Шабров Н.Н. - Метод конечных элементов в расчётах деталей тепловых двигателей (1061803), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Как следствие взаимного сдвига днища и тела опоры — износ и дефекты опорной поверхности днища и тела опоры. Экспериментальные исследования, проведенные на БМЗ, подтверждают эти рассуждения. Б отличие от существующего положения, при котором износ Г1 Рис. 9.24. Деформация поршня от действия температурного поля: — — конструкция поршня с опертым днищем; — — конструк- ция поршня с иеопертмм днищем опорной поверхности днища определяется только в процессе многочасовых испытаний, предлагаемая методика позволяет его прогнозировать, чтобы заранее установить первоначальный скос плоскости опоры для обеспечения полного контакта рабочих поверхностей опор во время работы поршня. В результате теплового расширения периферийной зоны поршня происходит смещение кромки гребня в сторону от центра.
Величина смещения не только определяет размер рабочего зазора между поршнем и втулкой, но и оказывает существенное влияние на работу первого кольца. Отличие значений радиального смещения в области кромки гребня по сравнению с радиальным смещением 169 в районе первой кольцевой канавки влечет заметное искажение первоначальной формы канавки (см. рис. 9.24). Наблюдается в некотором смысле неожиданное явление, при котором в зоне первого кольца обеспечивается нормальный температурный режим смазки. С одной стороны, нет беспокойства по поводу надежной работы кольца, но, с другой стороны, кольцо может потерять подвижность в результате защемления кромками канавки.
Расчет показывает, что влияние опоры днища при искажении формы Рис, 9.25. Изменение положения опорной поверхности днища поршня от действия температурного голя канавки вследствие действия температурного поля пренебрежительно мало. Таким образом, обеспечение нормального температурного режима смазки кольца является необходимыъг, но не достаточным условием надежной работы кольца, что лишний раз свидетельствует о сложном многообразии проявления проблемы теплопапряженности поршней. Кроме того, следует отметить, что при экспериментальном исследовании возможно обнаружить только факт потери подвижности кольца в результате его защемления кромками канавки, но почти невозможно установить величину искажения ее первоначальной формы. Предлагаемая методика дает возможность решать этот вопрос уже на стадии проектирования и заранее подготавливать соответствующие мероприятия в случае опасности защемления кольца.
На рис. 9.26 приведены результаты расчета меридиональных механических и температурных напряжений в днище исследуемых вариантов поршня. Расчет механических напряжений свидетельствует о том, что днище поршня вследствие равномерно распределенной по огневой поверхности нагрузки подвержено воздействию изгибающих моментов и меридиональных усилий растяжения.
Изгибающие моменты дают на огневой поверхности напряжения сжатия, которые в центральной части несколько нейтрализуются давленисм усилий растяжения. На охлаждаемой поверхности изгибающие моменты создают напряжения растяжения, которые суммируются с напряжениями того же знака от действия меридиональных сил растяжения. По мере приближения к опоре напряжения на огневой и охлаждаемой поверхностях спертого днища меняют знак. Так, на огневой поверхности меридиональные на- 170 пряжения, меняя знак, достигают максимального значения растяжения около 53 МПа над опорой и затем постепенно затухают к периферии. Наличие над опорой на огневой поверхности опер- того днища так называемого горба напряжений растяжения (рис. 9.26), вероятно, объясняется стремлением днища под действием механической нагрузки перегнуться вокруг опоры.
Это хорошо видно на рис. 9.23, где показано проседание смежных с опорой участков днища. г 1мпу Рис. 9.26. Распределение меридианальнвгх напряжений в днище поршня на внешней (а) и внутренней (б) поверхности; — — — — механические напряжения; — температурные напря- жения Устранение опоры в рассматриваемой конструкции поршня приводит к перераспределению изгибающих моментов таким образом, что на огневой поверхности в средней части днища появляются напряжения сжатия.
11ри этом на огневой поверхности днища над местом резкого изменения угла касательной к меридиану 171 опорной поверхности отмечено максимальное значение напряжений сжатия, которое составляет 35 МПа. В данном случае расчетной схемы поршня с неопертым днищем аномалия в распределении напряжений над опорой на огневой поверхности обусловливается резким изменением изгибной жесткости и соответственно изгибающего момента.
Расчет температурных напряжений показывает, что довольно большой температурный перепад по толщине днища приводит к высоким значениям температурных напряжений сжатия на огневой поверхности и напряжением растяжения на охлаждаемой поверхности днища. Условия закрепления опорной поверхности днища препятствуют перемещению точек этой поверхности в осевом направлении. Это находит отражение в характере распределения температурных напряжений в опертом днище.
