автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Исследование и разработка методики оценки долговечности головок цилиндров тракторных дизелей с воздушным охлаждением

На правах рукописи

Л

ПРЫГУНОВ МАКСИМ ПЕТРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Специальности: 05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов и детали машин», 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 Ш ¿013

Владимир 2013

005061470

005061470

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Тепловые двигатели и энергетические установки» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)

Научный руководитель: Гоц Александр Николаевич,

доктор технических наук, профессор кафедры «ТД и ЭУ» ФГБОУ ВПО «ВлГУ» Научный консультант: Иванченко Александр Борисович,

кандидат технических наук, доцент кафедры «ТМС» ФГБОУ ВПО «ВлГУ»

Официальные оппоненты: Кавтарадзе Реваз Зурабович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Поршневые двигатели» ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана» Глинкин Сергей Александрович, кандидат технических наук, инженер-конструктор ООО «НИПТИЭМ (г. Владимир) Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «НГСХА», г. Нижний Новгород

Защита диссертации состоится 2 июля 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.05 при ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корп. 1, аудитория № 335.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корп. 1. Автореферат размещен на сайтах ВАК РФ (http://vak.ed.gov.ru) и университета (www.vlsu.ru).

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просьба высылать по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ученому секретарю совета, тел. (4922) 47-99-28, факс (4922) 53-25-75, email: sim_ve@nm.ru

Автореферат разослан 31 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Е.А. Новикова

ОБЩИЕ СОКРАЩЕНИЯ

БС - безмоторный стенд ГУ - граничные условия ГЦ - головка цилиндра

КС - камера сгорания

КЭ - конечный элемент

КЭМ - конечно-элементная модель

МКЭ - метод конечных элементов

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

ТНДС - тепловое напряженно-деформированное состояние

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Непрерывный рост удельных мощностей приводов объектов машиностроения обуславливает существенное возрастание нагрузок на их конструкцию. Так форсирование дизелей приводит к увеличению термических и механических нагрузок на детали, образующие КС (поршень, цилиндр и ГЦ), которые играют важную роль в формировании жизненного цикла двигателя. В результате протекания рабочего процесса поршневого ДВС происходит нагрев ГЦ со стороны КС, что сопровождается образованием на огневой поверхности температурных полей с ярко выраженным перепадом. Рост температур приводит к ухудшению механических свойств материала ГЦ, а перепадов - к увеличению термических напряжений. При работе тракторного дизеля на неустановившихся режимах, наиболее характерных для условий эксплуатации, ТНДС ГЦ постоянно изменяется во времени, что вызывает образование трещин в наиболее напряженных сечениях: перемычках межклапанных, а также между отверстиями под распылитель форсунки и клапаны. Появление трещин на перемычках ГЦ приводит к отказам двигателя. Это обстоятельство вызывает необходимость разработки методики оценки долговечности ГЦ на стадии проектирования с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации и создания методик ускоренной оценки долговечности и средств для их реализации на стадии доводки. Поэтому рассматриваемая тема исследований является актуальной.

Степень ее разработанности. По результатам выполненной работы разработана новая расчетно-экспериментальная методика оценки долговечности ГЦ и технические средства для ее ускоренного определения при доводке двигателя. Предложены математические модели для расчета температурных полей огневого днища ГЦ при работе двигателя на различных режимах. Доказана адекватность температурных полей при испытании на БС и при стендовых испытаниях дизеля. Введены новые предложения по выбору ГУ при расчете ГЦ. Полученные результаты расширяют границы их применимости для двигателей других конструкций. Результаты, обла-

дающие новизной, получены с использованием комплекса базовых методов исследования, в т.ч. численных методов. Изложены этапы расчета ГЦ на долговечность на стадии проектирования. Выявлены недостатки в предложенных ранее методиках расчета долговечности ГЦ. Изучены возможные способы повышения долговечности ГЦ. Модифицированы известные математические модели и созданы новые, обеспечивающие получение более точных результатов при расчете.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики оценки долговечности ГЦ тракторных дизелей на основе проведения расчетно-экспериментальных исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести статистический анализ конструктивных параметров ГЦ современных автомобильных и тракторных поршневых ДВС с целью определения диапазонов их изменения;

- уточнить и модифицировать методику моделирования нагрузок, действующих на ГЦ при работе тракторных дизелей на различных режимах в эксплуатации;

- разработать математические модели для определения ГУ при расчете ТНДС ГЦ тракторных дизелей;

- разработать и модифицировать методику расчета ТНДС ГЦ с учетом разработанных математических моделей;

- разработать методику оценки долговечности ГЦ по результатам расчета ТНДС с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации;

- разработать методику ускоренной оценки долговечности ГЦ, а также технические средства для её реализации.

Научная новизна работы заключается:

- в предложенной комплексной методике расчета термоусталостной долговечности ГЦ с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации;

- разработанных математических моделях для определения температурных полей огневого днища ГЦ при работе двигателя на различных режимах;

- предложенной расчетно-экспериментальной методике уточнения кинематических и статических ГУ;

- определении коэффициента ускорения при испытаниях на БС.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в

том, что предложенная комплексная методика расчета термоусталостной

долговечности ГЦ при термоциклическом нагружении с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации позволяет минимизировать отказы по усталостным разрушениям при разработке новых конструкций и доработке существующих. Предложены математические модели для расчета тепловых полей ГЦ. Создан БС, позволяющий проводить ускоренные испытания ГЦ на термическую усталость в условиях блочного нагружения.

Методология и методы исследования. Система принципов исследования основана на использовании известных численных методах расчета, в том числе на МКЭ, компьютерного моделирования и программ SolidWorks Simulation, Ansys Mechanical, MATLAB, Mathcad, а также результатов экспериментальных исследований. Результаты расчетных исследований сверялись с опубликованными данными других авторов, а также результатами экспериментальных исследований, полученными, в том числе на БС.

