Многовековой опыт хозяйственной деятельности человека дает обширный материал о процессах изнашивания поверхностей. С самых древних времен люди сталкивались с проблемами износа и путями их решения
Download 0.86 Mb.
|
преддипломная моя
|
СОДЕРЖАНИЕ Введение
1.1 Износ деталей цилиндропоршневой группы 8 1.2 Обзор и анализ работ по применению технологических методов повышения работоспособности цилиндровых втулок 16 1.3 Постановка задач исследований согласно цели работы и достигнутому уровню развития 18 1.4 Объемы исследований 18 2 Теоретические основы динамически напряженного состояния цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля 24 2.1 Приближенный расчет напряженного состояния цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля от действия сил инерции 24 2.2 Приближенный расчет напряженного состояния цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля от действия сил давления газов 31 2.3 Методика расчета температурных напряжений на наружной поверхности цилиндровой втулки 34 Основные результаты проделанной работы 38 Список используемых источников 40 ВВЕДЕНИЕ
Многовековой опыт хозяйственной деятельности человека дает обширный материал о процессах изнашивания поверхностей. С самых древних времен люди сталкивались с проблемами износа и путями их решения. Очевидно, первой проблемой долговечности, с которой столкнулось человечество, был износ пола и дорог. Эта проблема была решена за счет применения более твердых и износостойких материалов, таких как каменные и мраморные блоки. Но именно эти памятники истории с тысячелетним возрастом (и сроком эксплуатации) наиболее наглядно демонстрируют неравномерность процессов изнашивания в разных зонах эксплуатации поверхности. Так, наибольшим износам подвержены участки пола у входа-выхода, у определенных объектов (алтаря и т.д.), по центру лестниц, кромки ступеней, пороги и т.п. Неравномерность износов приводит к нарушениюмакрогеометрии поверхности и, как следствие, к замене всей поверхности, хотя в большинстве случаев остальная часть поверхности могла бы эксплуатироваться еще длительное время. По мере создания и развития техники человечество столкнулось с узлами трения машин и механизмов. Так, оси телег, петли дверей были первыми узлами трения, и их необходимо было изготавливать из более износостойких материалов, чем само изделие, например, железными или бронзовыми. Но многолетний и даже многовековой опыт использования этих узлов трения показывает, что даже эти простейшие узлы трения изнашиваются неравномерно: наибольшие износы наблюдаются в местах приложения нагрузки. И снова это приводит к нарушению макрогеометрии поверхности трения и выходу узла из строя. В конце ХIХ века началось бурное развитие техники и промышленности. Появились станки, машины; тепловые двигателипароходы, автомобиля, железная дорога и другое. Начали применяться новые сплавы и неметаллические материалы для узлов трения. Применены смазки и системы смазывания узлов трения, герметизация и охлаждение трущихся поверхностей. Но подход распространения на всю поверхность трения процессов, протекающих только в какой-то ее части, или постулирование постоянства и неизменности скорости изнашивания ведущих процессов ко всей поверхности трибосопряжения оставались незыблемыми. Поэтому и технологические процессы повышения износостойкости, изменяющие свойства поверхности детали, как правило, применяются таким образом, что в любой зоне поверхности трения они одинаковы в пределах технологического разброса. Таким образом, образуются детали с одинаковыми физико-механическими свойствами по всей поверхности трения независимо от реальных изменений условий внешнего нагружения в отдельных зонах и даже точках. Такой подход приводит не только к неадекватности свойств поверхностного слоя к условиям внешнего нагружения. но и вынуждает, например, упрочнять всю поверхность, исходя из максимально действующих факторов нагружения (давления, температуры и т.д.) в определенной зоне, что не только усложняет и удораживает технологию обработки, но и даже приводит к снижению ресурса всего узла трения (как в случае с шейкой коленчатого вала). Последнее становится проблемой при применении бурно развивающихся технологий и требует решения в качестве одной из основных проблем инжинеринга поверхностей. Изучение характера износ поверхностей узлов трения машин и механизмов показывает, что практически невозможно найти поверхность трения, в пределах которой все внешние факторы нагружения имели бы стабильные параметры. Вследствие этого практически все Поверхности в разных точках изнашиваются неравномерно. Происходит ли это в ре разного времени нахождения во фракционном контакте, как у направляющи станков, пола и т.д., либо в результате различных давлений, скоростей температуры, условий смазки, загрязнений и т.д. поверхности трения практически всегда изнашиваются неравномерно. Это приводит к искажению макрогеометрии поверхности трения, ухудшению точностных, индикаторных и других параметров машин и механизмов, снижению их эксплуатационных показателей и необходимости ремонта или замены. При разработке технологических методов упрочнения рабочих поверхностей необходимо дифференцированно подходить к физико-механическим свойствам поверхности в каждой точке фрикционного контакта. В случае наличия критических точек на поверхностях трения в дополнение к технологическим мероприятиям должны использоваться конструктивные решения по снижению внешних параметров трения в этих зонах. Качественная характеристика современной продукции машиностроения должна оцениваться работоспособностью и долговечностью при низком расходе металла и себестоимости изделия. Применительно к безотходным технологическим методам машиностроения это означает, что критерием оценки качества ответственной детали является не только точность выдерживаемого размера и шероховатость поверхности, но и физико-химические свойства поверхностного слоя: остаточные напряжения (характер распределения, знак, величина), наклеп (степень, глубина), рельеф микрогеометрии (радиус впадины-выступа, надрез от инструмента), которые в большинстве случаев имеют превалирующие значения в обеспечении надежной работоспособности конструкции. Проблема поверхностного пластического деформирования (ППД) является одной из главных в безотходном технологическом процессе производства современных деталей машин. Такое большое значение ППД объясняется следующими основными особенностями поверхностного слоя: - в условиях эксплуатации детали поверхностный слой менее способен противостоять усталости из-за природной склонности к концентрации напряжений, возникновения и развития усталостных трещин, износа, коррозии и т.