Исследование и разработка методики оценки долговечности головок цилиндров тракторных дизелей с воздушным охлаждением
На правах рукописи
ПРЫГУНОВ МАКСИМ ПЕТРОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Специальности: 05.02.02 – «Машиноведение, системы приводов и детали машин», 05.04.02 – «Тепловые двигатели»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владимир 2013 Диссертационная работа выполнена на кафедре «Тепловые двигатели и энергетические установки» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)
Научный консультант: Гоц Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «ТД и ЭУ» ФГБОУ ВПО «ВлГУ» Научный консультант: Иванченко Александр Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «ТМС» ФГБОУ ВПО «ВлГУ»
Официальные оппоненты: Кавтарадзе Реваз Зурабович, доктор технических наук, профессор кафедры «Поршневые двигатели» ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана» Глинкин Сергей Александрович, кандидат технических наук, инженер конструктор ООО «НИПТИЭМ (г. Владимир)
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «НГСХА», г. Нижний Новгород
Защита диссертации состоится 2 июля 2013 г. в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.05 при ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) по адресу: 600000, г. Владимир, ул.
Горького, 87, корп. 1, аудитория № 335.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) по адресу:
600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корп. 1.
Автореферат размещен на сайтах ВАК РФ (http://vak.ed.gov.ru) и университета (www.vlsu.ru).
Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверен ной печатью учреждения, просьба высылать по адресу: 600000, г. Влади мир, ул. Горького, 87, ученому секретарю совета, тел. (4922) 47-99-28, факс (4922) 53-25-75, email: [email protected] Автореферат разослан 31 мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Е.А. Новикова ОБЩИЕ СОКРАЩЕНИЯ БС – безмоторный стенд КС – камера сгорания ГУ – граничные условия КЭ – конечный элемент ГЦ – головка цилиндра КЭМ – конечно-элементная модель ДВС – двигатель внутреннего сгорания МКЭ – метод конечных элементов ТНДС – тепловое напряженно-деформированное состояние
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Непрерывный рост удельных мощностей приводов объектов машиностроения обуславливает суще ственное возрастание нагрузок на их конструкцию. Так форсирование ди зелей приводит к увеличению термических и механических нагрузок на детали, образующие КС (поршень, цилиндр и ГЦ), которые играют важ ную роль в формировании жизненного цикла двигателя. В результате про текания рабочего процесса поршневого ДВС происходит нагрев ГЦ со сто роны КС, что сопровождается образованием на огневой поверхности тем пературных полей с ярко выраженным перепадом. Рост температур приво дит к ухудшению механических свойств материала ГЦ, а перепадов – к увеличению термических напряжений. При работе тракторного дизеля на неустановившихся режимах, наиболее характерных для условий эксплуа тации, ТНДС ГЦ постоянно изменяется во времени, что вызывает образо вание трещин в наиболее напряженных сечениях: перемычках межклапан ных, а также между отверстиями под распылитель форсунки и клапаны.
Появление трещин на перемычках ГЦ приводит к отказам двигателя. Это обстоятельство вызывает необходимость разработки методики оценки дол говечности ГЦ на стадии проектирования с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации и создания методик ускоренной оценки дол говечности и средств для их реализации на стадии доводки. Поэтому рас сматриваемая тема исследований является актуальной.
Степень ее разработанности. По результатам выполненной работы разработана новая расчетно-экспериментальная методика оценки долго вечности ГЦ и технические средства для ее ускоренного определения при доводке двигателя. Предложены математические модели для расчета тем пературных полей огневого днища ГЦ при работе двигателя на различных режимах. Доказана адекватность температурных полей при испытании на БС и при стендовых испытаниях дизеля. Введены новые предложения по выбору ГУ при расчете ГЦ. Полученные результаты расширяют границы их применимости для двигателей других конструкций. Результаты, обла -1 дающие новизной, получены с использованием комплекса базовых мето дов исследования, в т.ч. численных методов. Изложены этапы расчета ГЦ на долговечность на стадии проектирования. Выявлены недостатки в пред ложенных ранее методиках расчета долговечности ГЦ. Изучены возмож ные способы повышения долговечности ГЦ. Модифицированы известные математические модели и созданы новые, обеспечивающие получение бо лее точных результатов при расчете.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы являет ся разработка методики оценки долговечности ГЦ тракторных дизелей на основе проведения расчетно-экспериментальных исследований. Для до стижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести статистический анализ конструктивных параметров ГЦ со временных автомобильных и тракторных поршневых ДВС с целью опре деления диапазонов их изменения;
- уточнить и модифицировать методику моделирования нагрузок, дей ствующих на ГЦ при работе тракторных дизелей на различных режимах в эксплуатации;
- разработать математические модели для определения ГУ при расчете ТНДС ГЦ тракторных дизелей;
- разработать и модифицировать методику расчета ТНДС ГЦ с учетом разработанных математических моделей;
- разработать методику оценки долговечности ГЦ по результатам расче та ТНДС с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации;
- разработать методику ускоренной оценки долговечности ГЦ, а также технические средства для е реализации.
