Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 74
Текст из файла (страница 74)
Свойства стали для деталей корпусов тепловозных и среднеоборотных дизелейПредел Предел вы Коэффици УдлинениеМодульМаркаТермическаяупругости прочности носливости ент Пуас при разрывематериала обработка (т/о)Е, МПа sвр , МПа s-1, МПасона md,%Сталь 20(Л) Высокий отпуск2,0×105420стали Ст3, 20, 25, 30. Кипящие сталине следует применять ввиду большого количества растворенных газов,что приводит к понижению прочностных характеристик свариваемыхэлементов корпуса.Детали остова малооборотныхкрейцкопфных двигателей такжевыполняют литыми из чугуна исварнолитыми (сварными) из малоуглеродистой стали. В табл.
9.5приведены свойства стали, используемой для деталей корпусовтепловозных и среднеоборотныхдизелей, а также элементов остовов МОД.9.3. Моделированиенапряженнодеформированногосостояния корпусных деталейПри расчете корпусных деталейважно определить как напряжения,так и деформации, а в ряде случаеврасчет на жесткость имеет первостепенное значение.Определение перемещений, деформаций и напряжений в корпусахпоршневых двигателей различныхтипов и назначений может быть выполнено с помощью математических моделей различного уровня. Внастоящее время наиболее эффективные модели базируются на численных методах и, прежде всего,методе конечных элементов.Первоначально использовалисьпростейшие одномерные модели,базирующиеся на схемах, используемых в сопротивлении материалов при расчете стержней на растяжениесжатие, изгиб и кручение.1500,322При этом обычно в угоду применению простых готовых решенийчрезмерно упрощалась форма рассчитываемой детали, не учитывались в должной мере действительные краевые условия.
В результатерешалась отличающаяся от исходной другая задача, часто весьма далекая от действительности.Простейшими моделями, которые можно отнести к моделям первого уровня, являются модели расчета на изгиб отдельных сеченийфундаментной рамы, расчета Аобразной стойки картера на растяжение, сдвиг и изгиб и им подобные.При расчете поперечной балкифундаментной рамы от действиясил давления газов Рz (см.
рис. 9.9)принимают, что изгибающий момент Ми в сечении по середине между осями стяжных болтов от силдавления газа РM и = Pl 4,(9.1)где Р – сила давления газов, действующая на рамовый (коренной)подшипник от двух соседних цилиндров, силами инерции пренебрегают.Напряжения изгиба sи определяются по формуле:s и = M и Wи ,(9.2)где Wи – момент сопротивленияизгибу расчетного сечения.Подобную схему использовалипри расчете на изгиб и продольныхэлементов остова. При этом поперечное сечение продольных балокфундаментной рамы совместно с по358перечным сечением картера и блокацилиндров рассчитывали на изгибпо формуле типа (9.2), в которуюподставляли наибольшее значениеизгибающего момента относительнооси, перпендикулярной коленчатомувалу, а W представлял момент сопротивления изгибу относительноэтой оси поперечного сечения всехдеталей остова, соединенных анкерными связями.
Получаемые расчетные напряжения не должны превышать 30 МПа для литых конструкций из чугуна и 50–60 МПа длясварнолитых и сварных.На рис. 9.13 показана расчетнаясхема Аобразной стойки картерамалооборотногокрейцкопфногодвигателя. Рассчитывают наиболеенагруженную стойку, расположенную между смежными цилиндрами, имеющими наименьший интервал по углу поворота коленчатого вала между вспышками. Силыдавления газов на стойку передаются через короткие анкерные связи, соединяющие блок цилиндров сверхними полками стоек.Стойка считается опертой нафундаментную раму. Расчетноесечение, перпендикулярное наклонной стенке, проходит вблизивнутренней угловой точки.
Пренебрегая силами инерции, вертикальную Р и боковую N силы,действующие на стойку, опредеP + Pi +1ляют по формулам P = i,2N + N i +1N= i, как полусумму сил2в смежных iм и (i+1)м цилиндрах. Расстояние l точки приложения реакций в опоре Р/2 от середины стойки определяется какцентр параллельных сил, действующих по осям болтов крепления стойки к фундаментной раме.Растягивающая сила в сечении 1–1:Pp =PNcos a - sin a .22(9.3)Сдвигающая сила в сечении 1–1:Pq =PNsin a + cos a ,22(9.4)где a – угол наклона боковых стенок стойки.Изгибающий момент в сечении1–1:Mи =Рис. 9.13.