Положения, выносимые на защиту:

- комплексная методика расчета термоусталостной долговечности ГЦ с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации;

- расчетно-экспериментальная методика определения кинематических и статических ГУ;

- математические модели для определения температурных полей огневого днища ГЦ при работе двигателя на различных режимах;

- методика ускоренной оценки долговечности ГЦ, а также технические средства для ее реализации;

- определение коэффициента ускорения при испытаниях на БС.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследования обуславливается:

- использованием фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, тепломассообмена и химической кинетики, соответствующих этим законам уравнений и ГУ, современных аналитических и численных методов реализации математических моделей, апробированных программных продуктов;

- результатами экспериментальных работ, полученными на сертифицированном измерительном оборудовании, обоснованными калибровками, воспроизводимостью результатов исследования в различных условиях;

- использованием в теории известных и проверяемых данных, в т.ч. для предельных случаев;

- базированием идеи на анализе практики и обобщении передового опыта;

- сравнением авторских данных и данных, полученных ранее по рассматриваемой тематике;

- установлением качественного совпадения авторских результатов с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике;

- использованием современных методик сбора и обработки исходной информации, а также представительными выборочными совокупностями с обоснованием выбора оценочных показателей для наблюдения и измерения.

Реализация работы. Значение полученных результатов исследования для практики подтверждается тем, что разработана и внедрена на предприятии ООО «ВМТЗ» (г. Владимир) и в учебный процесс для проведения занятий по курсу «Конструирование ДВС» новая методика расчета долговечности ГЦ тракторных дизелей, определены пределы и перспективы практического ее использования; создана экспериментальная установка для эффективного применения на практике; представлены методические рекомендации для использования при проектировании новых конструкций.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции: «Дни науки студентов и аспирантов ВлГУ» (г. Владимир, 2012) и Международных конференциях: «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей» (г. Санкт-Петербург, 2013); «Современные научные достижения - 2013» (Чехия, г. Прага, 2013); «Современные проблемы двигателе-строения: состояние, идеи, решения» (Украина, г. Первомайск, 2013); «Новости передовой науки - 2013» (Болгария, г. София, 2013); «Транспорт, экология - устойчивое развитие» (Болгария, г. Варна, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 статей, пять из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также 8 - в зарубежных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 177 страниц машинописного текста, 74 иллюстрации, 24 таблицы. Список литературы включает 178 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко охарактеризовано состояние задачи и показана ее актуальность. Сформулировано общее направление исследований.

В первой главе анализируются условия нагружения ГЦ, причины образования трещин и возможные способы повешения долговечности ГЦ. Проведен обзор и анализ существующих методик расчета термоусталостной долговечности ГЦ, а также гипотез накопления повреждений. Описаны и проанализированы конструкции созданных ранее БС для исследования теплового и напряженно-деформированного состояния ГЦ.

Проанализированы работы известных исследователей: Абрамчука Ф.И., Биргера И.А., Ваншейдта В.А., Взорова Б.А., Гоца А.Н., Григорьева O.A., Иванченко А.Б., Иващенко H.A., Исаева Е.В., Кавтарадзе Р.З., Копейкина А.И., Костина А.К., Мильштейна Л.Г., Орлина A.C., Петриченко М.Р., Петриченко P.M., Раенко М.И., Розенблита Г.Б., Сальникова М.А., Стефа-новского Б.С., Тимохина A.B., Трощенко В.Б., Фомина В.М., Чайнова Н.Д., Шелкова С.М., Шеховцова А.Ф., Эфроса В.В. и др.

Проведенный обзор и анализ работ по оценке усталостной долговечности ГЦ, показал, что существующие в настоящее время методики не учитывают реальный цикл нагружения тракторного двигателя в эксплуатации и базируются в основном на линейной гипотезе накопления повреждений, которая не учитывает влияния очередности воздействия напряжений различных уровней и предполагает одинаковую скорость накопления повреждений независимо от амплитуды напряжения цикла. При таком расчете запас долговечности ГЦ будет завышенным.

С учетом проведенного обзора существующих методик были сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе проведен анализ конструктивных параметров ГЦ и предложена методика расчета долговечности ГЦ тракторных дизелей на основе гипотезы накопления повреждений Кортена-Долана, позволяющая учитывать характер блочного нагружения двигателя в условиях эксплуатации. Блок-схема предлагаемой методики представлена на рис. 1.

В расчетной схеме были учтены следующие нагрузки: давление газов в цилиндре; усилие от затяжки

Рис. 1. Блок-схема методики расчета долговечности ГЦ

шпилек (или болтов) крепления ГЦ; усилие от затяжки гайки крепления форсунки; контактное давление от запрессовки седел и втулок клапанов; деформации, вызванные перепадом температур.

Давление газов в цилиндре выбиралось равным максимальному давлению сгорания р..

Усилие от затяжки шпилек крепления ГЦ рассчитывалось по известному уравнению = Л/кл / &пр • с/ при принятом значении момента на ключе (здесь М^ - момент на ключе; кпр - приведенный коэффициент

трения в резьбе и на опорной поверхности гайки; (Л - наружный диаметр резьбы).

Принималось, что действие силы Гм равномерно распределено по сечению в пределах «конуса давления». Усилие от затяжки гайки крепления форсунки рассчитывалось аналогично и прикладывалось в виде сосредоточенной силы , равномерно распределенной в пределах «конуса давления», к месту контакта уплотнителыюй шайбы форсунки с опорной поверхностью ГЦ.

Контактное давление от запрессовки седел и втулок клапанов находилось при известных значениях натяга, определяемых по чертежу.

