автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Математическая модель анализа тепловой напряженности составных поршней форсированных дизелей

Московский ордене» Ленин*, ордена Ок-шбрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени технический университет им. Н. Э. Баумана

На правах рукописи

СУЩИ11ИН Андрей Александрович

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АНАЛИЗА ТЕПЛОРОД НАПГЯЙЕННСОТИ СОСТАВ!!!« ПОПШКЯ ФОРСИРОВАНИЮ ДИЗЕЛЕЙ

05. 04. Ой - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, ордена Ок-¡яОрьской Революции и ордена Трудового Красного ¡Зпйлшш техническом университете им. Е 3. Баумана .

Шушый руководитель - доктор технических наук,

профессор Н. Д. Чайнов .

официальные оппоненты „доктор .технических наук,

профессор А.Ф.Шеховцов; кандидат технических наук, доценг И.В.Сганневнч.

Видуиее предприятие - НЖТВД, г.Владимир.

Зашита состоится - " Коб^рАшг г. в . часов на заседании специализированного совета К. 053.15. 05 "Тепловые машины и теоретические основы теплотехники" при Шсковском техническом университете кы. Н. Э. Бау>.ааа но адресу: 107005 Шсква, Лефортовская набережная, д. 1, корпус "Энергомашиностроение."

О диссертацией мпжо ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 107005 Москва, 2-я, Бауманская уд. , д. 5, ЫГТУ им. Е 3. Баумана, ученому секретаря совета К 053.15.05.

Автореферат разослан " СеаТЯа 1992г.

Учений секретарь специализированного совета к. т. к. , доцент

И Ефимов

ОЩДЯ 'ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Постоянное повышение уровня фор-;ирования двигателей по среднему эффективному давлению дела->г условия работы поршня все более напряженными. Для обес-(ечения необходимого ресурса в двигателестроении находят [рименекие составные конструкции поршней. При этом достовер-юсть определения прочностной надежности составных поршней I значительной степени определяется точностью оценки тепло-юго и напряженно-деформированного состояния поршня. В этом сношении особое внимание следует уделить учету термического опротивления в зонах сопряжений элементов поршня. Исследо-■ания показывают, что при ошибке в 1% при определении тепло-ого и напряженно-деформированного состояния (ТНДС) ошибка в пределении ресурса детали достигает 10- %. Следовательно, еоретичееиое <и экспериментальное изучение состояния зон онтакта элементов составного поршня и его влияния на ТНДС прочностную надежность поршня является актуальной научно-ехнической задачей.

Цель исследования. Целью настоящей работы является соа-ание методов расчетного исследования ТВДС составных поршней учетом теплового и силового взаимодействия составляющих их еталей прй приближении к реальным условиям контактирования эпряженных поверхностей.

Методы исследования. При исследовании использовались ис ленные и экспериментальные методы. Использование анали-ических методов не представляется возможным из-за елотеос-и конструкций составных поршней.

Научная новизна. Разработан численный метод анализа гплового и напряженно-деформированного состояния системы энтакгирущих тел с учетом минрогеометрии сопряженных по-зрхностей. Созданный на его основе алгоритм расчета появо-!ет оценить ТНДС составных поршней на стадии проектирота-и доводки двигателя.

Практическая ценность. Разработанная методика решении жтактннх задач реализована в ь'иде комплекса программ, жзрый поаволчрт' производить аналш ТНДО системы тел, нахо-

дяшхся а теплозгом i: силовом кваишдействии, с. учетом реаль ной картшш контактирования сопряхзнких поверхностей. В работе приводятся результаты расчетных и экспериментальна исследований поршней форсированных дизелей, получении« в результате расчетов на ЭВМ н моделирования "на тепловом.статическом стенде.