Научная новизна работы заключается:
- в предложенной комплексной методике расчета термоусталостной долговечности ГЦ с учетом характера нагружения двигателя при эксплуа тации;
- разработанных математических моделях для определения температур ных полей огневого днища ГЦ при работе двигателя на различных режи мах;
- предложенной расчетно-экспериментальной методике уточнения ки нематических и статических ГУ;
- определении коэффициента ускорения при испытаниях на БС.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что предложенная комплексная методика расчета термоусталостной -2 долговечности ГЦ при термоциклическом нагружении с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации позволяет минимизировать отка зы по усталостным разрушениям при разработке новых конструкций и до работке существующих. Предложены математические модели для расчета тепловых полей ГЦ. Создан БС, позволяющий проводить ускоренные ис пытания ГЦ на термическую усталость в условиях блочного нагружения.
Методология и методы исследования. Система принципов исследова ния основана на использовании известных численных методах расчета, в том числе на МКЭ, компьютерного моделирования и программ SolidWorks Simulation, Ansys Mechanical, MATLAB, Mathcad, а также результатов экс периментальных исследований. Результаты расчетных исследований све рялись с опубликованными данными других авторов, а также результатами экспериментальных исследований, полученными, в том числе на БС.
Положения, выносимые на защиту:
- комплексная методика расчета термоусталостной долговечности ГЦ с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации;
- расчетно-экспериментальная методика определения кинематических и статических ГУ;
- математические модели для определения температурных полей огне вого днища ГЦ при работе двигателя на различных режимах;
- методика ускоренной оценки долговечности ГЦ, а также технические средства для ее реализации;
- определение коэффициента ускорения при испытаниях на БС.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность ре зультатов исследования обуславливается:
- использованием фундаментальных законов термодинамики, гидроди намики, тепломассообмена и химической кинетики, соответствующих этим законам уравнений и ГУ, современных аналитических и численных методов реализации математических моделей, апробированных программ ных продуктов;
- результатами экспериментальных работ, полученными на сертифици рованном измерительном оборудовании, обоснованными калибровками, воспроизводимостью результатов исследования в различных условиях;
- использованием в теории известных и проверяемых данных, в т.ч. для предельных случаев;
- базированием идеи на анализе практики и обобщении передового опы та;
-3 - сравнением авторских данных и данных, полученных ранее по рас сматриваемой тематике;
- установлением качественного совпадения авторских результатов с ре зультатами, представленными в независимых источниках по данной тема тике;
- использованием современных методик сбора и обработки исходной информации, а также представительными выборочными совокупностями с обоснованием выбора оценочных показателей для наблюдения и измере ния.
Реализация работы. Значение полученных результатов исследования для практики подтверждается тем, что разработана и внедрена на предпри ятии ООО «ВМТЗ» (г. Владимир) и в учебный процесс для проведения за нятий по курсу «Конструирование ДВС» новая методика расчета долго вечности ГЦ тракторных дизелей, определены пределы и перспективы практического ее использования;
создана экспериментальная установка для эффективного применения на практике;
представлены методические рекомендации для использования при проектировании новых конструкций.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции: «Дни науки студен тов и аспирантов ВлГУ» (г. Владимир, 2012) и Международных конферен циях: «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей» (г. Санкт-Петербург, 2013);
«Современные научные дости жения - 2013» (Чехия, г. Прага, 2013);
«Современные проблемы двигателе строения: состояние, идеи, решения» (Украина, г. Первомайск, 2013);
«Но вости передовой науки - 2013» (Болгария, г. София, 2013);
«Транспорт, экология - устойчивое развитие» (Болгария, г. Варна, 2013).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 ста тей, пять из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также 8 – в зарубежных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы состав ляет 177 страниц машинописного текста, 74 иллюстрации, 24 таблицы.
