Шабров Н.Н. - Метод конечных элементов в расчётах деталей тепловых двигателей (1061803), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Тсмпературяое поле поршня разбросе температур в танген- циальном направлении. Мы склонны объяснить это двумя причинами: 1) характером рас:пределения граничных условий теплообмсна; 2) геометрией го.ловки поршня, которая в известном смысле стилизована как осесимметричная часть конструкции. Максимальная температура в поршне наблюдается в центре на огневой поверхности днища и составляет 545 К. Затем по мере удаления от центра температура на огневой стороне убывает до :значения 493 К в углублении днища и далее опять возрастает до 538 К на кромке гребня поршня. Следует отметить, что при струй.ном охлаждении поршня меридиональные и нормальные к поверхности температурные градиенты в днище являются величинами примерно одного порядка.
При этом па участке тронка от гребня и ниже в секторе, опирающемся на продольное и перпендикулярное к оси пальца сечение поршня, имеет место изменение направ.ления температурных градиентов от осевого к радиальному. :Значительно менее ярко эта тенденция выражена для продольного сечения, проходящего через ось пальца. Лналпз напряженно-деформированного состояния поршня от ,действия сил давления газов выполнялся для значения Р, =- = 12 МПа. При этом на верхней части опорной поверхности бобышки заданы усилия реакции поршневого пальца, определенные из уравнений статического равновесия, и для удовлетворения условий симметрии запрещены перемещения точек, лежащих на плоскостях симметрии в направлении из этих плоскостей. На рис. 9.31 и 9.32 представлены профили контуров некоторых сечений деформированного механическими силами поршня.
Ре.зультаты расчетов показывают, что днище поршня, прогибаясь, .1 78 принимает седлообразпую форму, от действия механических сил боковая цилиндрическая поверхность поршня овализуется. Причем для поперечных сечений поршня на уровне кромки юбки и гребня у~ асзсмах Яыс сссрс Рис . 9 .3 ! . Овал и зация кромки юбки и гребня поршня от действия сил давления газов . Рис.
9.32. Деформация поршня от действия сил давления газов свойственны различные направления больших главных осей овалов. Так, при овализации кромки юбки направление большой главной оси овала совпадает с осью поршневого пальца, а при овализации гребня Г направление большои главгз ! ной оси овала перпендикулярно к оси пальца. Максимальное значение прогиба наблюдается в центре днища и составляет 0,0462 мм. На рис. 9.33 приведены сснпл расчетные значения меридиональных механических напряжений на контуре для двух продольных сечений порш.ш. Распределение ме.ханических напряжений в поршне указывает, что элементы поршня испытывают в основном напряжения сжа- Рнс.
9.33. Распределение мернднонасштис! МансиМальное значенне ных механических напрялсспий по поверхности поршня напряжений сжатия равно 65 МПа и отмечается на опорной поверхности бобышки. Наибольшее напряжение сжатия в днище поршня отмечено па огневой стороне усиленного бобышкой сечения в месте, несколько смещен- 179 ном в сторону от центра, и составляет 35 МПа. Отсутствие напряжений па внутренней поверхности центральной части днища является следствием нейтрализации изгибных напряжений растяжения напряжениями от действия сжимающих меридиональных усилий. На рис. 9.34 и 9.35 приведены соответственно расчетные значения меридиональных температурных напряжений и профили контуров для двух продольных сечений поршня.
Результаты рас- Рис. 9,34. Деформация поршня от действия темпера- турного поля чета показывают, что температурные деформации в поршне значительно превалируют над деформациями от действия механических сил и составляют десятые доли миллиметра. Иначе говоря, днище поршня вспучивается, а периферийная часть расширяется с определенным разворотом тропка в направлении от днища наружу..Максимальное вспучивание отмечено в центральной части днища и составляет 0,497 мм. Расчет температурных напряжений свидетельствует о весьма существенных их значениях в днище поршня, изготовленном из материала АЛ25, причем здесь также реализуются в основном напряжения сжатия.