Внедрение и реадигация в промышленности. Ре&ультаты расчетных к экспериментальных исследований передани Челябинскому тракторному зароду и ряду научно-исоледшм) чльских организаций. -

Апробация работы. Осиоввые положения и отдельные разделы диссертационной работы долокени на екегодш:.-: н .¡учпо-технических семинарах молодых специалистов каф-ДР" " Комбинированные дьнгатели внутреннего сгорания " МРТУ им. Я. Э, Шумана ( 1989,1990,1991 гг.), на Всесоюзно^ межотраслевом научно-техническом семинаре ( г. Ленинград, ЯГТУ. lfiSl г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Динамшса и прочность .автомобиля " ( г. tocraa, 168¡3 т.), на Всесоюзном . научно-практическом семинаре " Совершенствование мощностних, экономических-и экологических показателей ДВС " (г,ч Владимир, 1969 г.).

Публикации. • По теме диссертации опубликованы 3 работи.

Структура работ Работа состоит иа введения, четырех глав, выеодов, списка использованной литературы, и прилак«-ний. Содерллт 100 страниц текста, 57 рисунков, 25 таблиц н список литературы на 106 наиыекований.

~ СОДЕРЖАНИЙ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность теми, поставлены цель и еьдачи исследования.

Первая глава посвящэк4 краткому аналиау конструкций составных поршней форсированных дизелей, физчческоВ сухости п аналиау методов расчета контактного термического сопротивления и фактической плоади контакта, методам расчетного определения зон отрыва, проскальзывания или сцепления, численным методам расчета ТНДС._ /

Повыиение уровня форсированйя двигателей приводит к

- о ~

юьнш-знию температур и температурных налрялений в поршнях, ■лк одной иг. деталей. обра?учдах камеру сгорания С КС). При оотшданки предельных значений температур к напряжений для •дагркйлов ц-?льнеметаллических поршней (чуг/н, алкшниевыв плавы) осуществляется переход к составным конструкциям оршней. В одних- случая* применение составных охлаждаемых оршней более технологично, в других случаях позволяет рганияовать тепловой Оергер медду головкой и корпусом эршня. В качестве материалов для головок поршней получили пропое распространение жаростойкие стали и сплавы, а тшеле =>рамигиские материалы. При этом на тепловое и напряженно -■формированное состояние составных поршней значительное 1ияни» оказывает термическое сопротивление контакта мевду ?талями, образующими поршень.

- С одной сторины, для определения ТНДО и прочностной щежмости составных поршней необходимо знать, в каком стоянии находятся сопряженные детали поршня (отрив, оскальзнвание или сцепление). В результате изменения стояния контакта в мэстах сопряжений изменяются правления и величины тепловых потоков и, как следствие, ДС составннх поршней.

С другой стороны, в результате неизбежного наличия-роховатости и волнистости на поверхностях деталей они прикасаются парами выступов, имекшцх наибольшую суммарную зоту (рис.1). К этим пятнам фактического контакта згиваются линии теплового потока, так как межкоьтактная , • зда в основном имеет незначительную теплопроводность. )езультате наблюдается температурный перепад медду фикасающямися поверхностями деталей.

В первом направлении известны работы таких выдающихся ■них, как Гери Н. , Синьорини А. , Галин Л А. и многих тих. В связи с развитием средств вычислительной техники ltco возможным определять зоны отрыва, проскальзывания и пления i;a основе численных методов (работы Кравчука A.C., куиевского к. В. , Гонтаровского IL П. , Блоха М. В., Ода К. ругих). Необходимо отиетчгь, что и при аналитическом ключение: Шгаершн И. Я. , Митрофанов Б. IL), и при числен-шдходах отсутствует учет жесткости контактного слоя

- - 4 •(см. рис.1), который образован шероховатостью и волнистостью взаимодействующих поверхностей. Отсутствие контактного слоя т достаточно адекватно отражает процессы (трение, теплопередача), происходящие в слое, образованном волнистостью и мшфошероховатостыо поверхностей. При решении задач с трением возникают проблемы со сходимостью (Кравчук А. С. , Вовкушевский А. В., ОиуаиЬ б.).

