ПЗ (Филенко 151) (1228550), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Рисунок 2.7 – Изменённый поршневой палец

Для исследования напряжённо-деформированного состояния шатуна использовалось приложение SolidWorks Simulation, которое производит инженерные расчёты на основе метода конечных элементов. Для упрощения расчётов были приняты следующие условия проведения исследования:

- поршневой палец является абсолютно жёстким телом;

- тип связи пальца с внутренней поверхностью отверстия верхней головки шатуна – «ролик-ползун»;

- внутренняя поверхность отверстия нижней головки шатуна жёстко зафиксирована.

Суть испытания заключалась в том, что к плоским граням поршневого пальца изменённой конструкции прикладывалось усилие, соответствующее суммарной силе, приложенной к центру пальца. Условия нагружения стержня шатуна при различных положениях коленчатого вала имитировались поворотом пальца вдоль своей оси. Угол наклона нагруженных граней пальца к горизонтальной плоскости соответствует углу наклона шатуна β. Результаты схожего расчёта представлены в источнике [17].

График прикладываемой силы, изображённый на рисунке 2.8, получен теоретически при помощи инженерной программы «Дизель РК» следующим образом. На основании известных параметров установки в программе была получена примерная индикаторная диаграмма для данной установки, после теоретически была рассчитана сила инерции. Прикладываемой к пальцу силой будет являться сумма сил давления газов и силы инерции.

Рисунок 2.8 – Прикладываемая суммарная сила

Для имитации тензоэлементов в программе SolidWorks на шатуне в определённых местах были созданы дополнительные грани в виде прямоугольников с длинной 20 мм и шириной 5 мм. С помощью инструмента «датчик» по площади каждой грани определялось среднее нормальное напряжение по оси ординат, которая направлена вдоль шатуна. Именно вдоль шатуна действует интересующая нас сила K. Пример можно наблюдать на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 – Часть шатуна дизеля ИТ-9-3

На каждой боковой грани стержня шатуна было смоделировано по три тензоэлемента. Два в верхней части D1(П) и D1(Л), два в средней D2(П) и D2(Л) и два в нижней D3(П) и D3(Л). Каждая пара датчиков находится на одном уровне. Для компенсации изгиба шатуна из значений каждой пары датчиков находилось среднее арифметическое.

Наглядное изображение расположения датчиков на стержне исследуемого шатуна можно наблюдать на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 – Расположение датчиков на шатуне

После установки датчиков программе SolidWorks для теоретической проверки предлагаемого метода были проведены все операции, описанные выше. По окончанию проведения испытаний на основании полученных данных были построены графики зависимости показаний датчиков в МПа в зависимости от угла поворота коленчатого вала и соотнесены с теоретически посчитанной силой K. Синим цветом изображена сила K, Н, посчитанная теоретически, а оранжевым цветом показания датчика, МПа. Графики соотнесены для того чтобы проследить имеют ли функции похожий характер.

Данные характеристики можно наблюдать на рисунках 2.11–2.13.

Рисунок 2.11 – Сопоставление характеристик

Рисунок 2.12 – Сопоставление характеристик

Рисунок 2.13 – Сопоставление характеристик

Как можно заметить из приведённых выше графиков характер изменения показаний датчиков, установленных в верхней части шатуна имеют наиболее яркую схожесть с характером изменения теоретической силы K, которая была посчитана по известным зависимостям. К сожалению, есть небольшая разница по амплитуде в пиковом значении. Это могло быть вызвано тем, что в ходе эксперимента были приняты некоторое упрощения, которые были оговорены ранее при описании хода расчёта.

Также из представленных выше характеристик становится очевидным тот факт, что чем ниже от верхней головки шатуна расположены импровизированные датчики деформации, тем заметнее становится расхождение между показаниями датчиков и теоретической силой. Это может быть обусловлено тем, что на разных уровнях расположения датчиков, изменяется значение массы шатуна, которой расположена над датчиком. Окончательный вывод о месте расположения тензоэлементов можно будет сделать только после дополнительных проверок.