д.; - в поверхностном слое действуют максимальные динамические напряжения от изгиба и кручения - главных видов нагрузки на детали. Следовательно, максимально упрочняя конструкцию в целом, необходимо воздействие на поверхность, сводя к минимуму вредное влияние указанных особенностей. В технической литературе отсутствует информация об исследованиях динамически напряженного состояния цилиндровых втулок на развернутых работающих дизелях, не создана методика и программа их испытаний надинамическую прочность. Вместе с тем, неучет динамических напряжений в поверхностном слое втулки исключает возможность применения безотходных технологических методов ППД для повышения работоспособности конструкции, так как основным критерием эффективности оценки последних является уровень остаточных напряжений, задаваемых в поверхностном слое детали адекватно уровню рабочих динамических напряжений. Неучет характера нагружения цилиндровых втулок при применении безотходных технологических методов и их влияния на уровень остаточных напряжений может привести к существенной ошибке при оценке запасов несущей способности и неверному представлению о прогнозируемом ресурсе, работоспособности и долговечности конструкции. Следовательно, нужны новые подходы к оценке динамических и остаточных напряжений при виброударном нагружении конструкции, как на дизеле, так и в камере гидродробеструйной установки ГДЭУ-5. Изложенное позволяет констатировать, что проблемы повышения работоспособности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей безотходными технологическими методами своевременны и для их решения требуются новые подходы. Актуальность еще более возрастает в связи с разработкой и освоением ОАО «Волжский дизель им. Маминых» нового семейства высокофорсированных дизелей ЧН 21/21 рядной и V-образной модификаций для стационарной, передвижной энергетики: дизель-генераторов ДГР 500/1500, дизелей ЧН 21/21 для маневренных тепловозов ТГМ-4, силовых агрегатов СА-10 для буровых установок, дизелей 6ДМ-21А для большегрузных автомобилей БелАЗ. Выполнение работ является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы: «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», «Создание и освоение производства локомотивов большой секционный мощности и высокопроизводительных машин для ремонта железнодорожных путей», а также другими целевыми комплексными программами по развитию машиностроения и двигателестроения. Целью работы является: - совершенствование методов расчета динамически напряженного состояния цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей; - разработка методологии исследования динамических напряжений и усталостной прочности цилиндровых втулок на работающих комбинированных дизелях; - развитие на основе динамических исследований напряженного состояния цилиндровых втулок безотходных технологических методов повышения работоспособности и совершенствование на их основе прочностных критериев оценки результатов исследований; - поиск путей реализации положительных решений, полученных при исследовании. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 1.1 Износ деталей цилиндропоршневой группы. Детали цилиндропоршневой группы. Наиболее интересными с точки зрения разнообразия внешних факторов воздействия на процессы трения и изнашивания являются детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ) ДВС, а более конкретно - основная трущаяся пара "втулка цилиндра - поршневое кольцо" (термин "втулка" употребляется применительно к судовым и тепловозным двигателям, а "гильза" - к автомобильным, тракторным и авиационным двигателям). Детали цилиндропоршневой группы относятся к наиболее напряженным и ответственным деталям дизеля. Ресурс двигателя определяется, в первую очередь, надежной и долговечной работой основной трущейся пары - втулка (гильза) цилиндра и поршневое кольцо. Эти детали находятся в наиболее тяжелых условиях эксплуатации и являются наименее долговечными из основных деталей двигателя. На процесс износа втулок цилиндров, поршней и поршневых колец оказывает влияние большое количество факторов, зависящих от типа двигателя, конструктивных особенностей, уровня форснровки, применяемого топлива и масла, подготовки обслуживающего персонала, климатической зоны эксплуатации и многого другого. Увеличение степени наддува приводит к росту максимальных давлении сграния, увеличению давлений трения между поршневыми кольцами и втулкой цилиндра. Повышение удельной мощности двигателя путем наддува приводит к возрастанию количества тепла, выделяющегося в цилиндре, и росту его теплонапряженности. Возросшее количество тепла, отводимого через кольца, влечет за собой повышение температуры кольца и рабочей поверхности втулки. У лучших современных двигателей максимальное давление сгорания достигает 13... 