ч:

\

\\ Ч Ч1 1 У с

а

Рис. 1. Параметры в зоне контакта: а - зона, контакта волнистых и шероховатых поверхностей; б : мотель зоны контакта в виде контактного слоя со специфическими свойствами;

- фактическая площадь контакта; £/*,„ , б-яол - модули упругости 1 и II рода в направления, перпендикулярном плоскости контакта; Е< - модули Юнга длй контактирующих деталей: ? Ег ; Л - суммарная' высота волн и микронеровностей (толщина контактного слоя);. Л» , А«, Ь'р ~ коэффициенты теплопроводности материалов и мелкоитактной среды •

Во втором направлении работы велись в основном по определению .контактного термического сопротивления - величины, характеризующей теплоп^репад в зоне контакта. Было получено большое число .эмпирических ( Миллер B.C. , Ильченко О. Т. , Попов В. М. ,Vt*zirob'ly Т. М. и др.) и аналитических ( Шлыков Ю. П. , Боуден Ф. П. , Тейбор Д.', Greenwood J.'А, , ' Крагельский И. Б. , Левин Е.'М. и др. ) зависимостей контактного .термического сопротивления от микрогеометряи поверхностей, упругих свойств материалов'взаимодействующих деталей и величины номинальных контактных давлений. До недавнего времени для определения ТНДС составных конструкций в двигателях внутреннего сгорания использовалось именно контактное, термическое сопротивление (Блох М. В. , Оробинский А'. Р. 7.1i6iif;h»ng G. Петрухин К. Б, , Сболонный У.. В.). Однако r>oj.re приОичлишодк' физической сущности контактной теп.жш-ч^тчи в иоЫпях чрля-

- б -

&тся численный метод, предложенный Петровым В. Б. Этот метод эснован на непосредственном представлении в расчетной схеме яятён фактического контакта (см, рис. 1). Площадь фактического контакта можно определить на основе различных подходов ;и. Е Крагельский, Ф. П. Боуден, К. Джонсон, 11 Б. Демкин или др.) , 1ри этом выступы волн и микронеровностей могут Сыть предста-злены пирамидами, призмами, шаровыми сегментами и т.д. Дес{ор-лации выступов могут быть чисто упругими, упругопдастичео-сими, пластическими и пластическими с упрочнением.

На основании изложенного поставлены следующие задачи:

- разработка методики расчета ТНДС составных поршней, »тражаюшая реальную картину теплового и силового вааимодей-!твия контактирующих деталей;

- проверка экспериментальным путем надежности разработан-Сой методики расчета ТНДС составных поршней;

- проведение расчетного исследования поршней форсированных [изелей, используя разработанную методику.

Во второй главе излагаются:

- методика определения параметров контактного слоя, еобходимых для определения ТНДС;

- метод суперэлементов для расчета ТНДС составных онструкций. ' '

Пзраметры контактного слоя, необходимые для расчета НДС, определяются" на основе формулы Н.Б. Деыкина для тносительного сближения контактирующих поверхностей, эргаины выступов у которых смоделированы шаровыми эгментами: ¡а Ъ —

У I

£ =

" Де ^ - давление; <к - .коэффициент упругой осадки еыетуниь,

и п'г^)Г(и))

Ри- коэффициент: Г[Ъ = -——--:— ;

, и) - коэффициенты, характеризующие контактные напряжения 1а выступах ( зависят от их формы и свойств материалов);

в I

И,

_1£ э

7 ^ > г< г*

- приведенный радиус; кривизны: Л - —-

Г, ,ГХ - расчетные радиусы кривизны первой и второй контактирующих деталей;

относительная опорная длина на средней линии; Нр - высота сглаживания; ^ - параметр опорной кривой.

В зависимости от типа деформаций ( упругой, упруго-йластической, пластической ) получены конкретные выражения, связывающие номинальные напряжения с деформациями волн и контурные напряжения с деформациями микронеровностей. Эти Выражения имеют вид: а. * К

Значения Я, Р , а также о), В1 и сведены в табл. 1.

Таблица!