Создание трехмерной модели ГЦ выполнялось с использованием рабочих чертежей конструкции ГЦ и программы твердотельного моделирования 8оИс1\Уогк5. На основе созданной трехмерной модели строилась КЭМ с использованием четырехузлового КЭ в виде тетраэдра. При построении КЭМ расчетная сетка сгущалась в местах возможной концентрации напряжений. В КЭМ были включены седла и втулки клапанов, а также цилиндр, который был заменен плитой на жестком основании. При этом на сопрягаемых поверхностях вводились контактные элементы, которые позволили учесть взаимное влияние деталей друг на друга при деформировании. Взятая в качестве объекта исследования КЭМ ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) состоит из 435379 конечных элементов и 93173 узловых точек.

Для определения численного значения коэффициента теплоотдачи а на огневом днище ГЦ было использовано уравнение, полученное в результате экспериментального исследования дизеля 44 10,5/12 (Д-37М):

ос = 3,26• 10~5 • р^0'26 ■ Г2''' (1)

где ра - давление начала сжатия, МПа; Та - температура рабочего тела в начале такта сжатия, К; сп - скорость поршня, м/с; рт - текущее давление

в цилиндре, МПа; - текущая температура рабочего тела в цилиндре, К.

Известно, что точность определения температурных напряжений зависит от того насколько корректно выбрана схема закрепления ГЦ, т.е. от задания кинематических ГУ. Для взятой в качестве объекта исследования ГЦ в месте её сопряжения с цилиндром учитывалась возможность перемещения. Так как материал ГЦ - алюминиевый сплав, а цилиндра - чугун и прокладка между ГЦ и цилиндром отсутствует, принимался коэффициент трения \Xjp- 0,4. Таким образом, сила трения ограничивала свободное боковое расширение ГЦ.

Определение поля температур в теле ГЦ осуществляется решением системы дифференциальных уравнений с использованием МКЭ:

[с]П-{г}0+№}+{/7}=(); (2)

Дт

где [с] - матрица теплоемкости КЭМ; {г}0, {г}т - векторы узло-

т,

вых температур, соответствующие началу и концу интервала; а« Дх - временной интервал; - »» матрица теплопроводности КЭМ; ,м I/7} - вектор тепловой нагрузки 100 КЭМ. "

Так как температурное состо-

т-тт , ч р , МПа ™ ■

яния ГЦ зависит от нагрузки (ре) « 0-,ю. »» п мин-1 ■

и частоты вращения коленчатого Рис. 2. Зависимость температуры межкла-вала (л) (рис. 2), то для опреде- панной перемычки от нагрузки (рс) и ча-ления температуры в межклапан- стоты вращения коленчатого вала (я) ной перемычке ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) на основании экспериментальных данных было получено следующее уравнение:

Гмкп = (35,64 + 3,91 10"2 п) + (3,61 + 2,13 • 1СГ2 п)ре + (105,73 + 0,84 • 10^2 п) р2е (3) После определения поля температур в теле ГЦ в течение цикла нагру-жения, проводится расчет ТНДС ГЦ. При использовании МКЭ решается система лииейных уравнений, которая в матричной форме имеет вид:

ИМ=М, (4)

где [а] - матрица жесткости; {у} - вектор узловых перемещений; {У7} -вектор узловых нагрузок.

Т, "С

Компоненты деформаций {е} вычисляются после определения вектора узловых перемещений {у} путем умножения слева на дифференциальный оператор и функцию формы. Вектор напряжений {а} может быть определен по прямой или обратной форме закона Гука.

Расчет проводился для всех вероятных режимов работы тракторов в условиях эксплуатации определяемых по данным H.A. Ажиппо и Б.К. Ба-люка, которые представили их на диаграмме в безразмерных координатах

- ось абсцисс: угловая скорости вращения коленчатого вала со=со//шном , а ось ординат - крутящий момент М = MjМном . Здесь со,, соном - угловые скорости коленчатого вала на произвольном и номинальном режимах работы двигателя, а Мп Мном - крутящие моменты на произвольном и номинальном режимах работы двигателя соответственно. Вся совокупность режимов работы двигателя в эксплуатации разбита на диаграмме на 18 условных секторов, по которым для каждого из тракторов в зависимости от класса тяги дается доверительная вероятность работы на этом режиме.

Амплитуды напряжений при объемном тензоре напряжений и действии переменных нагрузок определяются по зависимости:

<*« = (*„/e0ß0 K«, + . (5)

где Ка = 1 - эффективный коэффициент концентрации напряжений; еа = 1

- масштабный коэффициент; ßc = 0,98 - коэффициент поверхностной чувствительности; \|/0 =0,139 - коэффициент, учитывающий влияние средних напряжений на предел выносливости; а1)и - наибольшее постоянное напряжение цикла; а,а - интенсивность амплитуд переменных напряжений цикла:

аю = (1/V2У(аха -оуа)2 + (а„ -а-„)2 + (ст,,, -аги)2 + 6(т^,„ + т^ + т^), (6) где сха, ауа, а:а, ххуа, тх.а, ху:а - амплитуды переменных напряжений цикла, вычисленные по известному тензору напряжений.

В соответствии с гипотезой накопления повреждений Кортена-Долана долговечность равна:

(Ng)f=Nj[al + a2(alK2/al,e0d+a3(aae}/aaei)cl + ... + ai(aa^/aael)d], (7) где (Ng)f - общее число циклов до разрушения в условиях действия напряжений с изменяющейся амплитудой; d - постоянная материала; N, -число циклов до разрушения при действии напряжений с наибольшей ам-

плитудой аае1; а,, а2, ..., а, - относительные доли числа циклов напряжений с амплитудами оае1, оае2, ..., Ояи- соответственно.

В третьей главе представлены результаты численной реализации методики расчета долговечности на примере ГЦ тракторного дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т). Распределение температур в ГЦ на режиме номинальной мощности представлено на рис. 3.