15 МПа и температура рабочей поверхности втулки в зоне верхней мертвой точки (ВМТ) первого компрессионного кольца - 200...240 °С. Конструктивная невозможность подвода смазки в зону трения компрессионных колец, коробление поверхности трения втулки вследствие асимметрии температурных полей, высокие давления трения и высокие температуры сильно интенсифицируют процесс изнашивания. Таким образом, технический прогресс в области дизелестроения, направленный на увеличение удельной мощности современных двигателей, неизбежно связан с ростом давлений трения и тепловой напряженности деталей ЦПГ, что неизбежно приводит к ухудшению условий трения и интенсификации износа втулок: цилиндров, поршневых колец и поршней. До настоящего времени нет единого мнения среди исследователей о природе изнашивания втулок цилиндров ДВС. Многие авторы отмечают, что втулка цилиндра одновременно подвергается молекулярно-механическому, коррозионно-механическому и абразивному изнашиванию и что процесс молекулярно-механического изнашивания наиболее вероятен в верхней части цилиндра, где вследствие недостаточной смазки, малой скорости поршня, высоких температур и давлений нарушается непрерывность масляной пленки, и в отдельных точках возникает схватывание поверхностей трущихся пар. С другой стороны, высокие температуры поверхности втулки, разрыв масляной пленки и тепловое излучение процесса сгорания топлива способствуют интенсивному образованию окисных и лаковых пленок. Наличие этих пленок на поверхности трения препятствует соприкосновению ювенильных поверхностей и тем самым устраняет вероятность схватывания поверхностей трущихся пар. Коррозионно-механический износ втулок цилиндров состоит во взаимодействии металла поверхностей трения с газообразными и жидкими продуктами сгорания топлива, окисления масла и воды. Коррозионно- механический износ состоит обычно из двух фаз : фазы воздействи агрессивного вещества на металл и образования окисной пленки и фазы удаления этой пленки с поверхности трения. Считается, что для цилиндров двигателей основное значение имеет электрохимическая коррозия являющаяся результатом взаимодействия с металлом слабых кислот растворенных в воде и сконденсировавшихся на стенках цилиндров Образование конденсата происходит при температуре стенки, равной или меньшей температуры насыщения водяного пара, которая зависит от параметров работы двигателя и переменна по углу поворота коленчатого вала Максимальные значения температуры насыщения водяного пара достигаются при повороте коленчатого вала на угол 10...20° от верхней мертвой точки а затем быстро снижаются. Можно предположить, что интенсивность электрохимической коррозии будет пропорциональна количеству сконденсировавшейся воды, т.е. иметь максимум в верхней части втулки и уменьшаться к нижней части. Однако неоднократные проверки характера износа цилиндров при работе двигателя при предельно низких тепловых режимах, когда коррозионно-механическос изнашивание имеет доминирующее значение, показали, что цилиндры обычно имеют износ, приблизительно одинаковый по длине образующей цилиндра, и даже при максимуме в их средней и нижней частях. Отсюда видно, что природа коррозионно-механического износа втулки изучена еще недостаточно и не все процессы объяснимы с ее точки зрения. Нельзя рассматривать только коррозионно-механический износ втулок без учета остальных факторов. Большое количество работ посвящено вопросу изучения абразивного изнашивания деталей машин и, в частности, цилиндров двигателей. Абразивное изнашивание деталей ЦПГ вызывается, в основном, частицами минерального происхождения, проникающими в цилиндр вместе с воздухом. Максимальный износ находится в верхней части втулки, сильно изнашивается верхнее компрессионное кольцо и канавка под него в поршне. Абразивное изнашивание заключается в процессе микрорезания и царапанья поверхности детали твердыми абразивными частицами, их интенсивным дроблением между поршнем и стенкой цилиндра Подробно рассматривая процесс абразивного изнашивания цилиндров автомобильных двигателей, влияние концентрации пыли, ее грануляция на процесс изнашивания цилиндров, можно получить расчетные формулы износа цилиндра по образующей, показывает механизм измельчения частичек пыли между поршнем и цилиндром при движении поршня и влияние ее грануляции на износ. При попадании пыли в масло максимальный износ наблюдается в нижней и средней частях цилиндра. Следует отменить, что рассмотренные виды износа цилиндров относятся к патологическим режимам эксплуатации двигателей, с которыми необходимо вести непрерывную борьбу. Так, молекулярно-механическяй износ и микросхвагьгвания поверхностей кольца и цилиндра наблюдаются при недостаточной смазке верхнеи зоны цилиндра, т.е. при недоработанной конструкции двигателя. Коррозионно-механический износ наблюдается при нарушении теплового режима двигателя. Абразивный износ является следствием плохой очистки воздуха, недостаточного уплотнения картера и для нормальной эксплуатации должен быть устранен. Авторы приведенных работ не рассматривают характер износа втулок цилиндров в нормальных условиях эксплуатации, где на процесс изнашивания оказывает влияние сразу несколько факторов и их влияние может быть противоречивым. Для современных судовых дизелей, тщательно спроектированных, эксплуатируемых в море, где отсутствует пыль, при строгом соблюдении температурного режима, применения высококачественных масел и мощной системы их очистки ни один из рассмотренных видов износа втулок цилиндров не может быть доминирующим. Все же анализ эпюр износа втулок цилиндров по образующей показывает наличие ярко выраженного максимума в верхней части, в зоне между ВМТ первого и второго компрессионных колец. Закономерности износа втулок цилиндров судовых дизелей и до настоящего времени изучены недостаточно, нет единства среди исследователей о влиянии тепловых, кинематических и индикаторных показателей работы двигателя на износ цилиндра. Но вес авторы сходятся в одном - втулка цилиндра является одной из самых напряженных и ответственных деталей двигателя, лимитирующей срок службы дизеля до капитального ремонта (это же и определено стандартом). Рисунок 1 - Средняя относительная эпюра износа втулок цилиндров дизелей ЧН 25/34 ,построенная по данным износа 1800 втулок. Во всех случаях эксплуатации и при любом доминирующем виде износа втулка изнашивается неравномерно по длине образующей цилиндра. У судовых дизелей, имеющих большие величины предельных износов, происходит значительное искажение макрогеометрии цилиндре в процессе эксплуатации. Столь большая разница в диаметрах цилиндра по его высоте отрицательно сказывается на всех показателях работы двигателя . Зазор в замке 1-го компрессионного кольца доходят до нескольких мм кольцо давит на стенку неравномерно по