Список литературы включает 178 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко охарактеризовано состояние задачи и показана ее актуальность. Сформулировано общее направление исследований.
-4 В первой главе анализируются условия нагружения ГЦ, причины обра зования трещин и возможные способы повешения долговечности ГЦ. Про веден обзор и анализ существующих методик расчета термоусталостной долговечности ГЦ, а также гипотез накопления повреждений. Описаны и проанализированы конструкции созданных ранее БС для исследования теплового и напряженно-деформированного состояния ГЦ.
Проанализированы работы известных исследователей: Абрамчука Ф.И., Биргера И.А., Ваншейдта В.А., Взорова Б.А., Гоца А.Н., Григорьева О.А., Иванченко А.Б., Иващенко Н.А., Исаева Е.В., Кавтарадзе Р.З., Копейкина А.И., Костина А.К., Мильштейна Л.Г., Орлина А.С., Петриченко М.Р., Петриченко Р.М., Раенко М.И., Розенблита Г.Б., Сальникова М.А., Стефа новского Б.С., Тимохина А.В., Трощенко В.Б., Фомина В.М., Чайнова Н.Д., Шелкова С.М., Шеховцова А.Ф., Эфроса В.В. и др.
Проведенный обзор и анализ работ по оценке усталостной долговечно сти ГЦ, показал, что существующие в настоящее время методики не учи тывают реальный цикл нагружения тракторного двигателя в эксплуатации и базируются в основном на линейной гипотезе накопления повреждений, которая не учитывает влияния очередности воздействия напряжений раз личных уровней и предполагает одинаковую скорость накопления повре ждений независимо от амплитуды напряжения цикла. При таком расчете запас долговечности ГЦ будет завышенным.
С учетом проведенного обзора существующих методик были сформу лированы цели и задачи исследования.
Во второй главе проведен ана лиз конструктивных параметров ГЦ и предложена методика расчета долговечности ГЦ тракторных ди зелей на основе гипотезы накопле ния повреждений Кортена-Долана, позволяющая учитывать характер блочного нагружения двигателя в условиях эксплуатации. Блок-схема предлагаемой методики представ лена на рис. 1.
В расчетной схеме были учтены следующие нагрузки: давление га- Рис. 1. Блок-схема методики расчета дол зов в цилиндре;
усилие от затяжки говечности ГЦ -5 шпилек (или болтов) крепления ГЦ;
усилие от затяжки гайки крепления форсунки;
контактное давление от запрессовки седел и втулок клапанов;
деформации, вызванные перепадом температур.
Давление газов в цилиндре выбиралось равным максимальному давле нию сгорания p z.
Усилие FM1 от затяжки шпилек крепления ГЦ рассчитывалось по из вестному уравнению FM1 M кл / kпр d при принятом значении момента на ключе (здесь M кл – момент на ключе;
k пр – приведенный коэффициент трения в резьбе и на опорной поверхности гайки;
d – наружный диаметр резьбы).
Принималось, что действие силы FM1 равномерно распределено по се чению в пределах «конуса давления». Усилие от затяжки гайки крепления форсунки рассчитывалось аналогично и прикладывалось в виде сосредото ченной силы FM 2, равномерно распределенной в пределах «конуса давле ния», к месту контакта уплотнительной шайбы форсунки с опорной по верхностью ГЦ.
Контактное давление от запрессовки седел и втулок клапанов находи лось при известных значениях натяга, определяемых по чертежу.
Создание трехмерной модели ГЦ выполнялось с использованием рабо чих чертежей конструкции ГЦ и программы твердотельного моделирова ния SolidWorks. На основе созданной трехмерной модели строилась КЭМ с использованием четырехузлового КЭ в виде тетраэдра. При построении КЭМ расчетная сетка сгущалась в местах возможной концентрации напряжений. В КЭМ были включены седла и втулки клапанов, а также ци линдр, который был заменен плитой на жестком основании. При этом на сопрягаемых поверхностях вводились контактные элементы, которые поз волили учесть взаимное влияние деталей друг на друга при деформирова нии. Взятая в качестве объекта исследования КЭМ ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/ (Д-145Т) состоит из 435379 конечных элементов и 93173 узловых точек.
