автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методика определения теплового и напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров транспортных дизелей с учетом неупругого деформирования материалов

^ Л П 9

Нооковокий ордена Ленина, ордена Октябрьской Революция и ордена Трудового Красного Знамени гооударотвегошй технический университет ни. Н. Э. Баумана

На правах рукописи

КРАСЫОКУТСКИИ АНДРЕИ НИКОЛАЕВИЧ

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО И НАПРЯЯШШО-ЛЕФОРНИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЫШЕК ЦИЛИНДРОВ ТРЛН010РТШХ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ НЕУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ИАТЕПШОВ

05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диооертации на ооиокание ученой степпяй кандидата технических паук

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском ордена Ленина, ордена ОктлОрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени техническом университете им. Н. Э. Баумана

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профеосор Н. Л. ЧАЯНОВ

доктор технических наук, профеооор В. В. Ефроо, кандидат технических наук, доцент М. Г. Шатров.

Центральный Научно -Иоследовательокий Дизельный Институт С ЦНИИ)

в_

М1-

часов

Защита состоится ■• ■■ Т992 г.

на эаседашш специализированного совета К. 053.15.95 "Тепловые машины и. теоретические основы • теддотехноки" при Московском техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу; 107005, Москва, ■ Лефортовская набережная, д. Г, корпус "Энергомашиностроение"..

С диоеертацней можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. II. Э. Баумана.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: ,107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, Ш'ТУ им. Н. Э. Баумана, ученому секретарю сове--та К. 053.15.05. -

Автореферат разослан

.1992г.

Ученый секретарь специадллпгрокшного сонета К. т. и., пэдент

т

С. И. №смсв

(

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теин. Создание вноокофорсированных транспортных комбинировавши двигателей о высокими технико-экономическими показателями связано с решением ряда слоеных проблем, одна из которых - выоокая тепловая и механическая напряженность основных деталей цшшндропорптевоЯ группы СЩГ) двигателя. В качестве конкретной детали Щ1Г, подлежащей исследованию в данной работе, была выбрана крышка цилиндров, как одна из наиболее теплонагружен-ных и ответственных деталей двигателя, во многом определяющая его долговечность и реоуро. Особую важность приобретают задачи достоверной оценки теплового и напряженно-деформированного соотоянпй <ТНДО крышек цилиндров, которые используются для последующего совершенствования конструкции, а также технологии их изготовления, обоснования прочностной надежности и реоурса. С учетом оказанного сформулированы цели и задачи данного исследования.

Дель работы. Создание расчетно-экспериментальной методики определения ШЛО крышек цилиндров высокофорсярованннх транспортных дизелей о учетом особенностей условий нагружения и специфики деформирования различных материалов, применяемых для ДВС.

Методы и объекты исследований. Экспериментальные методы исследования полей температур и напряжений на развернутых двигателях и одноцилиндровых отсеках сложны, трудоемки и дорогостоящи, особенно применительно к форсированным дизелям большой размерности.

Из тепловых установок, на которых можно достичь удельных тепловых потоков порядка 400-600 КВт/и2, характерных для высокофорсн-ровашшх транспортных дизелей, предпочтительными являются стенды о источниками тепла, использукщие энергию горячих газов и инфракрао-ное излучение большой удельной мощности, т. к. здесь легче достигается требуемое распределение тетговнх потоков по огневой поверхности деталей. Учитывая вышесказанное и большой опыт работа на тепловом отенде о оптической системой нагрева на кафедре двигателей внутреннего сгорания ЫГТУ им. Баумана, последний был использован при проведении экспериментальной части исследования тепловой • напряженности крышек цилиндров.

В толе время физическое моделирование не обладает достаточной оперативностью при изучении влияния различных конструктивных факторов и изменеия граничных условий па ТЩС исследуемой детали.

Поэтому наряду о методами экспериментально-конструкторского поиска оптимальных решений, особум роль приобретает математическое

I

моделирование ТЩС деталей ЦПГ.