окружности, вблизи замка давление кольца на стенку доходит до 0. Расход топлива увеличивается на 11.15 %, расход масла на угар - в 2-2,5 раза . При характерном для судовых, а также для других типов дизелей, повышенном износе верхней зоны втулки кольцо получает радиальное и окружное движение в поршневой канавке. В момент нахождения поршня в верхней мертвой точке поршневое кольцо (как верхнее, так и остальные) находится в зоне максимального износа (для каждого кольца) и занимает предельное положение, при котором зазор в замке наибольший (рис. 2). Рисунок 2 - Работа поршневых колец в изношенном цилиндре При движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) кольцо перемеща ется в зону втулки с меньшим износом и получает радиальное перемещение со скоростью Vr. Уменьшение диаметра цилиндра и кривизны наружной поверхности кольца вызывает уменьшение зазора в замке на величину ΔS = S 1- S 2= 2πδ (1) При этом концы кольца получают окружное перемещение 1/2 ΔS = πδ (2) где S1 - зазор в замке в зоне максимального износа втулки; S2- зазор в замке в зоне минимального износа втулки; δ - радиальный износ цилиндра. Таким образом, радиальный износ втулки на величину δ вызывает окружное движение кольца на величину в π раз большую. Трение , возникающее между кольцом и поршнем , от давления газов препятствует окружному движению кольца в поршневой канавке и вызывает дополнительное прижатие кольца к втулке, что интенсифицирует ее износ и вызывает износ канавок под кольца в поршне. Неравномерный износ втулки приводит к тому, что рабочая поверхность в верхней зоне имеет конусообразную форму и поршневое кольцо с цилиндрической рабочей кромкой либо контактирует только гранью а, либо перекашивается и разбивает поршневую канавку. Контактирование гранью при линейном контакте деталей вызывает высокие давления трения, при которых возможны схватывания и заедания деталей. Грань α кольца шабрит поверхность втулки. Таким образом, возникновение неравномерного износа цилиндра вызывает повышенные износы всех деталей ЦПГ и резкое уменьшение надежности их работы. Устранение такого характера износа значительно улучшило бы условия работы всех деталей ЦПГ и повысило бы их надежность. Рассмотрев и проанализировав все факторы, влияющие на износ цилиндров поршневых колец можно остановиться на основных трех: действии инерционных нагрузок, сил давления газов и температурных воздействий в каждой точке поверхности трения. Эти факторы переменные по высоте цилиндра и оказывают на его износ наибольшее влияние, и в первую очередь при нормальных условиях эксплуатации. В соответствии с принятой последовательностью составных частей настоящей работы, с целью более основанного определения и для постановки задач, рассмотрим основные поздние литературные источники, посвященные расчетно-аналитическому и экспериментальному исследованиям напряженного состояния цилиндровых втулок от действия инерционных нагрузок, сил давления газов и температурного воздействия. Правильный выбор направления развития имеющихся решений и общее состояние вопроса оцениваются большей частью обзора литературы. Доля же отмеченной публикации используется при разработке и проверке расчетно-экспериментальных исследований. 1.2 Обзор и анализ работ по применению технологических методов повышения работоспособности цилиндровых втулок В настоящей главе рассматриваются работы по применению безотходных технологических методов повышения работоспособности наружной поверхности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей. Износостойкость, упрочнение внутренней поверхности, вопросы технологии гидродинамики смазочного слоя между втулкой и поршнем, имеющие самостоятельные значения, в настоящей главе не анализируются и не рассматриваются. Повышение работоспособности цилиндровых втулок связано с разработкой технологических мероприятий, направленных на релаксацию остаточных напряжений в процессе их изготовления . Этого можно добиться совершенствованием технологического процесса термообработки втулок, исключением операции развертывания внутренней поверхности втулки после закалки ТВЧ и отпуска, введением операции естественного старения перед хонингованием. Вместо развертывания целесообразно применение силового хонингования крупнозернистыми брусками. В поверхностном слое нагруженных цилиндровых втулок возникают упругие и пластические деформации. Последние вызывают релаксацию напряжений, устранить которую можно уменьшением действующих динамических нагрузок или повышением сопротивления усталости металла пластическому деформированию, т.е. повышением его релаксационной стойкости. Для этой цели наряду с использованием распространенных технологических процессов (естественное старение, низкотемпературный отжиг) находит широкое применение вибрационное старение. Во многих случаях оно заменяет дорогостоящую термическую обработку, требующую сложного оборудования и сокращение времени старения. Для повышения работоспособности цилиндровых втулок при изготовлении применяют сухой поверхностный наклеп дробью внутренних и наружных поверхностей. Упрочнение оценивают по величине остаточных напряжений, для определения которых из упрочненных втулок вырезают кольца толщиной 10 мм. На поверхности колец наклеивают тензодатчики, по изменению показаний которых после разрезки кольца судят о напряжениях вокруг отверстия. Кроме упрочнения сухим дробенаклепом внутренняя и наружная поверхности втулки в поясе шириной 180 мм подвергаются накатыванию для обеспечения заданной величины натяга при посадке в блок-картер. Указанный способ обладает существенным недостатком: остаточные напряжения как основной критерий оценки эффективности поверхностного пластического деформирования не взаимодействуют с рабочими динамическими напряжениями во втулке, из-за чего нельзя создать равнопрочную конструкцию. Как показали испытания образцов из цилиндровых втулок, проведенные на ОАО им. Малышева , никельфосфатированное покрытие наружной поверхности втулки повышает коррозионно-усталостную прочность только при условии предварительного качественного упрочнения наклепом. Без