Для определения численного значения коэффициента теплоотдачи на огневом днище ГЦ было использовано уравнение, полученное в результате экспериментального исследования дизеля 4Ч 10,5/12 (Д-37М):
3,26 10 5 pa 0, 26 Ta2,11 cп p,67 T,33, 0,5 0 (1) где pa – давление начала сжатия, МПа;
Ta – температура рабочего тела в начале такта сжатия, К;
cп – скорость поршня, м/с;
p – текущее давление -6 в цилиндре, МПа;
T – текущая температура рабочего тела в цилиндре, К.
Известно, что точность определения температурных напряжений зави сит от того насколько корректно выбрана схема закрепления ГЦ, т.е. от за дания кинематических ГУ. Для взятой в качестве объекта исследования ГЦ в месте е сопряжения с цилиндром учитывалась возможность перемеще ния. Так как материал ГЦ – алюминиевый сплав, а цилиндра – чугун и прокладка между ГЦ и цилиндром отсутствует, принимался коэффициент трения ТР 0,4. Таким образом, сила трения ограничивала свободное бо ковое расширение ГЦ.
Определение поля температур в теле ГЦ осуществляется решением си стемы дифференциальных уравнений с использованием МКЭ:
C T T 0 K T F 0, (2) где C – матрица теплоемкости КЭМ;
T 0, T – векторы узло вых температур, соответствую щие началу и концу интервала;
– временной интервал;
K – матрица теплопроводности КЭМ;
F – вектор тепловой нагрузки КЭМ.
Так как температурное состо яния ГЦ зависит от нагрузки ( pe ) и частоты вращения коленчатого Рис. 2. Зависимость температуры межкла вала ( n ) (рис. 2), то для опреде- панной перемычки от нагрузки (pe) и ча ления температуры в межклапан- стоты вращения коленчатого вала (n) ной перемычке ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) на основании эксперимен тальных данных было получено следующее уравнение:
Tмкп (35,64 3,91 102 n) (3,61 2,13 102 n) pe (105,73 0,84 102 n) pe (3) После определения поля температур в теле ГЦ в течение цикла нагру жения, проводится расчет ТНДС ГЦ. При использовании МКЭ решается система линейных уравнений, которая в матричной форме имеет вид:
Av F, (4) где A – матрица жесткости;
v – вектор узловых перемещений;
F – вектор узловых нагрузок.
-7 Компоненты деформаций вычисляются после определения вектора узловых перемещений v путем умножения слева на дифференциальный оператор и функцию формы. Вектор напряжений может быть опреде лен по прямой или обратной форме закона Гука.
Расчет проводился для всех вероятных режимов работы тракторов в условиях эксплуатации определяемых по данным Н.А. Ажиппо и Б.К. Ба люка, которые представили их на диаграмме в безразмерных координатах – ось абсцисс: угловая скорости вращения коленчатого вала i ном, а ось ординат – крутящий момент M M i M ном. Здесь i, ном – угловые скорости коленчатого вала на произвольном и номинальном режимах ра боты двигателя, а M i, M ном – крутящие моменты на произвольном и но минальном режимах работы двигателя соответственно. Вся совокупность режимов работы двигателя в эксплуатации разбита на диаграмме на условных секторов, по которым для каждого из тракторов в зависимости от класса тяги дается доверительная вероятность работы на этом режиме.
Амплитуды напряжений при объемном тензоре напряжений и действии переменных нагрузок определяются по зависимости:
ae K ia 1m, (5) где K 1 – эффективный коэффициент концентрации напряжений;
– масштабный коэффициент;
0,98 – коэффициент поверхностной чув ствительности;
0,139 – коэффициент, учитывающий влияние средних напряжений на предел выносливости;
1m – наибольшее постоянное напряжение цикла;
ia – интенсивность амплитуд переменных напряже ний цикла:
ia 1 2 ( xa ya ) 2 ( xa za ) 2 ( ya za ) 2 6( 2 2 2 ), (6) xya xza yza где xa, ya, za, xya, xza, yza – амплитуды переменных напряжений цикла, вычисленные по известному тензору напряжений.
