автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование влияния контактного теплообмена в элементах головок цилиндров дизелей на их тепловую напряженность

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и срдена Трудового Красного Знамени государственный технический универоитет им. Н. Э. Баумана

Оболонннй Игорь Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНТАКТНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ЭЛЕМЕНТАХ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЕИ НА ИХ ТЕПЛОВУЮ НАПРЯЖЕННОСТИ

05.04.02 - тепловые двигатели

На : .»вая рукописи Для служебного пользования

Экз.»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

»

Работа выполнена в Московском орлена Ленива, ' ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственном технической университете им. Н. Э. Баумана

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Н. Д. Чайнов

Официальные оппонента - доктор технических- наук,

профессор В.М.Епифанов, кандидат технических наук, доцент Шатров М.Г.

Ведущее предприятие - Научно - Исследовательский

Институт Двигателей (НИВД)

Защита диссертации состоится ^ ■• Т9<)0 г>

в часса на заседании специализированного. совета К. 053.15.05 "Тепловые налганы и теоретические основы теплотехники" при Нооковоком гооударотвеннон техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу: 107005, Носква, Лефортовская набережная, д. I, корпус "Энергомашиностроение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, п. осьба направлять по адресу: 107005, М-юква, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им.Н.Э.Баумана, ученому секретарю совета К. 053.15.05.

Желакщие присутств^ ,ть на защите должны известить совет пноьмиш заинтересованных организаций на имя председателя совета.

Автореферат разослан . ..

Ученый секре.дрь специализированного совета Л

к. т.н., доцент -.^¡У,._ — о'.И. Ефимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Практика мирового двигателестроепия показывает, что традиционные методы повышения отдельных показателей рабочего процесса пли часгпне конструкторские решения требуют зачастую больших затрат и вместе с тем не всегда дают существенное улучшение характеристик двигателя. Поэтому при создании современных транспортных установок стремятся к реализации и принципиально новых решений. В последнее время получили развитие работа по изучению двигателей о уменшенннм теплоотводон от рабочего тела в систему охлаждения. В таких установках теплоизоляция стенок камеры сгорания (КО достигается либо покрытием их жаростойкими материалами с низкой теплопроводностью (керамика, оксидные пленки и проч.), либо созданием составных конструкций, в которых необходимая величина теплового сопротивления^ достигается за счет малой суммарной тепловой проводимости совокупности деталей. Кроме того, в связи с высокой тепловой напряженностью детали ци-линдропоршневой группы (ЦПП) ряда транспортных дизелей, например, судовых и тепловозных на протяжении значительного времени изготавливают также составными, используя для "огневых" поверхностей жаропрочные материалы. Поэтому широкое использование составных конструкций для деталей ЦПГ при росте их тепловой напряженности является естественным и закономерным.

Одной из самых теплонапряженных деталей двигателя является головка цилиндров (ГЦ). В процессе работы наряду о упруго деформирующимися элементами ГЦ в наиболее нагруженных конструкциях имеют место зоны пластического деформирования. В элементах "огневого" днища зачастую проявляются релаксация и ползучесть. Все это будет сказываться на ресурсных показателях двигателя. Но во всех случаях важным этапом является правильный учет процесса и особенностей передачи теплоты через сопряженные элементы конструкции и достоверная оценка теплового и напряженно-деформированного состоять! (ГОЛО ее элементов. Существующие метода расчета ЩДС головок цилиндров нуждаются в совершенствовании, в первую очередь, примени- • тельно к составным конструкциям.

Цель работы. Создание методики, математических иоде-ей и комплекса программ расчета ТНДС головок цилиндров, учитывающих контактное взаимодействие отдельных элементов, проверка достоверности методики и моделей на экспериментальной установке и их применение для исследования тепловой напряженности головок цилиндров

иысокофорсированных транспортных дизелей.

Метода и объекты исследования. При проведении исследований использовались методы физического моделирования и статистической обработки результатов экспериментов по термометрированшо головок цилиндров транспортного дизеля ЧН 15/16. Расчеты и обработка результатов экспериментов проводились на ЭВМ CM- Т?00 и IBM гс-386 о использованием стандартных и вновь созданных пакетов программ.