Вп>ск110н 291 "С

Охлажляюший

В01Д>Х

Охлаждающий во и> V

а) б) в)

Рис. 3. Распределение температур в ГЦ на режиме номинальной мощности: а - огневое днище; б - сторона впускного канала; в - сторона выпускного канала

Наиболее нагретой является центральная часть ГЦ, а именно район межклапанной перемычки и форсуноч- , 2 з ^ ного отверстия (291 °С). Температура огневого днища по мере удаления от центра к периферии падает, при этом большие значения наблюдаются со стороны выпускного канала (в центре - 291 °С, сторона впускного канала - 170 °С, сторона выпускного канала - 219 °С, по ходу охлаждающего воздуха - 190 °С и 210 °С). Полученное в результате расчета изменение температур в точках огневого днища ГЦ в течение цикла нагру-жения представлено на рис. 4.

Напряженно-деформированное состояние оценивалось интенсивностью режим "оминальной мощности и

. „ обратно

напряжении и деформации соответственно. Распределение интенсивности напряжений и деформаций при определении ТНДС ГЦ на режиме номинальной мощности приведено на рис. 5.

0 30 60 90 120 № 180 210 210 270 300 330 г. с Рис. 4. Изменение температур в точках огневого днища ГЦ при переходе с режима холостого хода на

а) б)

Рис. 5. Распределение интенсивности напряжений (а) и деформаций (б) в ГЦ на режиме номинальной мощности: 1 - межклапанная перемычка; 2 - перемычка между отверстиями под форсунку и впускной клапан; 3 - перемычка между отверстиями под форсунку и выпускной клапан

60 1.0 20 О -20 -1,0 -60 -80 -100 -120 -КО

О 30 60 90 120 КО 180 210 2(0 270 300 330 г : с 0 30 60 90 120 150 180 210 НО 270300 330 т. с Рис. 6. Изменение интенсивности Рис. 7. Изменение главных напряжений напряжений в зонах огневого днища в межклапанной перемычке ГЦ при пе-ГЦ при переходе с режима холостого реходе с режима холостого хода на но-хода на номинальный режим и обратно минальный режим и обратно

Наибольшие значения интенсивности напряжений и деформаций наблюдаются в межклапанной перемычке ГЦ (зона 1 на рис. 5...6). Таким образом, наиболее опасной зоной на огневом днище ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) является межклапанная перемычка, которая и будет определять долговечность ГЦ. Изменение главных напряжений в межклапанной перемычке в течение цикла нагружения представлено на рис. 7. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при тензометрировании на работающем двигателе.

Для определения числа циклов до разрушения N1 по кривым усталости для алюминиевого сплава АК5М7 (АЛ-10В) было получено следующее уравнение:

0.0025

0.002

0.0015

0.001

(0,0045317 ■ Т1ф + 0,622307 )о_,

(8)

0,1803774 - Т. -83,5997102 +о_, '

где о_, - амплитуда напряжений; Т.зф - эффективная температура испытаний.

Амплитуда напряжений а_,, которая подставляется в (8), равна эквивалентной максимальной амплитуде возникающей при эксплуатации двигателя. Эффективная температура испытаний Тэф находится по максимальной и минимальной температуре цикла.

Долговечность межклапанной перемычки ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) рассчитанная по формуле (7) с учетом разброса ст_, составила для тракторов класса тяги 9 кН - 359029. ..401640 циклов, а для класса тяги 14 кН-314980...352363 циклов.

Тракторные двигатели характеризуются частыми сменами режимов работы: в среднем интенсивность составляет от 20 до 40 в час. Тогда долговечность ГЦ тракторного дизеля в часах Тн может быть определена по формуле:

где (/V ), — долговечность, циклы; Лгц. — количество смен режимов работы двигателя в час.

При 7УП, =20...40 долговечность (в часах) Ти межклапанной перемычки ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) для тракторов класса тяги 9 составит 8976.. .20082 часов, а для класса тяги 14 кН - 7875... 17618 часов.

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о том, что долговечность (в часах) ГЦ в значительной степени зависит от временного интервала между сменами режимов работы двигателя или другими словами от коэффициента загрузки.

Четвертая глава посвящена проверке адекватности разработанной методики. Экспериментальные исследования проводились на созданном автором БС (рис. 8) с целью определения числа циклов, после которых возникала трещина на огневом днище ГЦ. В качестве объектов экспериментального исследования были выбраны ГЦ тракторного дизеля 4ЧН 10,5/12

Стенд устроен следующим образом: на жестком основании 1 с помощью четырех шпилек смонтирована нижняя плита 2, корпус 3 с ложементами для галогенных ламп 4, а также верхняя плита 5. Плита 2, корпус 3 и

(9)

(Д-145Т).

плита 5 во время работы охлаждаются проточной водой. В плите 5 сделано отверстие, через которое тепло излучаемое лампами поступает на исследуемую деталь. Верхняя крышка плиты 2 выполнена из алюминиевого сплава и отполирована для лучшего отражения потока излучаемого лампами. На плите 5 установлено охлаждаемое проставочное кольцо 6, опорный бурт которого по форме полностью повторяет бурт гильзы цилиндра двигателя. Исследуемая головка цилиндра 8 установлена на плите 5 с помощью че-проставочное кольцо; 7 - медная тырех шпилек, момент затяжки гаек кото-трубка; 8 - головка цилиндра рых равен 110 Н м.

Результаты термометрирования, полученные на БС и на работающем двигателе, приведены на рис. 9.

Рис. 9. Результаты термометрирования Рис. 10. Изменение температур в точках (цифрами 1-17 обозначены термопары): огневого днища ГЦ при нагружении на 1 - данные полученные на БС; 2 - дан- БС ные полученные на работающем двигателе

Наибольшее отличие между температурами, измеренными на стенде и на работающем двигателе, составило 14% (термопара 1). Это связано с отличием расположения термопар на днище ГЦ при проведении эксперимента на БС и на двигателе.

В ходе испытаний на БС период цикла термонагружения составил 260 секунд, при этом нагрев длился 90 секунд, а охлаждение 170 секунд. Температура межклапанной перемычки в течение цикла нагружения изменялась от 100 °С до 240 °С (рис. 10).