В соответствии с гипотезой накопления повреждений Кортена-Долана долговечность равна:
( N g ) f N1 [1 2 (ae2 / ae1)d 3 (ae3 / ae1)d... i (aei / ae1)d ], (7) где ( N g ) f – общее число циклов до разрушения в условиях действия напряжений с изменяющейся амплитудой;
d – постоянная материала;
N1 – число циклов до разрушения при действии напряжений с наибольшей ам -8 плитудой ae1 ;
1, 2, …, i – относительные доли числа циклов напря жений с амплитудами ae1, ae2, …, aei соответственно.
В третьей главе представлены результаты численной реализации мето дики расчета долговечности на примере ГЦ тракторного дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т). Распределение температур в ГЦ на режиме номинальной мощности представлено на рис. 3.
а) б) в) Рис. 3. Распределение температур в ГЦ на режиме номинальной мощности: а – ог невое днище;
б – сторона впускного канала;
в – сторона выпускного канала Наиболее нагретой является центральная часть ГЦ, а именно район межклапанной перемычки и форсуноч ного отверстия (291 °С). Температура огневого днища по мере удаления от центра к периферии падает, при этом большие значения наблюдаются со сто роны выпускного канала (в центре – °С, сторона впускного канала – 170 °С, сторона выпускного канала – 219 °С, по ходу охлаждающего воздуха – 190 °С и 210 °С). Полученное в результате расче та изменение температур в точках огне вого днища ГЦ в течение цикла нагру- Рис. 4. Изменение температур в жения представлено на рис. 4. точках огневого днища ГЦ при пе Напряженно-деформированное со- реходе с режима холостого хода на стояние оценивалось интенсивностью режим номинальной мощности и обратно напряжений и деформаций соответ ственно. Распределение интенсивности напряжений и деформаций при определении ТНДС ГЦ на режиме номинальной мощности приведено на рис. 5.
-9 а) б) Рис. 5. Распределение интенсивности напряжений (а) и деформаций (б) в ГЦ на режиме номинальной мощности: 1 – межклапанная перемычка;
2 – перемычка между отверстиями под форсунку и впускной клапан;
3 – перемычка между от верстиями под форсунку и выпускной клапан Рис. 6. Изменение интенсивности Рис. 7. Изменение главных напряжений напряжений в зонах огневого днища в межклапанной перемычке ГЦ при пе ГЦ при переходе с режима холостого реходе с режима холостого хода на но хода на номинальный режим и обратно минальный режим и обратно Наибольшие значения интенсивности напряжений и деформаций наблюдаются в межклапанной перемычке ГЦ (зона 1 на рис. 5…6). Таким образом, наиболее опасной зоной на огневом днище ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) является межклапанная перемычка, которая и будет опре делять долговечность ГЦ. Изменение главных напряжений в межклапан ной перемычке в течение цикла нагружения представлено на рис. 7. Ре зультаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при тензометрировании на работающем двигателе.
Для определения числа циклов до разрушения N1 по кривым усталости для алюминиевого сплава АК5М7 (АЛ-10В) было получено следующее уравнение:
- 10 (0,0045317 Tэф 0,622307) lg N1, (8) 0,1803774 Tэф 83,5997102 где 1 – амплитуда напряжений;
Tэф – эффективная температура испыта ний.
Амплитуда напряжений 1, которая подставляется в (8), равна эквива лентной максимальной амплитуде возникающей при эксплуатации двига теля. Эффективная температура испытаний Tэф находится по максималь ной и минимальной температуре цикла.
Долговечность межклапанной перемычки ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д 145Т) рассчитанная по формуле (7) с учетом разброса 1 составила для тракторов класса тяги 9 кН – 359029…401640 циклов, а для класса тяги кН – 314980…352363 циклов.
Тракторные двигатели характеризуются частыми сменами режимов ра боты: в среднем интенсивность составляет от 20 до 40 в час. Тогда долго вечность ГЦ тракторного дизеля в часах Th может быть определена по формуле:
Th N g f N w, (9) где ( N g ) f – долговечность, циклы;
N w – количество смен режимов работы двигателя в час.
При N w 20...40 долговечность (в часах) Th межклапанной перемычки ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) для тракторов класса тяги 9 составит 8976…20082 часов, а для класса тяги 14 кН – 7875…17618 часов.