Научная новизна. Для определения параметров ТНДС крышки цилиндров разработана методика расчета температурных полей крщшк цилиндров дизелей на основе ЫКЭ в трехмерной постановке о автоматической коррекцией граничных условий со оторонн охлаждающей жидкости в завиоимоотн от температура поверхности охлаждения, давления в системе охлаждения, скорости жидкооти и ее недогрева до температуры насыщения. Разработана методика раочетно-экспериментального определения температурных напряжений о учетом упруго-пластических деформаций, а также особенностей нагружендл и свойств применяемых материалов. Разработаны алгоритмы и созданы программы расчетов на ЭВМ ТНДС деталей. Разработана методика я ооздана программа по определению параметров теплового стевда о радиационным нагревом о целш обеспечения заданного распределения локальных тепловых потоков по огневой поверхности детали.

Практическая пеннооть. Разработанная раочетно-экспериментальная методика определения ТЩС крыиек цилиндров вноокофорои-рованных транспортных дизелей иопольз7втоя на этапах проектирования н доводки двигателей о целью повышения нх работоспособности.. Проведено раочетно-экспериментальное исследование тепловой напряженности крошки цилиндров тепловозного дизеля ЧН26/26. Предложены мероприятия по совершенствованию конструкции крышки о целш снижения ее тепловой напряженности.

Реализация результатов работа. Ооновные результата иооледо-вания иопользовалиоь в госбюджетных и хоздоговорных работах, выполненных в НИИ ЭМ при МГТУ им. Н.Э.Баумана. Методические разработки н програмное обеспечение применяется в НИР в учебном процессе на кафедре ВДВС МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Апробапия работа. Изложенный в диссертации материал докладывался и обсуждался на m и Y1H Воеооюзной школе-оеминаре "Современные проблемы газодинамики я тепломасоообмена н пути повышения эффективности энергетических установок" с 1989,1991 гг. ), юбилейных межвузовоких научных чтениях "Двигатели и энергетические уотановки для авиации, космоса в наземного транспорта" (Москва, МАЛИ, 1991 г.), УН международном оиипозиуме ЕАЕС MOTOR simpo. (Чехословакия, 1990 г.)

Публикации. Ооновные сведения, содержащиеся в диссертации, опубликованы в Б печатных работах в 2 отчетах по научно-иооледо-вательокям темам, выполненных в'рамках госбюджетных в хоздоговор-

2

та работ в НИИ ЭН при НГТУ им. Н. Э. Баумана.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, списка условных обозначений, четырех глав, списка литературы, изложена на 144 страницах, включадщих 95 страниц текста, 39 страниц рисунков, 10 страниц списка литературы с 98 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении кратко охарактеризовано состояние проблемы в целом, а также показана ее актуальность. Сформулировано общее направление исследований.

В первой главе представлен краткий обзор конструкций кршлек цилиндров транспортных дизелей, проведен аналитический обзор теоретических и экспериментальных исследований, посвященных проблеме тепловой напряженности крншек цилиндров транспортных дизелей. Показано, что основными расчетными методами при анализе таких охем о тали численные методы, и в первую очередь метод конечных элементов СЫКЭ). Предотавлена нетоднка определения ТНДС деталей ЦПГ двигателя о использованием ЫКЭ. Обоснованный раочет теплового ооотояння крышки цилиндра связан прежде всего о точностыо задания граничных условий С ГУ) как оо оторонн гсшеря огорания, так и со отороны охлаждащей жидкости, а также газов во впускном и внпуок-ном патрубках. Существущцие формулы обладают доотоверностыо в основном для определенного типа двигателей и режимов работы, для которых они были получены. Поэтому для раочета температурных полей при доводке деталей ЦПГ двигателей предотавляетоя необходимым экспериментальное уточнение граничных условий.