Научная новизна. Разработана методика исследования тапловой напряженности головк" цшшндр с учетом контактного взаимодействия составляющих ее элементов на основе метода бестолщинного контактного слоя. Предложенная методика может быть использована для исследования и других деталей ЦПГ, а также может входить в общую методику теплового расчета двигателя, что позволит проводить оптимизацию последнего по долговечности и ресурсу.

Практическая ценность. Предложен алгоритм, пакет программ и ряд моделей для расчета ТНДС головок цилиндров сложной формы в 2-меркой и 3-мерной постановках о учетом анизотропии свойств используемых керамических и композиционных - атериалов. Указанные прог раммы, модели л методические рекомендации могут использоваться на этапах проектирования и доводки двигателей для улучшения конструкции деталей ЦПГ о целые повышения их работоспособности. Проведено расчетнс-экспериментальное исследование тепловой напряженности 2-х типов головок цилиндров: цельнометаллической с запрессованными седлами и теплоизолированной с составным днищем из жаропрочного материала. Предложены мероприятия по совершенствованию конструкции головок с целью t-ижения их тепловой напряженности.

Реализ; щя результатов работы. Основные резул'татн иссле-дс дния использовались в госбюджетных и хоздоговорных работах, выполненных в НИИ ЭИ при МГТУ им. Н. Э. Бауман .. Разработанные модели и пакеты программ расче :а ТНДС сопряженных деталей сложной формы используются в НВД и ВНИИМотопром. Методические разработки и программное обеспечение применяется в ПИР и учебном процессе на кафедре КДВС МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Апробация работы. Осовнне результаты и содержание диссертационной рабо--* обсуждались на XvIII Ежегодной научно-технической конференции по и.огам НИР в МВТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 1986 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбинированных твигателей внутреннего сгор-нил и двига-елей новых схем и на новых топливах" (Москва, 1987 г.), Регись

нальной научно-технической конференции "Повышение эффективности проектирования, испнташм, эксплуатации автомобилей ч дорожных нашин" С Горький, 1988 г.), vil и VIII Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических устанох ж" (1989, 1991 г.г.). Всесоюзном научно-техническом семинаре "Диагностика, повышение эффективности и долговечности двигателей" (Ленинград, 1990 г.), Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре "Рабочий процесс, теплообмен в ДВС и теплонапряженность их деталей" (Ленинград, 1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи, тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции и 3 семинарах, получено 3 авторских свидетельства, Отдельные разделы диссертации отражены в отчетах по выполненным в НИИ ЭМ МГТУ им. Н. Э. Баумана научно-исследовательским темам.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений; содержит 125 стра- • ниц текста, 75 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 124 наименований.

С0ДЕР1АНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и сформулированы ее основные особенности.

В первой главе представлен краткий обзор конструкций головок цилиндров транспортных дизелей, работ по вопросам моделирования их ТНДС, а также расчетно-экспериментальных методов оценки терыосопротивления зоны контакта сопряженных деталей. Из проведенного анализа следует, что несмотря на очевидную 3-х иернооть полей температур и напряжений, математическое моделирование ТНДС головок цилиндров чаще всего проводилось в 2-мерной постановке. При этом рассматривалось только наиболее нагруженная часть узла -днище.. Элементы составных конструкций рассчитывались отдельно друг от друга с последующей "сшивкой" результатов расчетов (работы И. Е Станкевича, С. Ю. Руссин эвского, Л. Г. Мильштейна и др.). В расчетных исследованиях тепловой напряженности ГЦ в 3-мерной постановке, проведенных 0. А. Григорьевым и Л. Г. Мильштейком, отсутствует включение в расчетную схему седая и клапанов, что снижает адекватность указанных моделей.

Составные конструкции головок и их теплоизолированные ва-

риакты в опубликованных работах не рассматривались. В области ЛВС в качестве составных деталей ЦПГ исследовались главным образом поршни с применением при математическом моделировании ТНДС метода контактного слоя . работы В. Б. Петрова, А. В. Тимохина, Н. В. Петрухина и др.>. Модели на основе метода беотолщинного контактного слоя, более адекватные условиям работы сопряженных де-1 алей использовались для расчетов напряженно-деформированного состояния шатунов С В. А. Потичекчо и др.). При этом не учитывалась анизотропия свойств материала.