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о том, что долговечность (в часах) ГЦ в значительной степени зависит от временного интервала между сменами режимов работы двигателя или другими слова ми от коэффициента загрузки.
Четвертая глава посвящена проверке адекватности разработанной ме тодики. Экспериментальные исследования проводились на созданном ав тором БС (рис. 8) с целью определения числа циклов, после которых воз никала трещина на огневом днище ГЦ. В качестве объектов эксперимен тального исследования были выбраны ГЦ тракторного дизеля 4ЧН 10,5/ (Д-145Т).
Стенд устроен следующим образом: на жестком основании 1 с помо щью четырех шпилек смонтирована нижняя плита 2, корпус 3 с ложемен тами для галогенных ламп 4, а также верхняя плита 5. Плита 2, корпус 3 и - 11 плита 5 во время работы охлаждаются проточной водой. В плите 5 сделано от верстие, через которое тепло излучаемое лампами поступает на исследуемую де таль. Верхняя крышка плиты 2 выполнена из алюминиевого сплава и отполирована для лучшего отражения потока излучае мого лампами. На плите 5 установлено охлаждаемое проставочное кольцо 6, опорный бурт которого по форме полно Рис. 8. Трехмерная модель БС: 1 – стью повторяет бурт гильзы цилиндра жесткое основание;
2 – нижняя двигателя. Исследуемая головка цилиндра плита;
3 – корпус;
4 – галогенные лампы;
5 – верхняя плита;
6 – 8 установлена на плите 5 с помощью че проставочное кольцо;
7 – медная тырех шпилек, момент затяжки гаек кото рых равен 110 Нм.
трубка;
8 – головка цилиндра Результаты термометрирования, полученные на БС и на работающем двигателе, приведены на рис. 9.
Рис. 9. Результаты термометрирования Рис. 10. Изменение температур в точках (цифрами 1-17 обозначены термопары): огневого днища ГЦ при нагружении на 1 – данные полученные на БС;
2 – дан- БС ные полученные на работающем дви гателе Наибольшее отличие между температурами, измеренными на стенде и на работающем двигателе, составило 14% (термопара 1). Это связано с от личием расположения термопар на днище ГЦ при проведении эксперимен та на БС и на двигателе.
В ходе испытаний на БС период цикла термонагружения составил секунд, при этом нагрев длился 90 секунд, а охлаждение 170 секунд. Темпе ратура межклапанной перемычки в течение цикла нагружения изменялась от 100 С до 240 С (рис. 10).
- 12 В результате выполнения серии расчетов при различных значениях коэф фициента трения и одном значении момента затяжки были получены боковые перемещения нижней плиты ГЦ. Расчетные данные сравнивались с экспери ментальными, что позволило правильно выбрать величину коэффициент тре ния в месте сопряжения ГЦ и цилиндра. Полученные экспериментальные дан ные, а также их сравнение с результатами расчета приведены на рис. 11.
а) б) Рис. 11. Перемещения нижней плиты ГЦ при Tмкп = 200 °С (а) и Tмкп = 20-200 °С (б):
а – экспериментальные данные;
б – расчетные данные;
1-8 – точки измерений Регистрацию трещин проводили через каждые 100…250 циклов с по мощью цифрового микроскопа Microview USB Digimicro 2MP. Кроме ре гистрации текущей длины трещин регистрировалось и их пространствен ное расположение. На рис. 12 показана трещина на межклапанной пере мычке ГЦ, наблюдаемая в ходе эксперимента.
Увеличение частоты и скорости приложения температурной нагрузки, а также температурных напряжений за счет увеличения момента затяжки крепежных шпилек ГЦ позволило ин тенсифицировать процесс накопления повреждений, тем самым сократив время эксперимента.
После экспериментальных иссле- Рис. 12. Трещина на межклапанной дований было проведено сравнение перемычке ГЦ, полученная на БС численных и экспериментальных результатов. Рассчитанное количество циклов до разрушения по предлагаемой методике составило 4056… циклов. По данным эксперимента количество циклов до появления трещи ны составило 3670…3830 циклов. Таким образом, расчетные и экспери - 13 ментальные данные достаточно точно согласуются и имеют расхождение не более 16%.
