Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 34
Текст из файла (страница 34)
4.3ПараметрыЧисловые значенияВысокопрочный чугунТемпература, °С20-5200300400500Модуль упругости Е×10 , МПа1,781,711,661,591,44Коэффициент линейного расширения aт×106, 1/°С11,312,013,114,315,0Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м×°С)24,430,232,632,6–Предел прочности sвр, МПа720740712655495Предел текучести sт, МПа715695612537430d, %0,30,71,64,08,54.4. Физические и механические свойства конструкционных керамических материаловНаименованиеНитридНитридКарбид Диоксид Титанаткремния го кремния рецирко алюмикремниярячепрессо акционносвя спеченныйниянияZrO2Al2O3TiO2ванный Si3N4 занный Si3N4 SiC, SintПредел прочности при изгибеsи, МПа, и температуре:500 °С1200 °С650400300300450450300–40–Предел прочности при сжатииsсж, МПа, и температуре 20 °С2500150035002000550Плотность r, г/см33,22,63,15,73,1Коэффициент теплопроводности l, Вт/(м×°С)20,010,050,03,52,0Удельная теплоемкость с,кДж/(м3×°С)23002000320023002200Коэффициент линейноготермического расширенияaТ×106, 1/°C3,53,24,59,83,0Модуль упругости Е×10-5, МПа2,9l×c1,84,132,020,0×10160,0×108,0×104,4×103R1 = sи/Eaт при температуре500 °С640520240150890R2 = lsи/Eaт при температуре 500 °С12,8×1035,2×10312,0×1030,5×1031,8×1034654404908201930рованных сталей марок 15ХМ, 38ХА,12ХН3А 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А и др.Наружную поверхность пальцевцементируют на глубину 0,5–1,5 ммс последующей закалкой и отпус30,2046,0×10R3 = sсж/EDaт33ком с получением твердости более58 НRС; применяется и азотирование поверхности.Поверхность пальца из углеродистой стали марки 45 закаливают160током высокой частоты на глубину1,0–1,5 мм.
Такой способ термической обработки имеет более низкую стоимость, чем цементация,кроме того, повышается качестводеталей и снижается брак. Чистотарабочей поверхности пальца достигается полировкой, которой предшествует тщательная механическаяобработка.Поршневые кольца изготовляются из чугуна и стали. Важнейшимтребованием к материалу дляпоршневых колец является износостойкость. Причем коэффициенттрения скольжения по поверхностицилиндра должен быть как можноменьше, а материал колец долженвыдерживать высокие давленияпри различных температурах в условиях недостатка смазочного материала, не проявлять склонностик заеданию и хорошо прирабатываться в условиях подвижного контакта с цилиндром.Материал колец должен иметьдостаточно высокий модуль упругости для обеспечения необходимого давления на стенку цилиндра,высокий предел текучести и достаточную твердость.Перечисленнымтребованиямдостаточно полно удовлетворяет серый модифицированный чугун,свойства которого во многом зависятот его структуры в отливке.
Для повышения механических свойств колец применяют центробежное литьес последующей термообработкой.Для улучшения свойств вводят небольшие добавки хрома, меди, молибдена, ванадия и олова. В данномслучае можно получить кольца с такими параметрами: sв = 480 МПа,Е = (1,4–1,7)105 МПа, твердость230–285 НВ. В качестве материаловдля колец применяются и высокопрочные чугуны с параметрами sв == 530 МПа, Е = (1,4–1,8)105 МПа,твердость 240–300 НВ (перлитнаяструктура).Первые кольца многих типовдвигателей изготавливаются из сталей Х12М, 50Г, 65Г в виде стальнойпружинной ленты.
Для повышенияпрочности в двигателях специального назначения применяют кольца из стали 4Х5МФ1С–Ш.4.6. Моделирование тепловогои напряженнодеформированногосостояний (ТНДС) поршневойгруппыПри моделировании ТНДС поршневой группы могут применятьсяматематические модели различногоуровня, отличающиеся детализацией описания геометрии отдельныхэлементов, детализацией описанияусловий нагружения и теплообмена на поверхностях поршня, учетом анизотропии и зависимостисвойств материалов от температурыи др.
Кроме того, используются какстационарные, так и нестационарные модели.Расчет полей температур, деформаций и напряжений деталейпоршневой группы в зависимостиот целей и требуемой точностиоценки ТНДС может быть выполнен как с помощью моделей, базирующихся на аналитических методах, так и с помощью моделей, использующих численные методы и,прежде всего, МКЭ. Обычно примоделировании стационарных полей температур, деформаций и напряжений поршень рассматриваютотдельно от сопряженных с ним деталей, влияние которых на егоТНДС учитывается выбором соответствующих краевых условий. Однако при этом требуется априорная оценка температур цилиндра,поршневых колец, поршневого161пальца, при расчете которых, всвою очередь, требуется знаниетемпературы поршня.
Поэтомувследствие взаимовлияния условийтеплообмена на поверхностях сопряженных деталей и взаимосвязиих полей температур, а также полейдеформаций и напряжений, этиполя должны быть согласованымежду собой и моделироваться совместно в рамках решения общейзадачи моделирования ТНДС деталей цилиндропоршневой группыдвигателя.
