Повышение прочностной надежности транспортных дизелей (1025560), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Первое предельное состояние заключается в исчерпании несущей способности конструкции вследствиетермической усталости. В этом случае оценка прочности осуществляется попределу выносливости крышки при ограниченной долговечности сг_ш. Второепредельное состояние заключается в возникновении знакопеременных пластических деформаций в конструкции. Оценка прочности в этом случае осуществляется по предельному времени, в течение которого конструкция может работать в квазиупругой области (предельное время релаксации).Следует заметить, что разделение крышек цилиндров на различные классыпо механизмам повреждения условно, и введено в работе для удобства. Напрактике при анализе долговечности крышек цилиндров критерии прочностинеобходимо рассматривать с точки зрения вероятности наступления в той или158иной ситуации.
В главе IV, например, показано, что с ростом уровня рабочихтемператур на поверхности огневого днища значимость второго критерия (квазиупругого деформирования) существенно выше, чем первого, то есть вероятность разрушения при высоком уровне температур в перемычках (~400°С)лучше описывается вторым критерием. При относительно низких температурах(<350° С) более значимым являетсяпервый критерий. При промежуточныхтемпературах, очевидно, необходимо рассматривать оба критерия.5.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КРЫШКИ ЦИЛИНДРАПО КРИТЕРИЮ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИПри оценке долговечности крышки цилиндра необходимо определить основные параметры в стабилизированном цикле нагружения - амплитуду напряжений*^, знак и величину среднего напряжения ат , определяющего асимметрию цикла. Эти данные могут быть получены экспериментальным или расчетным способом.
В данной работе используются результаты трехмерного, конечно-элементного анализа теплового и напряженного состояния конструкции.В качестве основного типа нагружения, соответствующего усредненномуэксплуатационному циклу, принят трапецеидальный температурный цикл нагружения, изображенный на рис 1.19. (глава I). Минимальная температура наогневой поверхности крышки цилиндра при этом соответствует холостому ходудизеля, а максимальная температура - номинальной мощности. Стационарнаячасть — температурная выдержка — соответствует времени выдержки в усредненном эксплуатационном цикле.Расчет выполняется для серийной крышки цилиндра двигателя 16ЧН26/26при работе на режиме номинальной мощности (Ре =3676 кВт). Напряжения, соответствующие максимальной температуре цикла в наиболее нагруженныхэлементах огневого днища были определены ранее в ходе расчета остаточных159напряжений после стендовых испытаний дизеля (глава III).
Как было установлено, амплитуда температурных напряжений остается величиной постоянной,поэтому для уточнения амплитуд напряжений действительного цикла воспользуемся приведенными в главе III данными.Для определения температурных напряжений, соответствующих холостомуходу, необходимо располагать сведениями о тепловом состоянии конструкциина указанном режиме. Обычно считается, что температурное состояние крышкицилиндра при холостом ходе дизеля близко к равномерному.
Теоретически,температурных напряжений при этом не возникает. Однако, в связи с тем что,крышка цилиндра находится в силовом взаимодействии с другими деталямицилиндрового комплекта и с блоком цилиндров, её свободное тепловое расширение ограничено, что может приводить к появлению напряжений.Этот вопрос освещен недостаточно полно, в связи отсутствием данных онапряженном состоянии крышки при холостом ходе дизеля. Чаще всего в расчетах принимается условие нулевых температурных напряжений в конструкциина этом режиме работы двигателя.
Для уточнения действительных амплитуднапряжений соответствующих эксплуатационным изменениям мощности необходимы сведения о напряженности межклапанных перемычек при холостомходе дизеля.Ввиду сложностей, связанных с расчетом граничных условий по теплообмену в крышке цилиндра при работе дизеля в режиме холостого хода, был выполнен приближенный расчет напряжений на указанном режиме с помощьюупрощенной, балочной модели перемычки, рассмотренной в главе IV.Исходными данными для расчета являются температурные поля перемычек на режиме холостого хода дизеля и коэффициенты жесткости защемления.Данные о температурном состоянии крышки цилиндра на режиме холостогохода получены экспериментально для рассматриваемого типа двигателя. На огневой поверхности днища температура в районе перемычек составляет ~120°С,160со стороны полости охлаждения ~100°С.
