупруго-пластическом цикле нагружения, позволяют по темпу накопления остаточныхнапряжений (в зависимости от времени работы на дизеле) определять запасдолговечности этих деталей и оценивать эффективность конструкторских итехнологических мероприятий, направленных на повышение ресурса [3,4].
Поэтому, из эксплуатации, через определенные нарастающие сроки наработки кактепловозных, так и судовых дизелей, отбираются партии крышек цилиндров иголовок поршней для определения уровня и характера распределения остаточных напряжений в их элементах.Рассмотрение технической литературы показывает, что, определение остаточных напряжений может производиться различными методами. В книге [83]все они условно разделяются на две основные группы: физические и механические методы. К механическим методам, чаще всего, относят разрушающие методы контроля.
В работе профессора Дуброва А.А. «Проблемы измерения характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных мате-81риалов сложных технических объектов» рассмотрены неразрушающие методыконтроля остаточной напряженности. Дана также оценка возможности применения того или иного метода в инженерной практике, способы повышения эффективности применения и повышения достоверности данных, полученных неразрушающим методом. Главное направление развития средств диагностикиматериалов, по мнению автора - поиск возможностей определения неких механических характеристик материала, связанных с его напряженным состоянием,по параметрам физических полей, используемых для диагностики.Существует стандартная классификация неразрушающих методов диагностики, разделяющая их по характеру взаимодействия физических полей иливеществ с контролируемым объектом и по способам получения первичной информации на девять видов: магнитные, электрические, вихретоковые, радиоволновые, тепловые, оптические, радиационные, акустические и капиллярные.Каждый из видов, в свою очередь подразделяется на различные группы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