В отечественных и зарубежных работах, посвященных теплоизолированным конструкциям ГЦ, только начинает исследоваться влияние величины контактного термосопротивления днища на тепло-отвод в систем, охлаждения и общую тепловую напряженность конструкции. "

Вследствие наличия микронеровностей на поверхностях деталей машин, контакт между ними осуществляется по отдельным пят-лам и нооит дискретный характер. При заполнении м&исонтактного пространства с эдой с низкой теплопроводностью наблюдается температурный перепад между соприкасающимися пове; :шостяни. Для учета этого перепада в расчетах теплового состояния деталей вводится контактное термическое сопротивление или обратная его величина - проводимооть «к. Процесс передачи теплоты через зону "гика двух поверхностей рассматривался в работах В. С. Милле-рь, Ю. П. Шлыкова, Е. А. Ганина, Е. П. Дцбана, И. Т. Швеца, И. & Крагель-ского, Н. Б. Демкина, Э.В."ыжова, Фенеча, Розеноу, Ламинга, Т.Р.Томаса, С. Д. Проберта и др. авторов. В этих исследованиях было уо-та овлено, что на величину контактной проволлмости основное влияние оказывают микрогеометрия контактирующих поверхностей, i заложенные к деталям нагрузки, теплофизические свойства материалов деталей и межконтактной среды, а также тепловое соотояние зоны контакта. Было предложено несколько типов зависимостей для оиределения фактической площади контакта Эф, толщины межкон-'1 актного зазора h и проводимости контактного перехода, среди которых наибольшее распространение получили зависимости Н. Б. Демкина, И. В. Крагель coro и Ю. П. Шлыкова.

На основании выполненного обзора сформулировав задачи исследование: ,

I. Разработка на базе современных численных методов методики и алгоритма расчета теплового и напряженно-деформированного

состояния головок цилиндров, отражающих реальное взаимодействие контактирующих деталей сложной форда о учетом анизотропг- свойств материала конструкции.

2. Создание на базе предлагаемо": методики программ для исследования теплового и напряженно-деформированного состояния головок цилиндров в двумерной и трехмерной по»,гановках.

3. Расчетно-экспериментальное исследование влияния отдельных конструкторских параметров на теплонапряженность цельнометаллических и составных конструкций головок цилиндров транспортных дизелей.

4. Разработка рекомендаций по снижению тепловой напряженности головок цилиндров, на основе экспериментальных и расчетных исследований.

Во второй главе представлены методика и математическая модель расчета стационарного ТНДС составных конструкций в 3-мерной и 2-мерной Скак частный случай) постановках методом конечных элементов (НКЗ>. Контактирование двух криволинейных.произвольно ориентированных в пространстве поверхностью моделируется по методу бестолщинного контактного слоя. В качестве топологического описания сопряжения вдоль возможной контактной границы вводятся пары узлов, а каждое из контактирующих тел имеет свое описание. Для решения трехмерной задачи используются 20-узловые криволинейные изопараметрические элементы, а для двумерной - 3-узловые линейные элементы. Вследствие нелинейности контактной задачи, ее решение проводится шаговым методом с последовательным уточнением состояния зон контакта,деталей, их термической проводиности и ТНДС системы сопряженных тел. Для указанных, типов задач материал деталей может иметь ортотропные и трансверсально изотропные теплофизгтес-кие свойства. Преобразование значений свойств из локальной для каждого элемента системы координат в глобальную проводится по общепринятым зависимостям. Для оценки граничных условий теипооб1 ;на и кинематических условий используются опубликованное в литературе зависимости.

При определении теплового состоятся конструкции связь между контактными узлами в разрешавшей системе линейных алгебраических ■ уравнений осуществляется путем введения перед ее формированием "расширенных" векторов узловых температур и матриц конвективного теплового потока (для каждого контактного элемента), учитнваиндах контактный теплообмен.в сопряжении с интенсивностью «к Срис. 15.