Коэффициент ускорения при испытаниях ГЦ на БС для тракторов клас са тяги 9…14 кН составил 82…109, то есть 1 цикл испытаний ГЦ на БС со ответствует 82…109 циклам при работе двигателя в условиях эксплуата ции (в зависимости от класса тяги трактора).
Результаты, полученные экспериментальным путем на созданном БС, в достаточной степени согласуются с результатами численных эксперимен тов, что является надежным критерием достоверности разработанной ме тодики расчета долговечности ГЦ тракторных дизелей.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Предложена новая методика расчета термоусталостной долговечно сти ГЦ с учетом характера нагружения тракторного двигателя в эксплуата ции. Расчетная долговечность межклапанной перемычки ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т), который устанавливается на трактора класса тяги 9… кН, составила 7875…20082 часов, что хорошо согласуется с данными за вода-изготовителя, полученными в ходе рядовой эксплуатации двигателей.
2. Разработаны математические модели для расчета температуры в меж клапанной перемычке, а также температурных полей в точках огневого днища ГЦ в зависимости от среднего эффективного давления pe (в диапа зоне от 0 до 1,1 МПа) и частоты вращения коленчатого вала n. Коэффици енты парной корреляции для полученных моделей составляет 0,998.
3. Для оценки достоверности результатов расчета долговечности ГЦ, полученных по предлагаемой методике, создан БС, на котором моделиро вались циклы термонагружения в соответствии с действительными нагруз ками при работе тракторного двигателя. Разработанный БС позволяет про водить ускоренные испытания ГЦ на термоусталость в условиях блочного нагружения, при этом коэффициент ускорения составил 82…109 (в зави симости от класса тяги трактора).
4. Доказана адекватность термонагружения ГЦ на БС и при стендовых испытаниях дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т): максимальное отличие между температурами, измеренными на стенде и на работающем двигателе, со ставило не более 14%.
5. Предложена с использованием БС расчетно-экспериментальная мето дика уточнения кинематических и статических ГУ (определения коэффи циента трения при возможном перемещения днища ГЦ относительно ци - 14 линдра) с целью повышения точности и достоверности расчетов долговеч ности ГЦ тракторных дизелей, разработки нормативных баз проектирова ния и испытания.
6. Показано, что развитие трещины на межклапанной перемычке ГЦ но сит термоусталостный характер. Проверка расчетных данных, полученных при численной реализации методики оценки долговечности на примере ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т), показала, что отличие результатов вычисле ний от данных экспериментальных исследований не превышает 16%.
7. Материалы диссертации переданы в ООО «ВМТЗ» (г. Владимир) для применения при проектировании ГЦ и включены в учебный процесс для проведения занятий по курсу «Конструирование ДВС».
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Прыгунов, М. П. Анализ конструктивных параметров головок цилин дров дизелей с воздушным охлаждением / М. П. Прыгунов // Фундаменталь ные исследования. – 2011. – № 12 (ч. 1). – С. 163 – 166. – ISSN 1812-7339.
2. Гоц, А. Н. Безмоторный стенд для ускоренных испытаний головок ци линдров тракторных и автомобильных дизелей / А. Н. Гоц, А. Б. Иванченко, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Улучшение эксплуатационных пока зателей автомобилей, тракторов и двигателей : материалы междунар.
науч.-практ. конф. – В 4 т. – СПб. : Изд-во МААО, 2013. Т. 4. – С. 77 – 80 – ISSN 1994-7860.
3. Гоц, А. Н. Моделирование теплонапряженного состояния головки ци линдра тракторного дизеля воздушного охлаждения / А. Н. Гоц, А. Б. Иван ченко, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6 (ч. 5) – С. 163 – 166. – ISSN 1812-7339.
4. Гоц, А. Н. Разработка математических моделей для расчета температур огневого днища головки цилиндра тракторного дизеля / А. Н. Гоц, А. Б. Иванченко, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2 [Электронный ресурс]. – URL:
http://www.science-education.ru/108-9023 (дата обращения: 20.05.2013). – ISSN 1817-6321.
5. Гоц, А. Н. Ускоренные испытания на надежность головок цилиндров тракторного дизеля / А. Н. Гоц, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Совре менные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3 [Электронный жур нал]. – URL: http://www.science-education.ru/109-9225 (дата обращения:
27.05.2013). – ISSN 1817-6321.