Рис. 8. Трехмерная модель БС: 1 -жесткое основание; 2 - нижняя плита; 3 - корпус; 4 - галогенные лампы; 5 - верхняя плита; 6 -

В результате выполнения серии расчетов при различных значениях коэффициента трения и одном значении момента затяжки были получены боковые перемещения нижней плиты ГЦ. Расчетные данные сравнивались с экспериментальными, что позволило правильно выбрать величину коэффициент трения в месте сопряжения ГЦ и цилиндра. Полученные экспериментальные данные, а также их сравнение с результатами расчета приведены на рис. 11.

а) б)

Рис. 11. Перемещения нижней плиты ГЦ при Г»1К11= 200 °С (а) и Т„к„ = 20-200 °С (б): а - экспериментальные данные; б - расчетные данные; 1-8 - точки измерений

Регистрацию трещин проводили через каждые 100...250 циклов с помощью цифрового микроскопа Microview USB Digimicro 2МР. Кроме регистрации текущей длины трещин регистрировалось и их пространственное расположение. На рис. 12 показана трещина на межклапанной перемычке ГЦ, наблюдаемая в ходе эксперимента.

Увеличение частоты и скорости приложения температурной нагрузки, а также температурных напряжений за счет увеличения момента затяжки крепежных шпилек ГЦ позволило интенсифицировать процесс накопления повреждений, тем самым сократив время эксперимента.

После экспериментальных исследований было проведено сравнение численных и экспериментальных результатов. Рассчитанное количество циклов до разрушения по предлагаемой методике составило 4056...4253 циклов. По данным эксперимента количество циклов до появления трещины составило 3670...3830 циклов. Таким образом, расчетные и экспери-

Рис. 12. Трещина на межклапанной перемычке ГЦ, полученная на БС

ментальные данные достаточно точно согласуются и имеют расхождение не более 16%.

Коэффициент ускорения при испытаниях ГЦ на БС для тракторов класса тяги 9... 14 кН составил 82... 109, то есть 1 цикл испытаний ГЦ на БС соответствует 82... 109 циклам при работе двигателя в условиях эксплуатации (в зависимости от класса тяги трактора).

Результаты, полученные экспериментальным путем на созданном БС, в достаточной степени согласуются с результатами численных экспериментов, что является надежным критерием достоверности разработанной методики расчета долговечности ГЦ тракторных дизелей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена новая методика расчета термоусталостной долговечности ГЦ с учетом характера нагружения тракторного двигателя в эксплуатации. Расчетная долговечность межклапанной перемычки ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т), который устанавливается на трактора класса тяги 9... 14 кН, составила 7875...20082 часов, что хорошо согласуется с данными завода-изготовителя, полученными в ходе рядовой эксплуатации двигателей.

2. Разработаны математические модели для расчета температуры в межклапанной перемычке, а также температурных полей в точках огневого днища ГЦ в зависимости от среднего эффективного давления ре (в диапазоне от 0 до 1,1 МПа) и частоты вращения коленчатого вала п. Коэффициенты парной корреляции для полученных моделей составляет 0,998.

3. Для оценки достоверности результатов расчета долговечности ГЦ, полученных по предлагаемой методике, создан БС, на котором моделировались циклы термонагружения в соответствии с действительными нагрузками при работе тракторного двигателя. Разработанный БС позволяет проводить ускоренные испытания ГЦ на термоусталость в условиях блочного нагружения, при этом коэффициент ускорения составил 82... 109 (в зависимости от класса тяги трактора).

4. Доказана адекватность термонагружения ГЦ на БС и при стендовых испытаниях дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т): максимальное отличие между температурами, измеренными на стенде и на работающем двигателе, составило не более 14%.

5. Предложена с использованием БС расчетно-экспериментальная методика уточнения кинематических и статических ГУ (определения коэффициента трения при возможном перемещения днища ГЦ относительно ци-

линдра) с целью повышения точности и достоверности расчетов долговечности ГЦ тракторных дизелей, разработки нормативных баз проектирования и испытания.

6. Показано, что развитие трещины на межклапанной перемычке ГЦ носит термоусталостный характер. Проверка расчетных данных, полученных при численной реализации методики оценки долговечности на примере ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т), показала, что отличие результатов вычислений от данных экспериментальных исследований не превышает 16%.

7. Материалы диссертации переданы в ООО «ВМТЗ» (г. Владимир) для применения при проектировании ГЦ и включены в учебный процесс для проведения занятий по курсу «Конструирование ДВС».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Прыгунов, М. П. Анализ конструктивных параметров головок цилиндров дизелей с воздушным охлаждением / М. П. Прыгунов // Фундаментальные исследования.-2011.-№ 12 (ч. 1).-С. 163 - 166.-ISSN 1812-7339.

2. Гоц, А. Н. Безмоторный стенд для ускоренных испытаний головок цилиндров тракторных и автомобильных дизелей / А. Н. Гоц, А. Б. Иванченко, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей : материалы междунар. науч.-практ. конф. - В 4 т. - СПб. : Изд-во МААО, 2013. Т. 4. - С. 77 - 80 -ISSN 1994-7860.

3. Гоц, А. Н. Моделирование теплонапряженного состояния головки цилиндра тракторного дизеля воздушного охлаждения / А. Н. Гоц, А. Б. Иванченко, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Фундаментальные исследования. -2013. - № 6 (ч. 5) - С. 163 - 166. - ISSN 1812-7339.

4. Гоц, А. Н. Разработка математических моделей для расчета температур огневого днища головки цилиндра тракторного дизеля / А. Н. Гоц, А. Б. Иванченко, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 2 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.science-education.ru/108-9023 (дата обращения: 20.05.2013). - ISSN 1817-6321.

5. Гоц, А. Н. Ускоренные испытания на надежность головок цилиндров тракторного дизеля / А. Н. Гоц, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 3 [Электронный журнал]. - URL: http://www .science-education.ru/109-9225 (дата обращения: 27.05.2013). - ISSN 1817-6321.