последнего коррозионно-усталостная прочность резко снижается. Вопросам изучения кавитадионных процессов в наружных поверхностях цилиндровых втулок посвящены работы . Причиной снижения работоспособности втулок из-за кавитационных разрушений является вибрация стенок полостей охлаждения дизелей, в результате которой возникают разрывы жидкости и их уничтожение, приводящее к местным повышениям давлений и температур. На уменьшение кавитационных разрушений воздействуют конструктивными мероприятиями: оптимальным выбором толщины стенок цилиндровых втулок, зазоров между поршнем и втулкой, величиной межопорного расстояния и количеством посадочных поясов. Проведенный анализ опубликованных работ по применению безотходных технологических методов повышения работоспособности цилиндровых втулок указывает на существенность влияния упрочнения наружных поверхностей втулок как одного из факторов повышения работоспособности высокофорсированных дизелей. Следует отметить также, что количество публикуемой литературы по технологическим методам повышения работоспособности цилиндровых втулок весьма ограничено. 1.3 Постановка задач исследований согласно цели работы и достигнутому уровню развития На основании изучения состояния вопроса и выполненного выше предварительного анализа по выбору наиболее актуальных путей повышения работоспособности цилиндровых втулок могут быть определены, согласно принятой общей цели работы, следующие задачи исследований: Проведение теоретических исследований процессов динамического и температурного нагружения цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей при инерционном нагружении, сгорании топлива и тепловом воздействии. Выполнение экспериментальных разработок, следуя результатам теоретических исследований, внедрение в производство и эксплуатацию безотходного технологического метода повышения работоспособности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей путем поверхностного пластического деформирования - дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности. Разработка безотходного технологического метода, развитие и выполнение экспериментальных исследований релаксации остаточных напряжений во втулке путем ультразвуковой обработки. Изыскание резервов дальнейшего повышения работоспособности цилиндровых втулок в условиях форсирования дизелей по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала. 1.4. Объекты исследований Уровень динамических нагрузок в современных комбинированных дизелях возрос настолько, что при имеющихся в дизелестроении материалах каждая дальнейшая форсировка по параметрам термодинамического цикла и частоте вращения коленчатого вала требует проведения большого комплекса работ по увеличению несущей способности цилиндровых втулок. Так, например, форсирование дизеля за счет повышения максимального давления цикла сопровождается ростом газовых сия, увеличением напряжений знакопеременного изгиба, ростом динамики нагружений и колебательных процессов в цилиндровых втулках. Оценка величины динамических напряжений и нагружающих сил позволяет определить возможность и целесообразность принятой степени форсирования, дать общее представление об ожидаемой работоспособности форсируемых дизелей в целом. Высокооборотные четырехтактные дизели ЧН 21/21 нового семейства с различным уровнем форсирования по параметрам термодинамического цикла и частоте вращения коленчатого вала, выпускаемые ОАО «Волжский дизель им. Маминых», предназначены для широкого использования в народном хозяйстве: для буровых установок в составе силового агрегата СА-10 (NeD464 КВт), для маневровых тепловозов ТГМ-4 (NeD552 КВт), для автомоторис и дизельпоездов (NeD736 КВт), для карьерных автосамосвалов и автопоездов особо большой грузоподъемности (БелАЗ) (NeD772 КВт). В связи с отмеченным форсированием дизелей ЧН 21/21 по параметрам термодинамического цикла определение и повышение несущей способности цилиндровой втулки связано с необходимостью изучения конструктивных и технологических возможностей этой детали, ее напряженно-деформированного состояния, неравномерностью распределения динамических напряжений по поверхности, способов поверхностно-пластического деформирования. Цилиндровая втулка комбинированного дизеля ЧН 21/21 изготавливается из чугуна марки АХНММ «мокрого типа», устанавливается в расточку блок-картера. Верхним уплотняющим фланцем, притираемым к плоскости блока, втулка прижимается к блоку крышкой цилиндра через медную прокладку уплотнения газового стыка. Нижний пояс втулки цилиндра (от просачивания охлаждающей жидкости в поддон дизеля) уплотняется резиновыми кольцами круглого сечения, устанавливаемыми в канавки на втулке. Цилиндровая втулка охлаждается жидкостью, поступающей из центрального водяного канала через отверстия, просверленные против каждого цилиндра. Рисунок 3 - Дизель-генератор ДГР 500/1500 с рядным комбинированным дизелем ЧН Особенностью технологического процесса механической обработки цилиндровой втулки является обеспечение малого отклонения поверхности отверстия от идеальной геометрической формы круглого цилиндра, что достигается финишной операцией — хонингованием зеркала цилиндра крупнозернистыми алмазными брусками. Этой же операцией компенсируется остаточная деформация втулки путем снятия припуска в процессе хонингования. Изложенное позволяет сделать следующие выводы: Рисунок 4 - Конструкция цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля ЧН 1. Обзор опубликованных работ по силовым схемам расчета цилиндровых втулок показывает, что в настоящее время отсутствуют аналитические методы количественного определения динамических напряжений в цилиндровых втулках — основных критериев оценки работоспособности конструкции в производственных условиях в зависимости от величины и характера изменения динамических сил, задаваемых реальными индикаторными диаграммами. Анализ литературных источников по экспериментальным методам исследования цилиндровых втулок подтверждает, что в производственных условиях экспериментальные исследования несущей способности деталей целесообразно производить только на работающих дизелях, так как эксперименты свидетельствуют о существенной разнице в напряженном состоянии статически и динамически нагруженных цилиндровых втулок. На основании обзора и анализа известных работ, отечественных и зарубежных авторов обоснована актуальность проблемы и сформулированы задачи исследований, целью которых является изыскание технологических путей повышения работоспособности конструкций в условиях высоких форсировок дизелей. В опубликованной отечественной и зарубежной литературе нет сведений о дифференцированной гидродробеструйной обработке наружных поверхностей цилиндровых втулок в зависимости от действующих знакопеременных динамических нагрузок. 