с-.....—:------- — - (Деформация I V I 1 К г 1 & 1 1........... 1 .........Г......1 В, \

1 (Упругая (волн) 1-( 1 -| а,б 1 I 1 11/2 1 ' 1 1 0Л2 | Ш1 I 1 I

1 (Упругая (мик-|ронеровностей) 1 1 2 V ^ | (>+0,Б|1/2 1 1 I 1 ........1 ' ■ 1 1 1/2! . / 1 1 1 1

1 (Упругоплас- " ( тическая 1 1 С-К» А 6Т • <> 1 1 1 1' о 1 1 1 1

1 |Пхостйческан. ! 1 1 С КъЬ* бг I „ 1 ...... 1 * 1 Г ! о 1 I, ■ ..........1 Сбг = //1 1 1 1 I 1 1

Примечание. X - упругая постоянная: 7 =■

Е , /** - модуль Шга и коэффициент УИтвк -высота волн; бг - предел текучести; Н - микротвардость.

* Ег

Пуассона;

При унругопластической деформации - 0,5" в начаче овникновегля зон пластического деформирования, сближение

при переходе к пластическому г еформированию , 5^7(1 N6). в этом интервале сближений ринимается линейное изменение <£. На основании уравнений ля определения относительной контурной плолзди контакта:

4-х я.

зжно связать деформации волн и мякронеровностей:

V

я

2

г* --

к - * Иъ ; Ин + С Ь, ' К<

С = I

у О ? I '*/ Кр }

< - контурная и номинальная площади контакта. ->дстрочный индекс "Я" относится к параметрам, характери-тощям микронеровноеь поверхностей, а "V" -волнистость.

Разделив суммарную деформации на деформацию волн и [кронеровностей, можно определить фактическую площадь кон-

Связь между деформациями и напряжениями в контактном гае, представленном в виде трансверсально-изотропного сериала для осесймметричного тела,выражена при помощи едуп^го матричного уравнения:

Епсп

тск%

О О О

О

£е<? о

о

А»-/

о

О

ЕМ о

О о о

& ПС

№

'п^Т^йуй

- модуль упругости в нал-

влении, перпендикулярном поверхности контакта (см. рис.1);

- 8 -

С пап - модуль сдвига (см. рис.1):

с,

£ по«*

■7777т;-Ч - при сцеплении;

•¿И* Р^поп)

Г £

и= —— - при лроскализывании;

в

гДе $ -угловая деформация; -коэффициент трения;

- 0,0{ Епоп - модуль упругости в плоскости контакта; рл<\сп = О .

Толщина контактного слоя Л (см. рис.1), величина пятен фактического .контакта имеют величину порядка десятков микрометров. Для реализации разработанной методики, отражающей реальную картину взаимодействия деталей, был применен метод суперэлементов. Он позволяет моделировать зону контакта суперэлементами из конечных элементов необходимых размеров, сокращает время расчета и дает возможность представить каждую деталь поршня одним или несколькими суперэлементами. Разделив увловые параметры суперэлемента на внутренние "1" и внешние "в", можно представить систему уравнений в блочном виде:

к и м; (*)

А*.' М ' ,

где вектор решения для внутренних узлсв;

'{<}.»)■ - Еектор решения для суперузлов; • { Яг > - вектор нагрузок, приложенных к внутренним узлам; {Ра У - вектор нагрузок, приложенных к суперузлам; С К ] - матрица жесткости! или теплопроводности, Система уравнении, приведенная к суйерузлам, имеет еид:

[*«] М ■ М

где [Ц , [/(„]- [К,,][/(;.] [*..,] ;

Приведение осуществлялось путем разложения по Гауссу толькС для внутренних узлов. Оставшиеся не разложенными части матрицы и вектора-нагрузок соответствуют С I«] и {/5 >-. Операция формирования■системы уравнений суперзл^мчитов аналогична операции формирования системы уравнений в обманом МКЭ.

Был создан комплекс программ, позволяющий достаточно быстро (6-8 итераций) получать устойчивое решение ТНДС. Для оценки точности расчетов были проведены различные тесты по определению ТНДС конструкций (рис. 2,3). При сравнении их с экспериментальными данными погрешность в определении зон контакта, температур и перемещений не превышала Б%.

В третьей главе- содержатся методика и результаты исследований поршней на тепловом статическом стенде.