Таким образом, средняя температураперемычек - Тср = 110° С и перепад по толщине - AT = 20° С.Коэффициенты стеснения деформаций определены расчетным способом наполноразмерной конечно-элементной модели крышки при постоянном температурном поле во всех узлах конечно-элементной сетки. Для определения коэффициентов стеснения тепловых деформаций в условиях действия температурного поля накладывались ограничения на свободные перемещения в местахконтакта крышки с блоком цилиндров. В результате расчета получены следующие значения коэффициентов стеснения: к} = 0,4 - для выпускной перемычки, кх =0,58 - для впускной перемычки.
Коэффициент стеснения деформаций при изгибе к2 принимался равным единице для обеих перемычек.В результате расчета на балочной модели, в перемычке между выпускными каналами значение температурного напряжения составило: ст^ = -83,8МПа.
В перемычке между впускными каналами - сг^ = -105,7 МПа. Таким образом, уровень температурных напряжений в перемычках между клапанами нарежиме холостого хода дизеля достаточно высок, что противоречит ранее высказанным предположениям о незначительном уровне напряжений в элементахкрышки цилиндра на этом режиме работы.Для определения амплитуд напряжений, вызванных сменой теплового состояния крышки в соответствии режимом нагружения (номинальная мощность—^выдержка—^холостойход)воспользуемсяэлементного анализа (в виде кривых a-sданнымиконечно-на рис. 5.7.) и расчета напряжений вперемычках на режиме холостого хода с помощью упрощенной модели.При расчете остаточных напряжений в крышке после стендовых испытаний дизеля считалось, что при каждом цикле разгрузка (остывание) производится до температуры 20°С, что соответствует полному равномерному остыванию.
Фактически, в эксплуатации, а также при проведении ресурсных испытаний происходит не полное остывание конструкции, а остывание до температур,161соответствующих режиму холостого хода. Указанный фактор не влияет на уровень и темп роста остаточных напряжений в крышке цилиндра, но может оказывать существенное влияние на долговечность конструкции.ст,Пал3.00Е+082.00Е+08-1.00Е+080.00Е+00-1.00Е+08-2.00Е+08-3.00Е+08-4.00Е+08-5.00Е+08Рис. 5.7. Диаграммы деформирования материала (а-е)в районефасок межклапанных перемычекТаким образом, при оценке размаха напряжений из полученного размаханапряжений (2оа) в типовом, стабилизированном цикле необходимо исключитьнапряжения, соответствующие холостому ходу.
В результате амплитуда температурных напряжений в перемьике (средняя по сечению) между выпускнымиканалами составит: 2сга =527-83,8=443,2; сга =221,6 МПа, в перемычке междувпускными каналами: 2ста =552-105,7=446,3; сга=223,2 МПа. Поскольку высокопрочный чугун циклически стабилен, значения амплитуд будут оставатьсяпостоянными на протяжении всего процесса эксплуатации конструкции, чтозначительно упрощает анализ, как напряженного состояния, так и долговечности.162Следующим этапом является определение числа циклов до разрушения покривым выносливости материала в условиях неизотермического нагружения.Кривые термической усталости для высокопрочного чугуна (ВПЧ) при различных температурах и уровнях напряжений получены на Коломенском заводе иприведены в работе [3].
Аналитическим способом (по уравнениям кривых термической усталости) определяем количество циклов до разрушения. Наклонный участок кривых аппроксимирован зависимостью вида:где: а и /3 - параметры кривых термической усталости;сга - амплитуда напряжения.Коэффициенты ос и (5 приведены ниже в таблице 12.Таблица 12. Параметры кривых термической усталостичугуна ВПЧ при различных температурах испытаният,°с500450400350300а16,5616,9717,3217,6317,98Р0,03290,03170,03120,03080,0305Одним из важных параметров при оценке долговечности является максимальная температура цикла, поскольку влияние максимальной температурыцикла .на способность материала сопротивляться нагрузкам значительно. Поданным теплового расчета разница максимальных температур в перемычках составляет ~25°С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