Для того чтобы подтвердить или опровергнуть полученные результаты первого эксперимента с шатуном дизеля ИТ-9-3 был произведён дополнительный расчёт смысл которого заключается в том, чтобы проверить совпадает ли график силы , полученный в инженерной программе SolidWorks, с теоретически посчитанной по известным законам силой . Ход эксперимента состоит из четырёх этапов, которые изложены ниже.

На первом этапе эксперимента была выполнена сборка твердотельных моделей шатунно-поршневой группы среднеоборотного четырёхтактного дизеля без наддува ИТ-9-3, которая состоит из:

- поршень;

- поршневой палец, изменённой конструкции;

- шатун;

- часть коленчатого вала.

Модель сборки можно наблюдать на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 – Шатунно-поршневая группа дизеля установки ИТ-9-3

На втором этапе был определён метод получения силы , Н. Он состоит в том, что в сборке шатунно-поршневой группы шатун рассекался на две части. Сечение необходимо для того, чтобы при помощи инструментов SolidWorks получить возможность регистрировать силу контакта между рассечёнными частями шатуна во время смоделированного процесса работы шатунно-поршневой группы. Для того чтобы компенсировать рассечение, была добавлена пружина, один конец которой был закреплён в центре выреза верхней головки шатуна, а другой в центре выреза нижней головки. Для того чтобы избежать искажения полученных данных, из-за присутствия пружины, необходимо задать пружину таким образом, чтобы она существовала только в виде силы, которая удерживает верхнюю и нижнюю часть шатуна. Для этого до проведения испытаний в настройках пружины задавались следующие параметры:

- пружина имеет длину 0 мм;

- диаметр витка 0 мм;

- диаметр основания 0 мм;

- пружина состоит из одного витка.

Жёсткость настраивалась таким образом, чтобы в момент начала движения шатуна, не терялся контакт между его верхней и нижней частью. После получения данных о изменении силы контакта из них была вычтена сила, созданная пружиной. После этого преобразования были получены данные о изменении , Н.

Теоретическая сила была получена следующим образом. Расчёт можно произвести на основании известных зависимостей (2.6)–(2.11)

, (2.6)

где – суммарная сила приложенная в центре поршневого пальца;

– сила давления газов;

– сила инерции поступательно движущихся масс, которая рассчитывается по формуле

, (2.7)

где j – ускорение поршня, м/ , рассчитывается по формуле (3.4);

– масса поступательно движущихся масс, кг, рассчитывается по формуле

, (2.8)

где – масса поршня, кг;

– масса поршневого пальца, кг;

– масса верхней части шатуна, кг.

, (2.9)

где r – радиус кривошипа, м;

ω – угловая скорость, , которая рассчитывается по формуле

, (2.10)

где n – частота вращения коленчатого вала, об/мин.

Значения масс и другие параметры сборки указаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Параметры опыта

Название параметра	Нижнее сечение	Верхнее сечение
Ход поршня, м	0,130
Длина шатуна, м	0,270
Радиус кривошипа, м	0,054
Радиус поршня, м	0,044
Масса поршня, кг	1,798	1,798
Масса поршневого пальца, кг	0,254	0,254
Масса шатуна, кг	1,503	1,503
Масса верхней части шатуна, кг	0,846	0,308
Масса нижней части шатуна, кг	0,657	1,194
Постоянная КШМ	0,200

Как упоминалось ранее сила, действующая вдоль шатуна K рассчитывается

. (2.11)

Так как на данном этапе исследования мы берём во внимание только силы, возникающие в шатуне во время вращения коленчатого вала без учёта давления газов, мы можем сказать, что

. (2.12)

Следовательно, и формула (2.11) преобразится следующим образом

. (2.13)

Теоретическую силу, действующую вдоль шатуна K возможно вычислить, воспользовавшись уравнениями (2.7)–(2.10), (2.13). Угол наклона шатуна вычисляется через уравнение (2.2).

На третьем этапе на шатуне были выбраны места для двух сечений, которые изображены на рисунке 2.15 красным цветом. Первое рассечение располагается в нижней части, второе в верхней. Жёсткость пружины подбиралась индивидуально для каждого сечения. Так как сила, которую создаёт пружина вычитается из полученных данных, разный коэффициент жёсткости в опытах не помешает сравнивать их между собой.

Рисунок 2.15 – Шатун дизеля установки ИТ-9-3

Характеристики

Список файлов ВКР