Механизм образования приведенных на рис. 9.35 температурных напряжений мы склонны объяснить следующим образом. При вспучивании днища происходит поджатие материала в углублении и в днище со стороны огневой поверхности. Однако степень этого поджатия различна для различных сечений. Так, для усиленного бобышкой сечения поджатие, очевидно, будет большим, 180 чем для других сечений, поскольку в этом сечении цилиндрическая или тронковая часть поршня имеет значительную изгибную жесткость. Кроме того, поджатие материала происходит в центральной части днища со стороны внутренней поверхности, при этом центральная часть днища со стороны огневой поверхности, а также периферия днища со стороны внутренней поверхности испытывают некоторое растяжение.
На это так называемое момент- Рис. 9.35. Распределение меридиональных темпера- турных напряжений по поверхности поршня ное напряженно-деформированное состояние в днище поршня накладываются мер идиональные сжимающие усилия, которые обусловлены действием соответственно ориентированных меридиональных температурных градиентов. В результате этого усугубляется сжатие в местах углубления в днище со стороны огневой поверхности и в центральной части днища со стороны внутренней поверхности при одновременной нейтрализации растяжения даже с преобладанием сжатия в центральной части днища со стороны огневой поверхности и на периферии днища со стороны внутренней поверхности.
Максимальное значение температурных напряжений сжатия отмечено на огневой поверхности в месте углубления в днище над бобышкой и составляет 66 МПа. Перемена знака температурных напряжений на внешней поверхности тропка с нашей точки зрения обусловлена изменением направления температурных градиентов в этой части поршня. Так, растяжению верхней части тропка соответствует осевой температурный градиент, а радиальный температурный градиент в средней части тронка вызывает его температурный изгиб, следствием которого является сжатие на внеш- 1В! ней поверхности цилиндрической стенки. Поскольку наибольшее изменение направления температурных градиентов в тронковой части поршня отмечено для продольного и перпендикулярного сечения оси пальца, то там же наблюдаются и наибольшие абсолютные значения температурных напряжений сжатия и растяжения.
На основе рассмотренных расчетных данных можно полу- 'I чить довольно ясное представление о рабочем профиле боковой поверхности поршня для различных продольных сечений (рис. 9.36). Это дает возмож- 1 ность еще на этапе проекти1) ,|1 рования прогнозировать опти- , 11 ' | мальные рабочие зазоры между поршнем и втулкой цилиндра 1161. Как и следовало ожиРис. 9.36.
Рабочий профиль юбки Дать, РаспРеДЕлениЕ напРЯжЕ- поршня: ний и деформаций в цельном — — — — сечение, перпендикуляРное поршнс нОсит явно неосеснмк оси пальца; — — — — сечение, проходнщее через ась пальца метричныи характер. В связи с этим попытки вести расчет напряженно-деформированного состояния цельного короткого поршня на основе осесимметричных концепций вряд ли целесообразны. 9.5. АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОРШНЯ ЛЕГКОГО БЫСТРОХОДНОГО ФОРСИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ В процессе рабочего нагружения под воздействием тепловых и механических нагрузок возникают сложные пространственные деформации (радиальные перемещения) сопрягаемых поверхностей поршня и гильзы цилиндра.
Эти деформации вызывают неравномерное изменение цилиндропоршневого зазора и радиальных давлений на юбку поршня, ухудшают условия гидродинамической смазки трущихся поверхностей, нарушают работу поршневых колец, отрицательно влияют на расход масла и могут служить причиной различных дефектов: усталостных разрушений, износов, натиров и задиров. Особенно остро проблема деформаций стоит в классе легких быстроходных дизелей, для которых жесткие ограничения массо- габаритных показателей и применение легких конструкционных материалов обусловили низкую конструкционную жесткость и повышенный уровень деформаций их деталей. Опыт доводочных 182 испытаний и экспериментальные исследования цилиндропоршневой группы легкого быстроходного дизеля ЧН 16/17 выявили существенное влияние геометрии боковой поверхности поршня и величины цилиндропоршневого зазора на напряженно-деформированное состояние и работоспособность тонкостенной гильзы цилиндра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