При расчета ТНДС крнппси цилиндров о понощыо МКЭ для учета жесткости присоединенных ыасо требуется назначение на границах модели кинематических граничных условий СКГУ5. Однако до настоящего времени этому вопросу уделяется недостаточное внимание. Как правило, рассматривают одну ш несколько из приведенных ниже схем закрепления модели, имитирующих пределы влияния жесткостей элементов верхней надстройки, а также втулки и блок-картера на НДС в огневом днище С рис. й. Как показали результаты расчетов терни- • ческих напряжений в крышках цилиндров, исключение радиальных перемещений боковой поверхности модели С схемы 1,2> вызывает увеличение напряжений в три-четыре раза по сравнению со схемами 3 и 4, в которых контур бил полностью освобожден. В тоже Еремя исключение осевых перемещений в схемах I и 3 изменяет терноупругие напряжения в перемычках на 10-20* по сравнению со схемами 2 и 4,

3

Рио. I Схемы закрепления моделей крышек цилиндров

где эти ограничения наложены не были. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости уточнения задания КГУ в радиальных направлениях в месте посадки крышки на бурт гильзы при допущении свободных осевых перемещений верхней периферии кршпки Сохеиа Б).

На основании выполненного обзора конотрукдпй крышек цилиндров транспортных дизелей, а такхе методов расчета их ТНДС сформулированы задачи исследования:

- ооздание методики, алгоритма и программы расчета для определения теплового ооотояния крышей цилиндров с автоматической коррекцией граничных условий оо отороны охлаждающей жидкости в_ зависимости от температуры поверхности охлаждения, давления в спотеме охлаждения, скорооти жидкости и ее недогрева до температуры насыщения,- создание методики, алгоритма и программы расчета для определения НДС крышки цилиндров в трехмерной постановке, обусловленного температурным полем о учетом улруго-плаотических деформаций, а также особенностей на груженая и свойств применяемых материалов,- ооздание методики, алгоритма и программы раочета для определения параметров теплового стенда о радиационным нагревом о целыо обеспечения при физическом моделировании заданного распределения локальных тепловых потоков по огневой поверхности детали; •

- экспериментальное определение температур в наиболее опасных точках днища крышки цшпшдров в условиях теолового стенда;

- экспериментальное определение радиальных перемещений по контуру огневого днища для учета жесткости присоединенных влемен-

тов конструкции в расчетной модели.

Во второй главе содержится методика и математическое моделирование ТНДС крышки о учетом неупругого деформирования материалов и нелинейности граничных условий со стороны охлаждающей жидкости. В отличие от раочетов в упругой облаоти расчеты напряженно-деформированного состояния в случае неупругого деформирования существенно сложнее и имеют большую специфику в зависимости от тешгофиэичеоких овойотв материала и характера нагружения.

Проблема рационального выбора критерия, используемого при оценке предельного оостояния материала, сводится к определению некоторой функции / , обычно вмещай определенную физическую интерпретацию: максимальное нормальное или касательное напряжение, энергия формоизменения и т.д. Известно большое число критериев, для определения которых достаточно проведения двух видов экспериментов (например, при растяжении я сжатии). Это критерии Кулона-Нора, Губера-Низеса, Боткина-Ниролюбова; Баландина, обобщенный критерий Писаренко-Лебедева и др. На поведение материала под нагрузкой, его прочность и споообнооть деформироваться существенное влияние оказывает температура. Кроме напряженного соо-тояния и температура на прочнооть материала оказывает влияние • временной и масштабный фактора, режим нагружения, градиент напряжений и др. Учеоть все эти особеннооти при расчете деталей ЦПГ на данном этапе не предоставляется возможным. В данной работе попользуйте ч критерии Баландина и Нора, как получившие наибольшее распространение при упруго- шгаотических раочетах особенно полухрупких материалов.