Так, равномерность температурного перепада в центральной части опертого днища вызывает при указанных условиях закрепления равномерный температурный изгиб этой части днища. Эффект вспучивания днища от действия температурного поля и стремление при этом повернуться вокруг опоры приводит к появлению высоких значений температурных напряжений сжатия на участке, примыкающем к опорной поверхности со стороны поднутрения. Максимальное значение этих напряжений приблизительно равно 240 М11а В неопертом днище наблюдается некоторое смягчение напряженного состояния в его периферийной части в силу уменьшения температурных перепадов и свободы перемещений в осевом направлении.
Результаты по исследованию влияния опоры на напряженное :состояние цилиндрической части поршня представлены на рис. 9.27. Цилиндрическая часть поршня с опертым днищем испытывает незначительные механические напряжения, которые в основном проявляются в зоне выше первого кольца. На внешней поверхности отмечены осевые напряжения сжатия, максимальное значение которых имеет место в ослабленном сечении стенки. На внутренней поверхности стенки отмечены осевые напряжения растяжения с максимальным значением также в ослабленном сечении. Картина такого распределения осевых механических напряжений в цилиндрической стенке поршня с опертым днищем сразу уясня- ется из рассмотрения формы деформации стенки от действия механической нагрузки (см.
рис. 9.23). Совпадение значений максимумов напряжений сжатия на внешней поверхности и напряжений растяжения на внутренней поверхности указывает, что в районе поднутрения имеет место чистый изгиб стенки. Однако изгибающий момент, действующий в ослабленном сечении стенки в районе поднутрения, невелик по значению и практически затухает уже в зоне второй кольцевой канавки. Таким образом, зона стенки ниже второго кольца остается, в сущности, свободной от механических напряжений. Для конструкции поршня с опертым днищем механические напряжения в кольцевых канавках и на цилиндрической 172 поверхности междукольцевых зон ввиду своей малости на рисунке не приводятся.
В поршне с неопертым днищем характер распределения механических напряжений и цилиндрической части качественно меняется. гкек б б,МО '.0 -ГПО -Ваа ,и 0„44 Пбб 066 0,72 ПВВ б,ЯПа пап -100 -200 -Ваап О ОИ Я22 033 444 Обб О 66 077 ОВВ Ь Рис. 9.27. Распределение меридианальных напряжений на внешней и внутренней поверхности цилиндрической части пор|пня: — — — — конструкции с неопертым днищем; — — конструкция с опертым днищем Перераспределение изгибающих моментов в днище оказывает, пожалуй, самое сильное влияние на напряженное состояние в районе поднутрения. Во-первых, совершенно меняется характер деформаций верхней части цилиндрической стенки ~см.
рис. 9.23), во-вторых, уровень механических напряжений сжатия на внутренней поверхности в зоне поднутрения достигает высокого значения ПЗ 217 МПа (см. рис. 9.26). Высокие значения напряжений сжатия в зоне поднугрения обусловлены совместным действием осевой силы сжатия и изгибающсго момента, который дает в этом случае на внешней поверхности стенки осевые напряжения растяжения, а на внутренней — осевые напряжения сжатия.
Следует отметить, что высокие значения напряжений локализованы в зоне ослабленного сечения и быстро затухают при удалении от пего. Напряженное состояние в части цилиндрической стенки от первого кольца и ниже реализуется в основном за счет осевой сжимающей силы и в незначительной степени за счет изгибающих моментов, причем напряжения сжатия в кольцевых канавках достигают значения 75 МПа (рис.
9.27). Гребень поршня как самая нагретая его часть значительно смещается в сторону от центра, создавая тем самым изгибные температурные напряжения. На внешней поверхности стенки образуются температурные напряжения сжатия, которые имеют максимальные значения в зоне ослабленного поднутрения сечения и на цилиндрической поверхности первой кольцевой канавки.
На внутренней поверхности стенки образуются температурные напряжения растяжения, которые имеют максимальные значения также в зоне ослабленного поднутрением сечения и напротив первой кольцевой канавки. Самое высокое значение температурных напряжений отмечено в первой кольцевой канавке для поршня с неопертым днищем и составляет 290 МПа сжатия. Поскольку температурное ноле стенки от первого кольца и ниже является более илп менее равномерным, то действие температурного изгибающего момента постепенно затухает от первой кольцевой канавки до края поршня. Это обстоятельство подтверждается данными расчета, которые показывают, что температурные напряжения как на внешней, так и па внутренней поверхностях стенки затухают по мере приближения к краю поршня. Из расчета видно, что устранение опоры днища оказывает определенное влияние на распределение температурных напряжений в стенке, но не нарушает при этом общей тенденции температурного напряженного состояния в стенке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