4. В отечественных и зарубежных публикациях отсутствует информация о стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки путем ультразвуковой обработки на устойчивой резонансной частоте. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИНАМИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОВОЙ ВТУЛКИ ВЫСОКОФОРСИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ 2.1. Приближенный расчет напряженного состояния цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля от действия сил инерции За время совершения полного рабочего цикла цилиндропоршневая группа, как и кривошипно-шатунный механизм четырехтактного дизеля нагружается в основном силами от давления газов, силами инерции поступательно и вращательно движущихся масс. Цилиндровая втулка высокофорсированного дизеля опирается фланцем на верхнюю плиту блока. Опорный фланец прижимается к плите блока крышкой цилиндра через прокладку, уплотняющую газовый стык. Усилия затяжки шпилек крепления крышки цилиндра действуют непосредственно на фланец втулки цилиндра и верхнюю плиту блока по узкой кольцевой поверхности отверстия под втулку. Переход от опорного фланца к стене цилиндровой втулки (галтель), выполняется по наименьшему радиусу, что является причиной повышенной концентрации напряжений. Кроме этого, цилиндровая втулка имеет резко изменяющуюся форму поперечных сечений (например, в зонах опорных буртов с блоком), что с учетом действия нескольких силовых факторов (сил инерции, сил давления газов и т.д.) служит причиной повышения общей неравномерности распределения напряжений при нагружении. Эти обстоятельства являются одной из причин понижения прочности и долговечности конструкции. Поэтому разработка конструкторско-технологических методов улучшения формы и оценка эффективности этих методов для повышения работоспособности, прочности и долговечности цилиндровых втулок имеет важное народнохозяйственное и научное значение. Ниже предлагается приближенный метод расчета напряженного состояния цилиндровой втулки четырехтактного дизеля от действия сил инерции, представляющий собой синтез методов с некоторыми уточнениями и дополнениями. Для решения вопроса о напряженном состоянии цилиндровой втулки рассмотрим расчетную схему со следующими условиями и допущениями а) опорный фланец жестко заделан по наружному диаметру цилиндровой втулки и сопряжен с упругой оболочкой на внутреннем и наружном краях (фланец «ужесточен» силовыми шпильками, затянутыми с предварительной затяжкой); б) сечения части фланца, расположенные снаружи цилиндровой втулки, не поворачиваются, и стык между фланцем и цилиндровой втулкой не раскрывается; в) сечения части фланца как кольцевой пластины, расположенной внутри цилиндровой втулки, испытывают изгиб, что наиболее правильно отвечает кольцу наружного фланца; г) цилиндровая втулка рассматривается как тонкостенная цилиндрическая оболочка с постоянной толщиной стенки; д) контактная реакция Q распределена по внешней кромке радиуса R, так как предположение о недеформируемости контура сечения фланца, расположенного снаружи окружности цилиндровой втулки, не допускает площади контакта между фланцем и цилиндровой втулкой. Канонические уравнения метода сил, выражающие условие неразрывности в месте соединения цилиндровой втулки с кольцом фланца. таковы: а) - основная система б) - схема деформации фланца и цилиндровой втулки где К11 , K12 , K21 , K22 - коэффициенты податливости края втулки, отнесенные к единице его длины и определяемые путем численного интегрирования исходного дифференциального уравнения краевой задачи по методу конечных разностей; Рисунок 5 - Расчетная схема цилиндровой втулки от действия Pj Qo - поперечная сила в основании втулки; Мо - изгибающий момент в основании втулки, приходящийся на единицу длины внутреннего края кольца фланца; δ - радиальное перемещение внутреннего края фланца; θ - угол поворота нормали к срединной поверхности фланца близ его внутреннего края. Используя решение для цилиндровой втулки как тонкостенной цилиндрической оболочки, а также метод наложения , найдем угол поворота нормали: , (2) где коэффициенты: , (3) где Dн.п.ф. - приведенный диаметр фланца D – цилиндрическая жесткость цилиндровой втулки , (3а) где D- коэффициент Пауссона μ- отношение приведенного наружного радиуса фланца к внутреннему . Приведенная нагрузка фланца Рпр. определяется по выражению: , (4) где Dш. — приведенный диаметр окружности силовых шпилек; Dв.н.ф... - внутренний диаметр фланца. В плотно затянутом соединении «блок-цилиндровая втулка» усилие в шпильке определяется по формуле: Рб = Т+0,2*Рj (5) Здесь Т - сила предварительного затяга шпильки, определяемая: Т = (2÷3)*Рj (6) где Pj - сила инерции поступательно и вращательно движущихся масс; Q - сила, действующая на стык, равнодействующая контактная реакция: Q = T-(0.75÷0.85)*Pj (7) Рос. - сила, действующая на половину головки цилиндровой втулки: Угол поворота Пi в сечении О-О на расстоянии Rб.