При этом температуры в уздах элемента ш аыступазт в роли ГУ теплообмена III рода для элемента п и наоборот: ■ в 11.1 1 ,.. 1 1 . ■

V

<V - lTiTjTK ••Vi---'T-1 :

Hi HJ ••• H3 "Hi.

н н

s p

H -H г s*

-H

t«

где т

э ~ температуры узлов элемента п; т1ж ... -температуря узлов элемента ш, принадлежала контактной грани; нА... нг, н1м . . н4>< - соответственно составлявшие матрицы конвективного потока всего элемента п и относящиеся к коь.актной грани.

Расчет напряженно-деформированного состояния в перенещенл-г ■ проводится итерационным методом с поэтапным анализом состояния зоны контакта по условиям:

'i М 5

и2

П

О,

I = 1.2

г О,

С D С2> (3)

- проекции перемещения контактных узлов на нормаль п;

где '

<>н начальный зазор или на:лг; о% и - соответсп лшо нормальные и касательные наг>~«жения в узлах; I - коэффициент трения. При этом учитываются все виды тепловых и механических нагрузок, действующих на сопряженные тела, в том числе и от 1 рения поверхностей. В процессе решения рассматриваются возникающие в зон. ~ контакта напряжения и взаимные перемещения контактных узлов каждой пары, 'злн считаются контактирующими, если они перемещаются совместно в направлении нормали к поверхности тела и в них действуют напряжения сжатия, характеризующие передаваемую нагрузку. В щ тивном случае узлы считаются неконтактирушциии и перемещаются независимо друг от друга. *ешение считается законченным, если стабилизирован ь~бор ^тактирующих и нек_.нтактирушдих пар узлов. Указанный алгоритм реализуется путем соответствующие преобразований глобальней матрицы жесткости а вектора нагрузки.

После уточнения состояния зоны сопряжения деталей и определения областей сжатия или раскрытия контактных стыков прово-

длтся расчет термической проводимости контактного перехода отдельно для каждого конечного элемента модели. Учитываются ни-крогеоматряя сопряжениях поверхностей, теплофизические характе-. ристики материала деталей, действующие нагрузки и величины возможных контактных зазоров. Значения относительной фактической площади контакта и межконтакткого зазора определяются по зависимостям Н. Б. Лемтгаа и И. В. Крагельского, а проводимость межконтактного перехода «к - по выражениям Ю. П. Шлыкова и Е. А. Галина о учетом вида деформирования микронеровностей от действуквдгх нагрузок С упругое, пластическое и т. д.). Граница пере -ода от одного вида деформирования к другому определяется по значению номинального давления в зоне контакта, рассчитанному по зависимости И.А.Мишина и К.Джонсона : ^

Чн - А Ь (от / Е ) О/Лг) ;

где qн - номинальное давление; А -. коэффициент пропорциональности; - параметры опорной кривой поверхности детали;

- предел текучести материала; Из - шероховатость поверхности; Е - модуль упругости I рода; J - приведенный радиуо вершин . микронеровностей.

Далее проводится сравнение полученных на данном шаге и заданных на предндаем значений проводимости контакта. В случае расхождения указанных величин проводится следующий шаг расчета ТНДС системы тел. Расчет считается законченным, есл.. среди е-квадратическое отклонение температур узлов модели на данном шаге от температур узлов на предыдущем меныне наперед заданной величины.

Для проверки точности получаемого решения при использовании разработанной методики был рассмотрен ряд тестовых задач:

1. Задача о передаче теплоты через составную стенку с известным коэффициентом теплопередачи. Порешность решения по температурам в узлах модели в 2-нерной я 3-меряой постановках составила 0,05 %.

2. Задача Ламе ( о напряженно-деформированном состоянии запрессованных одна в другую труб)- погрешность определения на пряжений и деформаций составила (I, I - 2,5)%.

3. Определение теплового состояния двух цилиндров с теплоизолированной боковой поверхностно,, через которые проходит

?