Соответствующая математическая модель будет описанапри расчете теплового состояниягильзы (втулки) цилиндра.4.6.1. Граничные условия примоделировании стационарноготеплового состояния поршневойгруппыМногочисленные экспериментына работающих двигателях показали, что на установившихся режимах работы температурное полепоршня в течение рабочего цикламеняется незначительно и можетсчитаться стационарным. В случаенезависимости коэффициента теплопроводности от температуры определение стационарного температурного поля поршня связано с решением дифференциального уравнения (2.4) при заданных условияхтеплообмена на внешних поверхностях, а также поверхностях внутренних полостей. Основная трудность при расчете связана с обоснованным выбором указанных граничных условий теплообмена.Наибольшие трудности при оценкеграничных условий приходитсяпреодолевать при расчете составного поршня с масляным охлаждением (рис.
4.30); цельнометаллический поршень является здесь частным случаем.Рис. 4.30. Граничные условия при моделировании теплового состояния поршняСуммарный теплообмен конвекцией и излучением между газоми головкой поршня характеризуется коэффициентом aS = a1 теплоотдачи и результирующей температурой Тг рез по теплоотдаче или удельным тепловым потоком qS = q01.При этом рассматриваются осредненные за рабочий цикл двигателялокальные значения a1 и q01. Еслине учитывать локальность теплообмена на огневой поверхности днища поршня, то можно допуститьсущественную ошибку при определении его теплового состояния, таккак в ряде случаев различие величины q01 по поверхности днищапоршня достигает пяти раз. Интенсивность теплообмена в камересгорания двигателя увеличиваетсятам, где больше скорость газа ибольше излучение факела горящеготоплива.Следует иметь в виду, что росттангенциальной составляющей скорости, вызываемой закруткой воздушного заряда, может привести кограничению теплообмена междугорячими газами и днищем поршня.Существует большое число формулдля расчета коэффициента теплоот162дачи со стороны газа aг.
Достаточнохорошо зарекомендовала себя формула Вошни для определения осредненного по поверхности днищапоршня текущего значения aг по углу поворота коленчатого вала двигателя:a ¢г = 130D -0,20T -0,53 p 0,80 ´éùV T´ êC1 C m + C 2 h a ( p - p0 )úpaV aëû0, 80,(4.8)где С1 = 6,180 + 0,417Сu/Сm – дляпроцессов газообмена (Сu – окружная скорость газа); С1 = 2,280 ++ 0,308Сu/Сm – для процессов сжатиясгораниярасширения; С2 == 0,00324 – для дизелей с непосредственным впрыском.Для учета локальности теплоотдачи со стороны горячих газов может быть использован метод расчета радиационноконвективного теплообмена с использованием теории турбулентного пограничногослоя, разработанный в МГТУ им.Н.Э.
Баумана. Включение конвективного и лучистого тепловых потоков в интегральное соотношениеприводит к дифференциальномууравнению относительно потериэнтальпии, по величине которойопределяются локальные числаСтантона и Нуссельта (коэффициент теплоотдачи aг).На рис. 4.31 представлено распределение aг по радиусу днищапоршня автомобильного дизеля нарежиме полной мощности. Формула (4.8) используется в качестве интегральной оценки полученногораспределения aг.Зависимость коэффициента теплоотдачи a2 = aм от днищапоршня в масло зависит от способа охлаждения.
В поршнях, охлаждаемых масляным туманом поРис. 4.31. Распределение осредненного за рабочий цикл локального коэффициента теплоотдачи в зависимости от радиусавнутренней поверхности, принимают aм = 58–147 Вт/(м2×К). Приохлаждении днища поршня опрыскиванием маслом, подаваемымчерез отверстие в шатуне, теплоотдача в местах соприкосновенияструи масла с днищем определяется по эмпирической формулеaм =984V м0,631,63 0,81 0, 25d i nм,(4.9)где Vм – объемный расход масла,л/мин; d – диаметр отверстий, мм;i – число отверстий форсунки в головке шатуна; nм – кинематическая2вязкость, м /с.При циркуляционном охлажденииaм =30V м0,5 П 0,5,n 0,2м f(4.10)где П – смоченный периметр поперечного сечения канала, см; f –площадь поперечного сечения ка2нала, см .В обоих случаях за определяющую принимается средняя температура между температурами маслаи охлаждаемой поверхности.163При охлаждении взбалтываемыммасломaм =7,85[(C y dэкв D) 2 + 0,045V м2 ]0,25dэкв D 0,5 n м0,25,(4.11)где dэкв = D2 – D1 – разность наружного D2 и внутреннего D1 диаметровкольцевой полости, где происходитвзбалтывание (рис.
4.20); D = dс i с0,5 ;iс и dс – соответственно число сливных отверстий и их диаметр; Су –скорость удара масла.При наличии полости охлаждения в поршне (см. рис. 4.19) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала величина aм составляет 2500–3500 Вт/(м2×К), увеличиваясь с ростом частоты вращенияколенчатого вала.Теплоотдача от поршня вкольца происходит по верхней инижней поверхностям поршневых канавок и характеризуетсявысокими значениями коэффициентов теплоотдачи. Разброс рекомендуемых значений a достигает тысяч и даже десятков тысячВт/(м2×К).
Поэтому уточнениюпараметров теплообмена в уплотнительном поясе уделяют значительное внимание.Процесс теплопереноса от поршня к гильзе цилиндра в зоне поршневых колец связан с преодолениемцепочки термических сопротивлений, включая термосопротивлениесамого кольца Rк = dк/l (dк – протяженность траектории распространения теплоты по кольцу), и термические сопротивления Ri (i = 1, 4) наповерхностях поршневых канавокпоршня и гильзы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