■ Экспериментальная установка представляет собой тепловой стенд с лучистым нагревом галогенными лампами типа КГ-220-2000-4. Для моделирования теплового состояния используются штатные детали цилиндропоршневой 'группы, собранные в съемный модуль (рис.4) и дополненные необходимыми элементами для организации сходного режима охлаждения.

Экспериментальные значения температур были получены при помощи хромель-Копелевых и хромель-алюмелевых термопар с диаметром провбда 0,2 мм и диаметром спая 1 мм. Термопары приваривались к исследуемой детали контактной конденсаторной сваркой. Измерение величины термоЭДС проводилось с помощью универсального вольтметра В7-21. Его погрешность измерения I 0,025 мВ, что соответствует £0,з'с.

Экспериментальное значение деформаций определялось при помощи высокотемпературных привариваемых ^ензорезисторов НМГ-4Б0-Б-100-Б. Погрешность измерения' тензометрической ' станцией СИИТ-3 составила 28,32.

В четвертой главе приводятся результаты расчетного исследования поршней форсированных дизелей.

Исследование составного поршня дизеля типа ЧН 15/16 проводилось при уровне форсирования Ре-1,5 МПа. Расчет граничных условий теплообмена третьего рода осуществлялся на основе методики Г. Вошни. Так как.результаты расчета (температура на рис.5) сравнивались с экспериментальными данными, полученными на тепловом стенде только от тепловой нагрузки, то давление газов при расчете не задавалось. Расхождение расчетных и экспериментальных температур не превышало 20 С, что составляет около 3,БХ. При обеспечении контакта по всей поверхности сопряжения накладки и тронка конструкция поршня вполне работоспособна, хотя есть возможности ее доработки.

Теп/нтмАщи|

Линия

контакту

Г,

ТШ

Я>90

Ф {00

Утг

^Хй Лини» ^канглкга

Ч^^Г---—-

ъ

9>/0?

а

Рис. Я. Схема теплового и силового нагрулэний: а - двух цилиндров, контактирующих торцами; б - двух труб

0100

60

р*$оооН (?)

зо

а.

Рче.З. Схема силового кагрук-'^ш. г;л-йтннн; б - плоской аг.Сы

ТОПКОЙ круглой

ы« ^

Рис. 4. Схема съетого модуля теплового стенда '

Рис.5. Поля температур (слева) и эквивалентных напряжений (справа) ка режиме номинальной мощности в горшке дизеля типа ЧН 15/15

Однако в результате сравнения расчетного и экспериментального результатов исследований был выявлен вазор между накладкой и тронком в центральной части исследуемого поршня. Возможная причина - нарушение технологии изготовления.

Так как форсированный транспортный дизель работает иа режимах с переменной нагрузкой, то необходима оценка уровня напряжений на переходных режимах.' Для оценки ТНДС этого поршня на переходных режимах был выбран наиболее жесткий из них: мгновенный наброс нагрузки с режима холостого хода (XX) до режима номинальной ыогчности и после Еыдержки до установления ст'ациоиарного ТНДС - сброс нагрузки до режима XX Данные исследования показали, что наиболее опасным является режим сброса нагрузки, когда тонкая накладка распирается в районе компрессионных колец массивным тройном (рис.6).

В главе приводятся результаты'расчета ТНДС поршня диаметром 120 мм свободно-поршневого генератора газов (СПГГ). Иселедоваяись две конструкции поршня:

- базовая с накладкой из жаропрочной стали (рис. 7,8);

- перспективная с накладкой ив нитридной керамики.

В результате было выявлено незначительное влияние сил давления газов на ТНДС. Высокое значение температуры в районе первого компрессионного кольца не зависит от варианта конструкции поршня и определяется главным образом граничными условиями теплообмена со стороны' гильзы. Результаты расчета полей деформаций были подтверждены тензометрирова-нием поршня при испытании его на тепловом.стенде. Желательно изменение базовой конструкции, составного поршня: уменьше- • ние толщины жаровой накладки для более плотного контакта' с корпусом; для снижения температуры в районе первого компрес- 1 сионного кольца целесообразно сместить вниз (в зону Солее низких температур) канавки под компрессионные кольца.