изустный тепловой поток С рис. 2>. Экспериментальное исследование распределения температур по высоте цилиндров было проведено в работах В. С. Миллера. При решении задачи в качестве гра-'чдчных условий.теплообн ja задавались экспериментальные значения тенператур на торцах цилиндров, а сравнению подлежали температуры вблизи зоны их контактирования. Наибольшее расхождение лежду экспериментальными и рачетнкми значениями температур составило Ж.

Б третьей главе приводится описание экспериментальной установки - безмоторного .теплового стенда, методика и результаты экспериментального исследования стационарного теплового состояния ряда вариантов головок цилиндров дизеля 4HI5/I6, оценка погрешности из».¿рений. Поля температур измерялись хромель- Копелевыми и хромель-алинелевыми термопарами, а тепловые потоки -датчиками, разработанными в Институте Технической Теплофизики All УССР.

Источником теплоты на стенде являлся нагреватель с кварцевыми rajroreHOF ш лампамч накаливания типа КГ-220-2000 или си-литовшш трубчатыми элементами типа КЭДА-8/150/180. В опубликованных работах доля конвективной составляющей в общем потоке .теплоты тля иодо^яых установок колеблется от 5 до 30% и зависит от нагреваеной поверхности, вида нагревателя и используемых нагрев-тельных элементов. Экспериментальная оценка величины конвективного теплового потока в условиях стенда, проведенная при помощи датчиков теплового -этока о различной степенно черноты, позволила уточнить эти оценки. Так для нагревателя о чщштовнми эл 'ентани доля конвекции составила от 10% до 40%, а для ламп КГ - (10 - 13)% в зависимости от подведенной эле трической мощности.

На ii-jpBOM этапе била испедована головка цилиндра из алкни-нневого с. тава АМХ-605 (рис. 3> о целью отработки методики проведения эксперимента и идентификации режима работы стенда с режимом реального двигателя. В дальнейших исследованиях полученный з~кон распределения плотности подводимого к днищу головок'теплового потока оставался неизменным. Головка состояла из корпуса } запрессованными в i. го стальными седлами и клапанов. Такие конструкции широко распространены, а их тепловая напряженность в ря-до случаев близка к предельной. Однако тепловое сост< оедел и клапанов изучено недостаточно, Поэтому были замерены поля температур в седлах и клапанах золовки и исследовано влияние усилия

Прижатия клапана к седлу на теплозое состояние Есето угла, Екло Остановлено, что несмотря на высокую теплопроводность одлани АМХ-605 поля температур седел имеют неравномерность в плосчсстн Йгопца до 85 °С, по толщине седел до 15 °С, неравномерность нагрева перемычек составила до 45 °С на ре:сие работа, соответатву-йщему 1 минальному. Это может о:уу-Нтъ нркчззой нарушения герметичности КС и прогара посадотл^; с-асок клапанов. Оцененные по показаниям термопар Еелич1шы теплоих-. потоков в клапанах 'л проводимость сопряжения клапан-седно поиска с 1200 - 1300) Зт/мгЕ оказались близкими к средним за ;щял г качениям, приведенным в работах Г. Б. Розенблита. Изменение ускппя тт.;а;этия клапанов к седлам от номинального до 0 привело к уменьшению температуры перемычек на С15 - 20) °С, снижении не) авномерности нагрева седел на С 25 - ЗО °С, увеличению температуры клапанов с 500 до 800 °С.

На втором этапе иос-чедоьалась стальная ГЦ дизеля 41115/16, теплоизолированная снизу при помощи накладки из 513}!4 и нескольких вариантов изоляционных пакетов, устанавливаемых между накладкой и днищем (рис." 43. Накладка крепилась при помощи специальных гаек, навернутых на седла. В I, 2 и 3 вариантах изоляционный пакет состоял из стальных пластин различной тслгапш л шероховатости, в 4 - е? металлизированного войлока.