н.Ro от заделки под действием нагрузки Pj и момента Мо выражается зависимостью : , (9) где J — момент инерции сечения заделки, определяемый по формуле: , (10) Здесь Z — количество силовых шпилек. Условие совместности деформаций рассматриваемых элементов в сечении О-О имеет вид: θ-θ1, (11) Приравнивая выражения (2) и (9), находим в сечении О-О: Изгибающий момент Мх в любом сечении цилиндрической оболочки определяется по формуле где х - текущая координата; β - коэффициент, выражаемый зависимостью: , (14) Нормальные тангенциальные напряжения на краю цилиндрической оболочки определяются как суммарный результат наложения от действия изгибающего момента на соответствующий результат от действия сил инерции , (15) При действии на цилиндровую втулку осевой растягивающей нагрузки основной деформацией галтели является изгиб. При изгибе галтели возникает зона локализованных дополнительных напряжений. Эффект концентрации напряжений в этой зоне определяется приближенно по формуле для теоретических коэффициентов концентрации напряжений 00 в ступенчатых валах с круговыми галтелями соответствующей кривизны: , (16) , (17) Эффективный коэффициент концентрации напряжений определяется по формуле: , (18) где q - коэффициент чувственности материала втулки к концентрации напряжений. С учетом эффекта концентрации расчетные нормальные напряжения в сечении О-О определяется зависимостью: , (19) Результаты расчета тангенциальных напряжений в сечениях цилиндровой втулки представлены в таблице 1.1. Таблица 1.1
2.2. Приближенный расчет напряженного состояния цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля от действия сил давления газов При действии сжимающей нагрузки (от сил давления газов) цилиндровая втулка высокофорсированного дизеля и, в частности, ее галтель находится в сложном напряженном состоянии. С одной стороны цилиндровая втулка, как оболочка вращения, подвергается осевому сжатию от сил давления газов. С другой стороны на фланец цилиндровой втулки воздействует контактное давление от затяжки силовых шпилек, величина и закон распределения, которого неизвестны. Вся эта система нагружена. Практика эксплуатации таких фланцевых соединений показывает, что нарушение плотности вызывается не разрушением фланца, а усталостными трещинами и деформациями деталей соединения, превышающими предельно допустимые значения, определяемые условиями совместной работы фланца цилиндровой втулки, силовых шпилек и прокладки. Задача о расчете напряжений во фланцах, стянутых шпильками, относится к категории контактных задач теории упругости, которые не нашли еще полного разрешения ввиду их сложности. Учитывая изложенное, в рассматриваемой, наиболее упрощенной схеме, отражающей воздействие указанных факторов на работоспособность цилиндровой втулки, используются следующие условия и допущения: а) цилиндровая втулка рассматривается как тонкостенная оболочка вращения; б) цилиндровая втулка как оболочка вращения подвергается осевому сжатию Рсж , которое при местной потере устойчивости вызывает изгиб оболочки в пределах малых участков, а максимальные напряжения в сжатой, изогнутой втулке не достигают предела текучести; в) фланец приближенно рассматривается как балка на упругом основании; г) угол наклона фланца в месте соединения со стенкой цилиндровой оболочки равен нулю (жесткое соединение); д) при действии осевой сжимающей нагрузки в затянутом стыке фланцевого соединения цилиндровой втулки имеет место малая величина «отгиба» фланца. Расчетная схема цилиндровой втулки от действия Pj а) - основная система б) - схема деформации фланца и цилиндровой втулки Расчетное усилие, действующее на стык и необходимое для восприятия внешней нагрузки Рсж. , для обеспечения герметичности стыка между цилиндровой крышкой и втулкой, определяется зависимостью: , (20) где Dcpn. - средний диаметр прокладки; Pz — рабочее давление сгорания; К — коэффициент затяжки. Рисунок 6 - Цилиндровая втулка Изгибающий момент в сечении О-О: , (21) где η- коэффициент, учитывающий, что часть момента воспринимается поворотной деформацией фланца: , (22) Изгибающий момент в любом сечении цилиндровой втулки представляется зависимостью: где х — текущая координата; β —коэффициент, выражаемый формулой Нормальные тангенциальные напряжения на краю цилиндровой втулки определяются как суммарный результат наложения от действия изгибающего момента на соответствующий результат от действия силы давления газов, однако «силу Рcж. в этом случае считают отрицательной» , (25) При сжатии галтели, описанной радиусом г (сечение О-О), как и при растяжении возникает зона дополнительных напряжений. Теоретический и эффектный коэффициенты концентрации напряжений оцениваются по зависимостям (16) и (17), а с учетом эффекта концентрации нормальные напряжения в переходном сечении О-О определяются по формуле (19). Результаты расчета тангенциальных напряжений в сечениях цилиндровой втулки представлены в таблице 2.1. Таблица 2.1
2.3. Методика расчета температурных напряжений на наружной поверхности цилиндровой втулки Определение температурных напряжений представляет собой наиболее сложную часть комплексного расчетно-экспериментального исследования напряженного состояния цилиндровой втулки, поэтому для решения этой задачи был выбран расчетный путь с разработкой методики экспериментального определения температур в доступных точках на работающем дизеле. При расчете температурных напряжений введем следующие допущения: 1. цилиндровую втулку считаем тонкостенной цилиндровой оболочкой, свободной от внешних осевых усилий Рсж. и Pj; полагаем, что по толщине цилиндровой втулки температура меняется по линейному закону; при длительной эксплуатации на дизеле цилиндровая втулка работает в области термоупругого цикла нагружения, и уровень температур не оказывает существенного влияния на физико-механические свойства материала; цилиндровая втулка нагревается неравномерно как по длине, так и по толщине. Размещение термопар и температура на внутренней поверхности цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля ЧН 21/21 ( тепловозная характеристика) Так как между внутренней и наружной поверхностями втулки возникает существенный перепад температур, следствием последнего являются температурные тангенциальные напряжения, определяемые следующей зависимостью: , (26) где Е - модуль упругости материала; - коэффициент линейного расширения для чугуна; D - коэффициент Пуассона (для чугуна D = 0,3); Δt - перепад температур между внутренней и наружной сторонами цилиндровой втулки, который должен выбираться на основе экспериментальных