6. Прыгунов, М. П. Исследование теплового состояния головки цилиндра тракторного дизеля воздушного охлаждения на безмоторном тепловом стенде / М. П. Прыгунов // Дни науки студентов и аспирантов ВлГУ 2012 : сб. материалов науч.-практ. конф. [Электронный ресурс] / Владим. гос. ун-т им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. - URL: http://sntk.vlsu.ru/index.php/poisk/555-issledovanie-teplovogo-sostoyaniya-golovki-tsilindra-traktornogo-dizelya-vozdu-shnogo-okhlazhdeniya-na-bezmotornom-teplovom-stende (дата обращения: 13.05.2013).

7. Прыгунов, М. П. Безмоторный стенд для исследования температурных полей головок цилиндров тракторных и автомобильных дизелей / М.П. Прыгунов, И.В. Французов // Materialy IX mezinarodni vedecko-prakticka konference «Moderni vymozenosti vcdy - 2013». - Dil 73. Tcchnickc vedy. - Praha : Publishing House «Education and Science» s.r.o. - 2013. -P. 50-53.

8. Гоц, A. H. Определение кинематических граничных условий при расчете напряженно-деформированного состояния головки цилиндра тракторного дизеля / А. Н. Гоц, А. Б. Иванченко, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Ма-тер1али V-oi ВсеукрашськоУ наук.-техн. конф. «Сучасш проблеми двигуно-будування: стан, ще1, рпиення». — Первомайськ : ПП1 НУК, 2013. — С. 91 -95.

9. Гоц, А. Н. Разработка моделей при исследовании теплового состояния головки цилиндра дизеля воздушного охлаждения / А. Н. Гоц, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Матер1али V-oi Всеукрашсько1 наук.-техн. конф. «Сучасш проблеми двигунобудування: стан, ¡дсТ, piiueinra». - Первомайськ: ПП1 НУК, 2013. - С. 87 - 90.

10. Прыгунов, М. П. Сравнительный анализ конструктивных параметров головок цилиндров дизелей / М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Матер1али V-oi Всеукрашсько!' наук.-техн. конф. «Сучасш проблеми двигунобудування: стан, ще'1, ршшшя». - Первомайськ : ПП1 НУК, 2013. - С. 83 - 87.

11. Gots, Alexander. The accelerated fail-safe tests head of cylinders of tractor diesel engines / Alexander Gots, Maxim Prygunov, Ivan Frantsuzov // Доклады XIX науч.-техн. конф.с международно участием «Транспорт, экология - устойчивое развитие». - Варна : Изд-во ТУ Ековарна, 2013. - Т. 19-С. 240 - 246.

12. Gots, Alexander. Modelling of a heat-stressed condition of the cylinder head of an air cooled diesel engine / Alexander Gots, Maxim Prygunov, Ivan Frantsuzov // Доклады XIX Науч.-техн. конф. с междунар. участием «Транспорт, экология - устойчивое развитие». - Варна : Изд-во ТУ Ековарна, 2013.-Т. 19.-С. 247-250.

13. Gots, Alexander. Development of models at research thermal condition of heat the cylinder of the diesel engine of air cooling / Alexander Gots, Maxim Prygunov, Ivan Frantsuzov // Доклады XIX науч.-техн. конф. с междунар. участием «Транспорт, экология - устойчивое развитие». - Варна : Изд-во ТУ Ековарна, 2013.-Т. 19.-С. 251 -254.

14. Гоц, А. Н. Термоциклические испытания головок цилиндров тракторного дизеля воздушного охлаждения / А. Н. Гоц, М. П. Прыгунов, И. В. Французов // Новости передовой науки - 2013 : сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. - Болгария, 2013. - С. 80 - 83.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ В ПУБЛИКАЦИЯХ

В работах [3, 6, 8, 14] - непосредственное участие в получении исходных данных научных экспериментов, [1, 4, 9, 10] - личное участие в апробации результатов исследования, [2, 5, 7] - разработка безмоторного стенда, [11-13] - обработка и интерпретация экспериментальных данных.

Подписано в печать 30.05.13. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ № 2089 Издательство ООО «ПервопечатникЪ» г. Владимир, ул. Горького, 75

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Специальности 05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов и детали машин», 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201360713

Прыгунов Максим Петрович

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Научный консультант

кандидат технических наук, доцент

А.Б. Иванченко

А.Н. Гоц

Владимир 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДИК ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................................................8

1.1. Виды и причины разрушения головок цилиндров..........................................8

1.2. Методы повышения термостойкости головок цилиндров.............................15

1.3. Обзор работ по оценке усталостной долговечности головок цилиндров .... 20

1.4. Гипотезы накопления повреждений.................................................................29

1.5. Безмоторные стенды для исследования теплового и напряженно-деформированного состояния головок цилиндров................................................33

1.6. Цели и задачи исследования.............................................................................39

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ.......................................41

2.1. Анализ конструктивных параметров головок цилиндров.............................42

2.2. Определение исходных данных для расчета...................................................46

2.3. Решение задачи теплопроводности..................................................................57

2.4. Определение напряженно-деформированного состояния головки цилиндра ...............................................................................................................................61

2.5. Расчет усталостной долговечности головки цилиндра..................................63

Выводы по главе........................................................................................................72

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ..............73

3.1. Характеристики расчетной модели головки цилиндра..................................73

3.2. Определение механических нагрузок действующих на головку цилиндра .........................................................................................................................75

3.3. Определение тепловых нагрузок действующих на головку цилиндра........76

3.4. Результаты расчета теплового состояния головки цилиндра........................83

3.5. Анализ теплового напряженно-деформированного состояния головки цилиндра .........................................................................................................................87

3.6. Оценка долговечности головки цилиндра.......................................................91

Выводы по главе........................................................................................................95

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ................................................................................96