Были получены воля температур в днище корпуса головки, в перемычках накладки, седлах и клапанах для режимов работы дизеля о Ртв = I; 1,3 и 1.6 МПа. Увеличение шероховатости стальных пластин в теплоизолирующем пакете с 0,16 мкм до 0,50 мкм, а также установка опорных колец в пакете шириной 3 мм п толщиной 0,2 мм по периферии накладки и вокруг седел (соответсвенно варианты I и 2) привели к. снижению теплового потока О^ в систему охлаждения на ЗС%. Это связало с уменьшением площади фактического контакта и увеличением толщины межконтактннх зазоров. Установка клапанов с напылением из 1гОг толщиной 1,2 км (вариант 3) снизила дополнительно на 8,5%. Наибольшее снижение (на 53%) было получено при установке под накладку диска из металлизированного войлока (вариант 43 толщиной 5 мм с л = 5 Вт/м К. При этом температура "огневой" поверхности накладки увеличилась в среднем на (25 - 30) °С, а температура перемычек стального корпуса головки снизилась на (35 - 50) °С. В рассмотренных вариантах конструкций неравномерность нагрева перемычек состааядла (70 -95) °С. Это свидетельствует о значительных тепловых потоках, и;-

ступающих от клапанов в полости охлаждения. В исследуемых накладках после нескольких нагревов появлялись тращины, что указывает на наличие существенных тепловых деформаций всей конструкции.

Новкшенг'"1 степени теплоизоляции днизца с 0 до 53% привело к росту абсоптч'пшх значений температур седел, а иакессние покрытия на клапаны ослабило этот процесс. При этом в направляю-щуте втулку клапана отводилось от 30% до 46% полученной им теплота. Проводимость сопряжения клапан-седло по показаниям эше-локированных термопар составила (1300 - 1400 Вт/м К.

В четвертой главе приведены результаты расчетного исследования ТНДС указанных вше головок цилиндров и сравнение расчетных и экспериментальных данных. Для проверки достоверности расчетных полей температур в зонах контактирования сопряженных ■ деталей желательно на поверхностях их нагрева и охлаждения задать ГУ теплообмена I рода, полученные экспериментально. При этом расчетные значения температур в зонах контакта доданы соответствовать экспериментальным. Однако, замерить температуры в достаточно большом количестве точек головки не представляется возможшгм вследствие внесения значительных искажений полей из-за установки термопар. Поэтому измеренные температуры и тепловые потоки были использованы для уточнения в расчетах ГУ теплообмена на поверхностях нагреЕа и охлаждения, а сравнению подлежали экспериментальные и расчетные значения температур вблизи зон контактирования.

Как показано в работах Н. Д. Чайнова, Н. А. Иващенко, И. В. Станкевича и др., расчет ТНДС цельнометаллических головок может быть проведен в 2-мерной постановке, при которой днище рассматривается как плита с запрессованными .в нее седлами. ТНДС конструкций, в которых дншде состоит из нескольких элементов С накладка, пакет пластин, днище корпуса п т.д.) может бить определено только на 2-мерных моделях. Поэтому в целях экономии средств расчет ГЦ из с п. паю. АНХ-605 проводился в плоской, а теплоизолированной ГЦ с ■ накладкой из 1 Зк4 - в 3-мерной постановках.

Модель для расчета головки из алюминиевого сплава АМХ-6С5 описывалась 556 элементами и 339 узлам., и содержала корпус, седла и клапаны, на границах которых располагались пары контактных уалоь. Б.члн получены эпюры радиального давления на боковую поверхность.седел и проводимость сопряжения клапан-седло с учетом

всех действующих нагрузок (рис. 5).

Наибольший вклад в формирование такой эпюры вносит дчкне-иие от запрессовки седел. При этом погрешность расчета толпе-ратур относительно экспериментальных значений составила (10 -35) °С ми (3 - 8)%.' Расчет ТН1С головки при идеальном контакте седео. с корпусом (как било принято в работах В. М. ¡¡Гирчегл. С. В. Горлова и др.) приводит к изменению структуры тепловых полей в перемычках и седлах и погрешности расчета (10 - 14)%. Рассчитанная проводимость контакта седло-корпус порядка (12 -19)хЮ3 Вт/м^К соизмерима с радиальной проводимостью собственно седла я вносит существенный вклад в формирование ТНЛС всего узла.

Установка в ГЦ бронзовых седел при прочих равных условиях . позволяет снизить абсолютный уровень температур ее элементов на (20 - 30) °С, а напряжений на (15 - 20)%. Кроме того, может бить уменьшен натяг при запрессовке как стальных, так и бронзовых се-, дел до (0,1 - 0,12) мм, что позволит снизить действующие в перемычках начальные напряжения без ухудшения гдежности конструкции.