Схема для расчета стоекPNS + h,22(9.5)где S, h – соответственно расстояния от центра тяжести сечения 1–1до точки приложения реакции вопоре в горизонтальном и вертикальном направлениях.359Нормальные и касательные напряжения в сечении 1–1 определяются по формулам:sp =PpF; sи =MиP; t= q;(9.6)WиFs экв = (s p + s и ) 2 + 4t 2 ,где F, Wи – соответственно площадь и момент сопротивления изгибу сечения 1–1.Эквивалентное напряжение недолжно превышать 30–40 МПа длястоек из чугуна и 50–70 МПа длястоек из стали.К модели первого уровня относится и схема расчета несущихблоккартеров на изгиб в продольной плоскости. В отличие от принятой статически определимой схемырасчета поперечной балки фундаментной рамы (см. рис.
9.9) прирасчете на изгиб корпуса многоцилиндрового двигателя, корпус представляют двумя поясами – балкамипеременного сечения на упругихопорах, которыми являются межцилиндровые стойки.Внешняя нагрузка от давлениягазов прикладывается по осям шпилек, крепящих крышки цилиндров кблоку. С помощью уравнения пятимоментов находят неизвестные надопорные моменты и усилия, действующие на упругие опоры–стойки, азатем напряжения в стойках и различных сечениях блока.
Коэффициент запаса прочности блока определяется по формуле (2.147) и он должен быть не менее 1,8.Недостаткомрассмотренныхмоделей первого уровня, несмотряна их простоту и наглядность, является невозможность учета распределения напряжений по сложным поперечным сечениям блокацилиндров (или картера). Крометого, представление корпуса двигателя в виде балки (пусть и переменного сечения) является слишкомусловным, учитывая соотношенияразмеров корпуса, в частности, подлине и высоте.Более близкими к действительности являются расчетные схемы,основанные на двумерном конечноэлементном представлении элементов корпуса двигателя, в частности,межцилиндровой стойки, которыеможно отнести к моделям второгоуровня.
На рис. 9.14 показана конечноэлементная модель межцилиндровой стойки корпуса Vобразного тепловозного двигателя. Двумерные конечноэлементные модели, в которых стойка рассматривается как отделенный от блоккартера элемент, без взаимосвязи с другими элементами корпуса двигателя, можно отнести к моделям второго уровня.
Эти модели нередкоРис. 9.14. Конечноэлементная модель межцилиндровой стойки Vобразного тепловозного дизеля360использовались в практических расчетах. Основная погрешность в данном случае связана с допущением оплоском напряженнодеформированном состоянии стойки, что непредусматривает учета действующей на нее моментной нагрузки.Погрешность может быть уменьшена дополнительным рассмотрением задачи изгиба стойки и суперпозиции мембранных и изгибныхнапряжений. Следует отметить, чтоуровень изгибных напряжений посравнению с мембранными относительно невысок и составляет 10–20 %. В качестве нагрузок принимаются сила давления газа и инерционные силы, а также монтажныеусилия от затяжки силовых шпилеки болтов. Более обоснованное определение горизонтальных и вертикальных усилий Rг и Rв, действующих на стойки, получается при расчете коленчатого вала по неразрезной схеме.На рис.
9.15 показаны векторные диаграммы усилий, соответственно действующие на вторую итретью коренные опоры Vобразного 16ти цилиндрового тепловозРис. 9.16. Эпюры размахов циклических напряжений (МПа) на контуре третьей стойки блоккартера Vобразного 16ти цилиндрового тепловозного двигателя (в скобках даны экспериментальные значения)ного двигателя. На рис. 9.16 даныэпюры максимальных размаховциклических напряжений (2sа) наконтуре третьей стойки блоккартера (в скобках даны экспериментальные значения) на режиме номинальной мощности при n == 1000 мин-1.
Как видно, мембранные напряжения с учетом их переРис. 9.15. Векторные диаграммы усилий на коренные опоры Vобразного тепловозного дизеля:а, б – соответственно действующие на вторую и третью опоры361менного характера достигают заметных значений более 80 МПа навнутренних контурах стойки.Применительно к чугуннымтуннельным блоккартерам быстроходных транспортных дизелей максимальные значения главных напряжений достигают в стойках170 МПа, при этом различие с результатами эксперимента составляет порядка 12–15 %.Наличие современных программных комплексов и вычислительной техники позволяет при расчете напряженнодеформированного состояния корпусных деталей современных двигателей, включаяблоккартеры, использовать трехмерные конечноэлементные модели с большим числом элементов истепеней свободы, достигающим150 тыс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