4.1. Объекты исследования.......................................................................................96

4.2. Цели и задачи исследования.............................................................................96

4.3. Программа и методика проведения исследования..........................................96

4.3.1. Программа исследования.......................................................................96

4.3.2. Методика проведения исследования.....................................................97

4.4. Измерительная аппаратура................................................................................98

4.5. Безмоторный стенд.............................................................................................99

4.6. Определение температурных полей огневого днища головки цилиндра ..105

4.7. Измерение перемещений наружных поверхностей головки цилиндра......108

4.8. Оценка погрешности экспериментального исследования...........................111

4.8.1. Оценка погрешности при определении температурных полей огневого днища головки цилиндра...........................................................................111

4.8.2. Оценка погрешности при измерении перемещений наружных поверхностей головки цилиндра........................................................................112

4.9. Результаты экспериментального исследования и их анализ.......................112

4.10. Проверка предлагаемой методики по результатам эксперимента............113

Выводы по результатам экспериментальной работы..........................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................119

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Температура в межклапанной перемычке головки цилиндра двигателя 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) на 19 режимах....................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты расчета цикла двигателя 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т)

на 19 режимах.............................................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Изменение тензора напряжений в межклапанной перемычке головки цилиндра двигателя 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) при переходе с режима 0 до 1$ мощностных режимов......................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Непрерывный рост удельных мощностей приводов объектов машиностроения обуславливает существенное возрастание нагрузок на их конструкцию. Так форсирование дизелей приводит к увеличению термических и механических нагрузок на детали, образующие камеру сгорания (КС), которые играют важную роль в формировании жизненного цикла двигателя. В результате протекания рабочего процесса поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) происходит нагрев головки цилиндра (ГЦ) со стороны КС, что сопровождается образованием на огневой поверхности температурных полей с ярко выраженным перепадом. Рост температур приводит к ухудшению механических свойств материала ГЦ, а перепадов - к увеличению термических напряжений. При работе тракторного дизеля на неустановившихся режимах, наиболее характерных для условий эксплуатации, тепловое напряженно-деформированное состояние (ТНДС) ГЦ постоянно изменяется во времени, что вызывает образование трещин в наиболее напряженных сечениях: перемычках межклапанных, а также между отверстиями под распылитель форсунки и клапаны. Появление трещин на перемычках ГЦ приводит к отказам двигателя. Это обстоятельство вызывает необходимость разработки методики оценки долговечности ГЦ на стадии проектирования с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации и создания методик ускоренной оценки долговечности и средств для их реализации на стадии доводки. Поэтому рассматриваемая тема исследований является актуальной.

Степень ее разработанности. По результатам выполненной работы разработана новая расчетно-экспериментальная методика оценки долговечности ГЦ и технические средства для ее ускоренного определения при доводке двигателя. Предложены математические модели для расчета температурных полей огневого днища ГЦ при работе двигателя на различных режимах. Доказана адекватность температурных полей при испытании на безмоторном стенде (БС) и при стендовых испытаниях дизеля. Введены новые предложения по выбору граничных условий (ГУ) при расчете ГЦ. Полученные результаты расширяют границы их приме-

нимости для двигателей других конструкций. Результаты, обладающие новизной, получены с использованием комплекса базовых методов исследования, в т.ч. численных методов. Изложены этапы расчета ГЦ на долговечность на стадии проектирования. Выявлены недостатки в предложенных ранее методиках расчета долговечности ГЦ. Изучены возможные способы повышения долговечности ГЦ. Модифицированы известные математические модели и созданы новые, обеспечивающие получение более точных результатов при расчете.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики оценки долговечности ГЦ тракторных дизелей на основе проведения расчетно-экспериментальных исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести статистический анализ конструктивных параметров ГЦ современных автомобильных и тракторных поршневых ДВС с целью определения диапазонов их изменения;

- уточнить и модифицировать методику моделирования нагрузок, действующих на ГЦ при работе тракторных дизелей на различных режимах в эксплуатации;

- разработать математические модели для определения ГУ при расчете ТНДС ГЦ тракторных дизелей;

- разработать и модифицировать методику расчета ТНДС ГЦ с учетом разработанных математических моделей;

- разработать методику оценки долговечности ГЦ по результатам расчета ТНДС с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации;

- разработать методику ускоренной оценки долговечности ГЦ, а также технические средства для её реализации.

Научная новизна работы заключается:

- в предложенной комплексной методике расчета термоусталостной долговечности ГЦ с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации;

- разработанных математических моделях для определения температурных полей огневого днища ГЦ при работе двигателя на различных режимах;

- предложенной расчетно-экспериментальной методике уточнения кинематических и статических ГУ;

- определении коэффициента ускорения при испытаниях на БС.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том,

что предложенная комплексная методика расчета термоусталостной долговечности ГЦ при термоциклическом нагружении с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации позволяет минимизировать отказы по усталостным разрушениям при разработке новых конструкций и доработке существующих. Предложены математические модели для расчета тепловых полей ГЦ. Создан БС, позволяющий проводить ускоренные испытания ГЦ на термическую усталость в условиях блочного нагружения.

Методология и методы исследования. Система принципов исследования основана на использовании известных численных методах расчета, в том числе на методе конечных элементов (МКЭ), компьютерного моделирования и программ SolidWorks Simulation, Ansys Mechanical, MATLAB, Mathcad, а также результатов экспериментальных исследований. Результаты расчетных исследований сверялись с опубликованными данными других авторов, а также результатами экспериментальных исследований, полученными, в том числе на БС.