Математическая модель теплоизолированной ГЦ в 3-мерчой постановке описывала 1/2 ее часть (согласно симметричности конструкции) с впускным и выпускным клапг ами и седлами, патрубками и верхней надстройкой. Модель состояла из 116 20-узловых криволинейных элементов.и 1264 узлов. Теплоизолирующая накладка описывалась 28 элементами и 290 узлами. Пакет стальных пластин, расположенных между накладкой и днищем, бил представлен 65 парами узлов, связанных условиями контактного взаимодействия. Расчет проводился для I и 2 вариантов ГЦ, описанных в главе 3. Были получены поля температур, деформаций и напряжений, а на их основе рассчитана проводимость пакета пластин в холодном состоянии при предварительной затяжке крепежных гаек на седлах, а также в горячем состоянии для режима работы двигателя с Р^ = I, 3 МПа. При этом расхождение расчетных н экспериментальных значений температур в накладке и стальном корпусе вблизи пакета пластин составило (10 -13)%. На рис. 6 представлено поле проводимости пакета пластин для 2 варианта ГЦ с учетом тепловой деформации элементов конструкции В усилия предварительной затяжки гае!с. Следует отметить наличие между накладкой и днищем корпуса не только областей сжатия, но и зон раскрытая контактных стыков, возникающих вследствие различного деформирования элементов конструкции. Диапазон изменения о составил 1750 Вт/нгК при наименшей ее величине 350 Вт/мТ

Для изделий из тесамтгческих метериалов типа Si3K4 наиболее опасными являются нг.прятеиия растяжения, а для определения работоспособное:}: металлически:: изделий необходимо выявить нанболь- • кие абсолютно сплчечия действующих напряжений. Поэтому для корпуса головки илйолее теплонапряженным оказался I вариант конструкции. в kotci ч: вследствие значительного нагрева и тейповой дефорнацки днтслд напряжения сжатия достигали С-220 —280) НПа, а ¡¡апул-гею'я ресглхевга в керамической накладке - 85 ЫПа. Для второго варианта ГЦ напряжения растяжения в накладке возросли до 31 1,31а, а в дшгце корпуса напряжения сжатия снизились до С-120 --155) !Ша относительно I варианта вследствие уменьшения абсолют-нкх значений проводимости пакета теплоизолирующих пластин. При это:т, ли для I варианта конструкции наиболее нагруженной пере->шт1:сой ь ьаклэдке и корпусе были соответственно между "разнои-ме.тдаш" и "выпускными" клапанами, то для 2 варианта стали "выпускная" и "впускная" перемычки. Наличие под накладкой зон раскрытия контактных стыков при воздействии на ее "огневую" поверхность ¿¿ьлен;:я rasa Рр = 12 МПа, соответствующего . приводит к . росту б ней напряжений от 50 до 100 ЫПа, что свидетельствует о действии ь ней изгибающих моментов. Такое высокочастотное циклическое кагружение может вызвать быстрое ее разрушение в условиях реал того двигателя. Этого можно избежать путем изменения форми днища и расположения каналов системы охлаждения таким образом, чтобы тепловые деформации накладки в плоскости контакта соответствовали деформациям корпуса. На напряженное состояние корпуса головки действие Рг значительного влияния не оказало.

В приложении представлены копии авторских свидетельств и акт

внедрения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

i

Проведенные теоретические и расчетно-экспериментальные ис- . следования козьол.чы1 сделать следующие выводы :

1. Разработана методика и пакет прикладных программ анали- ~ га в двумерной к трехмерной постановка^ тепловой напряженности голово:: цилиндров транспортных дизелей'с учетом контактного те-аяоойкгтг в злененгах конструкций.