- 15 6. Прыгунов, М. П. Исследование теплового состояния головки цилиндра тракторного дизеля воздушного охлаждения на безмоторном тепловом стен де / М. П. Прыгунов // Дни науки студентов и аспирантов ВлГУ 2012 : сб. ма териалов науч.-практ. конф. [Электронный ресурс] / Владим. гос. ун-т им.
А.Г. и Н.Г. Столетовых. – URL: http://sntk.vlsu.ru/index.php/poisk/555 issledovanie-teplovogo-sostoyaniya-golovki-tsilindra-traktornogo-dizelya-vozdu shnogo-okhlazhdeniya-na-bezmotornom-teplovom-stende (дата обращения:
13.05.2013).
7. Прыгунов, М. П. Безмоторный стенд для исследования температур ных полей головок цилиндров тракторных и автомобильных дизелей / М.П. Прыгунов, И.В. Французов // Materily IX mezinrodn vdecko praktick konference «Modern vymoenosti vdy - 2013». – Dl 73. Technick vdy. – Praha : Publishing House «Education and Science» s.r.o. – 2013. – P. 50 – 53.
8. Гоц, А. Н. Определение кинематических граничных условий при расче те напряженно-деформированного состояния головки цилиндра тракторного дизеля / А. Н. Гоц, А. Б. Иванченко, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Ма терiали V-ої Всеукраїнської наук.-техн. конф. «Сучасні проблеми двигуно будування: стан, ідеї, рішення». – Первомайськ : ППI НУК, 2013. – С. 91 – 95.
9. Гоц, А. Н. Разработка моделей при исследовании теплового состояния головки цилиндра дизеля воздушного охлаждения / А. Н. Гоц, М. П. Прыгу нов, И. В. Французов // Матерiали V-ої Всеукраїнської наук.-техн. конф.
«Сучасні проблеми двигунобудування: стан, ідеї, рішення». Перво майськ: ППI НУК, 2013. – С. 87 – 90.
10. Прыгунов, М. П. Сравнительный анализ конструктивных параметров головок цилиндров дизелей / М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Матерiали V-ої Всеукраїнської наук.-техн. конф. «Сучасні проблеми двигунобуду вання: стан, ідеї, рішення». Первомайськ : ППI НУК, 2013. – С. 83 – 87.
11. Gots, Alexander. The accelerated fail-safe tests head of cylinders of trac tor diesel engines / Alexander Gots, Maxim Prygunov, Ivan Frantsuzov // До клады ХIX науч.-техн. конф.с международно участием «Транспорт, эколо гия – устойчивое развитие». Варна : Изд-во ТУ Ековарна, 2013. – Т. 19.– С. 240 – 246.
12. Gots, Alexander. Modelling of a heat-stressed condition of the cylinder head of an air cooled diesel engine / Alexander Gots, Maxim Prygunov, Ivan Frantsuzov // Доклады ХIX Науч.-техн. конф. с междунар. участием «Тран спорт, экология – устойчивое развитие». Варна : Изд-во ТУ Ековарна, 2013. – Т. 19. – С. 247 – 250.
- 16 13. Gots, Alexander. Development of models at research thermal condition of heat the cylinder of the diesel engine of air cooling / Alexander Gots, Maxim Prygunov, Ivan Frantsuzov // Доклады ХIX науч.-техн. конф. с междунар.
участием «Транспорт, экология – устойчивое развитие». Варна : Изд-во ТУ Ековарна, 2013. – Т. 19. – С. 251 – 254.
14. Гоц, А. Н. Термоциклические испытания головок цилиндров трактор ного дизеля воздушного охлаждения / А. Н. Гоц, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Новости передовой науки - 2013 : сб. материалов меж дунар. науч.-практ. конф. – Болгария, 2013. – С. 80 – 83.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ В ПУБЛИКАЦИЯХ В работах [3, 6, 8, 14] – непосредственное участие в получении исход ных данных научных экспериментов, [1, 4, 9, 10] – личное участие в апро бации результатов исследования, [2, 5, 7] – разработка безмоторного стен да, [11-13] – обработка и интерпретация экспериментальных данных.
Подписано в печать 30.05.13.
Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз.
Заказ № Издательство ООО «ПервопечатникЪ» 600005, г. Владимир, ул. Горького, 75.
- 17