Положения, выносимые на защиту:

- комплексная методика расчета термоусталостной долговечности ГЦ с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации;

- расчетно-экспериментальная методика определения кинематических и статических ГУ;

- математические модели для определения температурных полей огневого днища ГЦ при работе двигателя на различных режимах;

- методика ускоренной оценки долговечности ГЦ, а также технические средства для ее реализации;

- определение коэффициента ускорения при испытаниях на БС.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследования обуславливается:

- использованием фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, тепломассообмена и химической кинетики, соответствующих этим законам уравнений и ГУ, современных аналитических и численных методов реализации математических моделей, апробированных программных продуктов;

- результатами экспериментальных работ, полученными на сертифицированном измерительном оборудовании, обоснованными калибровками, воспроизводимостью результатов исследования в различных условиях;

- использованием в теории известных и проверяемых данных, в т.ч. для предельных случаев;

- базированием идеи на анализе практики и обобщении передового опыта;

- сравнением авторских данных и данных, полученных ранее по рассматриваемой тематике;

- установлением качественного совпадения авторских результатов с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике;

- использованием современных методик сбора и обработки исходной информации, а также представительными выборочными совокупностями с обоснованием выбора оценочных показателей для наблюдения и измерения.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 статей, пять из которых в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также 8 - в зарубежных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 177 страниц машинописного текста, 74 иллюстрации, 24 таблицы. Список литературы включает 178 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДИК ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. ВИДЫ И ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ

Работа тракторного дизеля в условиях эксплуатации характеризуется неустановившимися нагрузочным и скоростным режимами, при этом эффективный крутящий момент Ме (среднее эффективное давление ре) и частота вращения коленчатого вала п непрерывно изменяются в широких пределах. В результате этого меняется тепловая нагрузка на детали, образующие камеру сгорания (КС). Переходные процессы, возникающие в цилиндре двигателя во время выполнения трактором различных сельскохозяйственных операций (трогание трактора с заглублением плуга, с прицепом, переключение передач и т.д.), являются наиболее неблагоприятными для деталей ЦПГ и для головки цилиндров (ГЦ) [21,48,61].

Форсирование двигателя по среднему эффективному давлению ре и частоте вращения коленчатого вала п повышает нагрузки, действующие на ГЦ, что приводит к её преждевременному разрушению. По данным работы [68] увеличение мощности двигателя 12ЧН 14/14 (ЯМЗ-8401) с Ne = 590 кВт до Ne = 721 кВт вызвало появление трещин на огневом днище у 41% ГЦ уже после 250 часов работы.

Разрушение ГЦ связано с действием температурных и механических напряжений. Температурные напряжения обусловлены неравномерностью нагрева отдельных участков (стационарные) и колебаниями температуры газов, как в течение рабочего цикла (высокочастотные), так и при изменении режима работы двигателя (низкочастотные). Механические напряжения вызваны усилием затяжки крепежных шпилек при монтаже ГЦ, а также силами давления газов.

Наиболее характерными видами отказов ГЦ являются трещины со стороны днища на межклапанных перемычках, а также на перемычках между отверстиями под форсунку и впускным или выпускным каналами [17,74,130]. Так, например, в работе A.A. Захарова [45] приведены результаты исследования причин отказов ГЦ двигателей 124 13/14 (ЯМЗ-240Б), поступивших в капитальных ремонт. У 100% обследуемых ГЦ обнаружена термическая деформация привалочной плоскости, а в 85% случаев имеются трещины на перемычках между форсуночным от-

верстием и отверстиями газовоздушных каналов. При этом количество трещин на перемычках между отверстиями под форсунку, впускной и выпускной каналы примерно равное.

По данным отдела надежности и запасных частей управления главного конструктора Ярославского моторного завода [68] число ГЦ, выбракованных при капитальном ремонте из-за трещин в межклапанной перемычке, имеет стойкую тенденцию к росту и достигает в последние годы уровня 36% на менее форсированных двигателях, как, например, 64 13/14 (ЯМЭ-236М2), и доходит до 70% на наиболее форсированных двигателях 12ЧН 13/14 (ЯМЗ-240М2 и ЯМЗ-240НМ2). На двигателях 12ЧН 14/14 (ЯМЗ-8401) с Ne = 590 кВт трещины появляются через 500... 1000 моточасов. К 3000 часов работы этого двигателя 100% ГЦ имели трещины в межклапанной перемычке. Кроме того, по причине отжига огневого днища на этих двигателях отмечается резкое падение твердости материала ГЦ, бывших в эксплуатации, с 76... 110 до 43,6...48 НВ в зоне межклапанной перемычки, при этом отжиг происходит на глубину до 40 мм от привалочной поверхности.

Согласно данных работы [126] средняя наработка ГЦ двигателя 8ЧН 15/16 (8ДВТ-330) составляет 1000...2000 моточасов при эксплуатации в районах с холодным климатом. Основной отказ - растрескивание межклапанных перемычек, а также перемычек между отверстиями под форсунку и впускным или выпускным каналами. Характерные трещины на днище ГЦ представлены на Рисунке 1.1.

а) б)

Рис. 1.1. Характерные трещины на межклапанной перемычке ГЦ дизеля 4ЧН 9,6/10,3 (Toyota 1KZ-T) (а) и на перемычке между отверстием под форсунку и выпускным каналом ГЦ дизеля 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238НБ) (б)

В работах [16,89,166] содержится вывод о том, что величина напряжений в межклапанной перемычке, вызванная перепадом температур, превосходит напряжения от монтажной нагрузки и от сил давления газов в цилиндре. Максимальные значения напряжений от воздействия температуры и силы давления

10

р,, МПа

Т. К

ах

лр ах ар Л Р:

А х'— / Г

1 X

360 Ь05 (р:пкд\

0 180 360 5Ь0 (р: пкб

Рис. 1.2. Диаграмма изменения давления рг и температуры Т в цилиндре 4-х тактного ДВС

газов, отстоят друг от друга на несколько градусов поворота коленчатого вала (5...20° пкв). Это объясняется протеканием зависимости характеристики тепловыделения ^ = /(<р), которая показана на Рисунке 1.2. Экстремумы зависимостей давления газов р2 = /(<р) и температуры Т = /(<р) также не совпадают. Температура рабочего тела возрас