2. 1.сг.;о.таско расчетно-экспериментальное исследование тепло-

Рис. I. Схема контактирования элементов I

I - /V =76 Ша, 2 - N =31 Ша, -— эксперимент,---расчет

Рис. 2. Контактирование цилиндров

......Г /

Л1 1

н Т.'С

4*0 100 но т

• 255 - эксперимент, - расчет

Рис. 3. Поле температур "огневого" дшзда голозки пилзндра, °С

щ V. \\ чЧ \ и

ш т Шшк

'/////////%г

Рис. 4. Теплоизолированная головка цилиндра

Рис. 5. Згазра суммарного радиального давления на боковую поверхнооть седел, МПа

о £

Рис. 6. Поле проводимости пакета пластин, 10 Вт/ы К

зого и напряженно-деформированного состояния цельнометаллической и составной головок цилиндров быстроходных транспортных дизелей типа ЧН 15/16. '

3. В головках цилиндров из алюминиевых сплавов с запрессованными стальными седлами в зоне их-контакта с корпусом возникает термическое сопротивление, соизмеримое с радиальнш сопротивлением самого седла. Предположение об идеальности контакта седла с корпусом головки может привести к погрешности расчета температур и напряжений в элемента:! конструкции С15 - 50)%, наибольшая величина котброй относится к седлам и прилегающим к ним областям днища.

4. Тепловые деформации днища головки в условиях двигатечя не приводят к значительным изменениям величины предварительного натяга от запрессовки седел. Поэтому уменьшение величины натяга до (0,1 - 0,12) мм обеспечит снижение напряжений в межклалатпгх перемычках от запрессовки седел, а применение бронзовых седел пря прочих равных условиях будет способствовать снижении температур наиболее нагретых зон конструкции.

5. Исследование головки цилиндра с днищем, теплоизолированным при помощи накладки и набора стальних пластин, показало:

5.1. Проводимость теплоизолирующего пакета зависит не только от условий его предварительного закрепления, но и от взаимных тепловых деформаций накладки и корпуса головки. При этой .в сопряжении этих элементов конструкции наряду о зонами сжатия возникают области раскрытия стыков, а проводимость контактного перехода изменяется от 350 до 3100 Вт/м2К.

. 5.2. Воздействие на "огневую" поверхность теплоизоли-ругацей накладки силы давления рабочего тела в зонах раскрытия контактных стыков приводит к увеличению действующих в ней напряжений растяжения в 2 - 2,5-раза С до ICO Ша). Такое высокочастотное циклическое нагружение может быть причиной поломки керамической накладки в условиях двигателя.

6. Теплонапряженность головки цилиндра с изолированным днищем может быть снижена путем оптимизации геометрических параметров конструкции с целью уменьшения величин температурных градиентов в ее элементах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следукгкх работах:

1. Оболонный И. В., Строганов Е. К. Конструкция деталей ЦЯГ с применением конструкционных керамических материалов // Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых тошшвах: Тез. докл. Всесоюзной научно-технической кокф. - И., 198?. - С. 10.

2. Чайнов Н. Д., Василенко В. Г., Оболонннй И. В. Стенд о си-литовыми нагревателями для исследования тепловой напряженности деталей ЦПГ // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1988. - Ш

С. 73-70.

3. Исследование напряженно-деформированного состояния модели днища головки цилиндра високофорсированного транспортного дизеля / Н. Д. Чайяов, Б. В. Букеткин, И. В. Оболонный 41 др. //Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1989. - №10. - С. 60 - 64.

4. Чайнов Н. Д., Оболонный И. В. Расчета»-экспериментальное исследование теплового и напряженно-деформированного состояния головок цилиндров транспорта ЛВС // Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей: тез. докл. научно-технического семинара. - Ленинград, 1990. - С. 40.

5. Чайнов Н. Д., Оболонный И. В. Методика расчета стационарного контактного^ теплообмена в деталях ЦПГ двигателей при помощи МКЭ // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1991. - №3. - С.

6. Оболонный И. В. Применение контактной задачи для исследования деталей цилиндропораневой группы дизелей // Современные проблем«.газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок: Тез. докл. VIII Всесоюзной школы - семинара. - М.. 1991. - Ч. 2. - С. 36 - 37.

41 - 46.

Тираж 100 экз. Объем I п. л.

Подписано к печати 3.12..

Типография МГТУ им. Н. Э. Баумана