данных. Анализ формулы (26) показывает, что температурные тангенциальные напряжения зависят от перепада температур между внутренней и наружной поверхностями цилиндровой втулки. Принимая во внимание, что температура на наружной поверхности втулки равна температуре охлаждающей жидкости = 90 0С , экспериментально определим температуру на внутренней поверхности цилиндровой втулки, для чего рассмотрим следующую методику термометрирования. Цилиндровую втулку препарировали пятью хромель-копелевыми термопарами на глубину 1,3 мм от внутренней поверхности. Исследования проводились на дизеле ЧН 21/21 при его работе по тепловозной характеристике 1500 об/мин с нагрузочным устройством - гидротормозом «Хофманн». При испытаниях измерялись все параметры дизеля с их регистрацией в журнале испытаний, температура втулки фиксировалась на ленте потенциометра КСП-4 со шкалой 0...600 С. Запись параметров производилась после их установки через 15-20 минут. Рисунок 7 – Размещение термопар 0-4 - термопары Результаты термометрирования цилиндровой втулки представлены графиком на рисунке 7. Эксперименты позволяют сделать следующие выводы: 1. Температурное поле цилиндровой втулки неравномерно по внутренней поверхности (температура изменяется от 90 оС до 135оС). Максимальный перепад температур по высоте втулки составляет 45оC. Максимальная температура .(135 оС) имеет место в зоне перехода от опорного фланца к стенке цилиндровой втулки. Предложенная расчетно-экспериментальная методика позволяет с достаточной для первого приближения точностью определить уровень температуры и напряжений в цилиндровой втулке на стадии проектирования высокофорсированного дизеля. Отработанная в процессе исследования методика измерения температуры и температурных тангенциальных напряжений может быть эффективно использована в процессе доводочных работ, а также при разработке научно обоснованных норм технической эксплуатации дизеля. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОДЕЛАННОЙ РАБОТЫ 1. Согласно поставленным исходным задачам и проведенному объему исследований в работе впервые решена научно-техническая проблема, связанная с повышением надежности и несущей способности цилиндровых втулок безотходными технологическими методами в условиях форсировок комбинированных дизелей по параметрам термодинамического цикла и частоте вращения коленчатого вала. В результате разработки теорий и практики широкого внедрения безотходных технологических методов было обеспечено значительное повышение работоспособности и долговечности цилиндровых втулок в серийно изготовляемых дизелях, что является подтверждением важности народнохозяйственного значения выполненной работы. 2. Разработаны теоретические методы оценки напряженного состояния цилиндровых втулок, состоящие в: разработке метода определения напряженного состояния цилиндровой втулки от действия сил инерции; метод расчета представляет синтез методов А.А. Волошина, И.А. Биргера и А. Л. Бутова с некоторыми дополнениями и уточнениями; - создание принципов и формул расчета напряженного состояния цилиндровой втулки как тонкостенной оболочки вращения от действия сил давления газов с условиями и допущениями; сформулированы расчетно-экспериментальные требования к определению температурных напряжений и предложены критерии по термометрированию цилиндровой втулки на развернутом рабочем высокофорсированном дизеле. 3. Обоснован метод и выполнено экспериментальное исследование динамически напряженного состояния цилиндровой втулки на работающем дизеле, установлен характер неравномерности распределения динамических напряжений по наружной поверхности втулки, оценена относительная суммарная погрешность для комплекса измерительной аппаратуры, не превышающая 1Q. На основе оценки динамически напряженного состояния цилиндровой втулки разработан безотходный дифференцированный технологический метод упрочнения наружной поверхности детали, позволяющий в 3.5-4 раза снизить неравномерность распределения результирующих напряжений, существенно повысить равномерность нагружения смежных объемов металла и равнопрочность элементов втулки при усталостном нагружении конструкции. Обоснован безотходный технологический метод снижения остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки, основанный на ультразвуковой обработке конструкции вибрационным старением. Метод повышает работоспособность втулки путем снижения остаточных напряжений со 180-340 МПа до 0-35 МПа и их стабилизация во времени. 6. Внедрение безотходных технологических методов в серийное производство, например, в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» создает годовой экономический эффект порядка 1002437,7 рублей. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Безухов Н.И., Лужин О.В., Колкунов Н.В. Устойчивость и динамика сооружений в примерах и задачах. - М: Изд-во литературы по строительству, 1969. — С. 246-265. Биргер И.А. Остаточные напряжения / И.А. Биргер - М: Машгиз, 1963. 232 с. Буше Н.А., Копытько В.В. Совместимость трущихся поверхностей. — М.: Наука, 1981.-126 с. Бугов А.У. Расчет напряжений и деформаций плотнопрочных фланцевых соединений кольцевых деталей гидротурбин: — Сборник / Проблемы прочности в машиностроении. Вып.9. — М.: Изд. АН СССР, 1962. - С. 77— 95. Ваншейдт В.А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей. — Л.: Судостроение, 1969. 639 с. Волошин А.А., Григорьев Г.Т. Расчет и конструирование фланцевых соединений. Справочник. — Л.: Машиностроение, 1972.180 с. Давыдов Г.А., Овсянников М.К. Температурные напряжения в деталях судовых дизелей. - Л.: Судостроение, 1969. 247 с. Двигатели внутреннего сгорания. Конструкция и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1984. 238 с. Дьяков А.К. Подшипники скольжения жидкостного трения. М: Машгиз. 1955.-320 с. http://www.automation-system.ru http://www.mashinostroyenie.ru/ http://www.celindroporshnevye.ru/ http://www.measurement.ru/gk/electro/04/02/003.htm http://www.technoline.ru/catalog/product/740 http://www.technoline.ru/catalog/product/744 Download 0.86 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|