В этой главе также была доработана конструкция поршня диаметром 300 мм' для свободно-поршневого дизель-компрессора (СПДК). Исследовано три варианта конструкции. Последний вариант обеспечивает приемлемый уровень ТНДС как в районе компрессионных колец, так и на огневой поверхности поршья (рис,9). Для стационарного.режима работы СЦЦК были проведена расчеты с учетом подаучести. Показано, что в данном случае

'/. По'в температур (справа) и зоны контактирования ва) в поршне СПРГ на режиме номинальной мощности

Рис. 8. Поля напряжений на режиме ^ номинальной мощности:

слева - окружные напряжения; ,, справа - эквивалентные1 напряжения

ИХ:

Рис. 9. Поля эквивалентных напряжений (слева)и т-гмператур (справа) з третьей конструкции поршня СПЛК на режиме номинальной мощности

— in —

для стационарных режимов ползучесть не оказала существенного влияния на прочностную надежность поршня 0Л1ДК, так как механическая с-оста!шподзл напряжений (от сил давления гадов) была невелика. Однако дальнейшее исследование полэучмоти поршней нуждается в глубокой проработке.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ■ '

1. Впервые решена задача определения наряженного состояния составных поршней с использованием контактного слоя, представленного поверхностными слоями взаимодействующих деталей. -

2. Создан комплекс программ.на основе суперэлементного подхода, ориентированный на оценку и поиск путей снижения уровня ТНДС до обеспечения нормальной работы составных ■ горшней на эксплуатационных режимах.

3. На основе раечетно-зкспернменгальных исследований 'становлено, что расположение и величина зон контакта явдя угся в большинстве случаев определяющими в контактном теплм-|биене, в отличие от микрогеометрии поверхности и свойств атериалов контактирущих деталей. .

4. Для составного поршня дизеля типа ЧН 15/18 установлю о, что наиболее опасным является режим сброса нагрузки."

БГ Для составного поршня СПГГ било получено: ' - температура в районе- канаьки под первое компрессионно^ эльцо составляет примерно 245"С и определяется, в основное, эаннчными.условиями теплообмена со стороны гильэы;

- в результате выпучивания накладки плошздь ее контакта ч юнкпм'составляет примерно четверть от плопвди сопряжении.

С. Предложена конструкция поршня СГЦЦ1 с допустимым ювнем ТНДС.

новное содержание диссертации отражено в следующих раСцгиЧ: 1. Чайнов Н. Д. , Тикмин A.B., Суиушин A.A. Расчетное следование составного поршня для СПГГ // Рабочий процесс, плообмен в ДВС и т.еплонупрлкенноеть их деталей: Гее. докл. -го Всесоюа. шштраол. ньуч.-техн. семинара. JL , 1991. 160. '

?.. Тимохин A.B. „ nyirjüiHH А. К. Автпмпгичрикчя подготовка

данных о топологии в плоской и осесимыетричной задачах метода конечяых элементов // Совершенствование ыощноотных, экономических к экологических показателей ДВС: Тез. докл. Боесош. науч.-прагег. семинара Владимир, 1989. С. 102.

3. Иванченко Л. Б., Сушенин А, А., Тимохин А. В. Комплексная методика оценки прочности и долговечности поршней автотракторных дизелей // Динамика и прочность автомобиля: Тез. докл. III Всесоиэ. науч.-техн. сонеи^ания. Ы. , 1988. С. 130.

Подписано в печать 13. 0?. 32 Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93.

Московский. ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени технический университет им. Е Э. Баумана

Адрес института: 107005 Москва, Лефортовская набережная, д. 1, корпус "о-шргомашиностроение."

Усл. кр.-отт. 0,03. Уч.-изд. л. 0.98. Тираж 100 экз. 2ах. ^'- i . Бесплатно.

Ротапринт Владимирского политехнического института. Адрес ротапринта: 600026 Владимир, ул.Горького, 87,