Для де^.'г.ей и^ достаточно пластичных материалов в условиях монотошг.зго ь 'тления широко используется наиболее проотая деформационная теория пластичности, в основу которой положены допущения об упругом характере объемной деформации и пропорциональности компонент девиатора деформации соответствующим компонентам девиатора напряжений *ti . Принимается также допущение о существовании для каждой температуры функциональной зависимости между интенсивностш деформации е. и напряжения <*L , называемой обобщенной кривой дефорякроЕаная. При этом зависимость «t- Р <et) справедлива для любого вида НДС. Решение задачи в рамках деформационной теории осуществляется одним из методов пос-ледоватальных приближений, в чаотнооти методом переменных параметров упругости. Расчеты по дефорнагагошюй теории хорошо согла-

б

суются о экспериментальными данными при применении цлаотичных материалов и монотонном изменении нагрузки, когда реализуется так называемое простое нагружение. Однако в реальных условиях работы теплонапряжендых деталей при наличии многократных изменений скоростных и нагрузочных режимов эксплуатации двигателя последнее не выполняется. Поэтому при раочете теплонапряженных деталей дизелей наряду о деформационной теорией все шире начинают применяться различные варианты теории течения. В этом случае в заданный момент нагружения связываются между собой приращения деформации и напряжения, что позволяет учеоть иоторию нагружения, приблизившись таким образом к действительным условиям работы деталей двигателя.

" +

Приращение упругой составляющей, учитывающей изменение овойотв от температуры и тепловое расширение имеет вид:

¿л «¿(«г) - Л,»!»» + - »„„¿г +-4..аг о

I) V} теп мп д. тп V}

Со^глаоно ассоциированному закону течения компоненты приращения плаотичеокой деформации:

«V

¿л — сз>

4 Аг

И

В зависинооти от вида материала и режима нагружения в ка-чеотмве функции / выбирается один из приведенных выше критериев предельного ооотояния о учетом некоторой меры упрочнения. В качестве меры упрочнения к обычно принимается работа плаотичеокой деформации <<р или накопленная плаотичеокая деформация ч (параметр Удквиота}. Для практического решения задачи может быть применен метод переменных параметров упругости. Причем попользу-етоя оэкв в соответствии о критерием. Процеоо нагружения разделяется па малые этапы - шаги. Внутри каждого шага переменные параметры упругости и компонента температурного вектора уточняются последовательными приближениями. В первом приближении они определяются по напряженно-деформированному состоянию предыдущего этапа. Далее определяются приращения я полные значения валряже-

6

ний и деформаций. Расчет повторяется до тех пор, пока не будет выполнен один из критериев сходимости.

До настоящего времени расчет интенсивности теплоотдачи от охлаждаемых поверхностей производится на основе эмпирических зависимостей, которые в большинства случаев позволяют рассчитывать средние значения коэффициента теплоотдачи в пределах воей поверхности. Однако в зависимости от температуры охлаждаемой поверхности, температуря, скорости п давления жидкости в системе охлаждения на отдельных участках тепловоспрннимащеЙ поверхности головки цилиндра возможны три основных режима теплообмена:

-режим вынужденной конвекции, характерный в основном для периферишшх зон дшща | головки,-

-режим поверхностного кипения, т. е. режим перехода от конвективного теплообмена к развитому С пузырьковому} кипению;

-режим докризисного развитого кипения, хараотерный для наиболее теплонагружепной центральной чаоти днища и начала выпускных патрубков.

Для режима вынужденной конвекции большинство предлагаемых различными авторами зависимостей для коэффициента теплоотдачи ножет быть представлено в следующем виде:

V V 4 у

где А и В определяются тешгофпзическнми свойствами охлаждающей жидкости и конструкцией проточных чаотей.

Для поверхностного кипения при вынужденной конвегагаи в свою очередь найдены три определенные зоны. При налом перегреве стенки процесс теплоотдачи определяется в основной вынужденной конвенцией. При умеренном перегреве стенки теплопередача определяется совместным влиянием вынужденной конвеицш я поверхностного ют-пенил. При более высоких перегревах степень влияния вынужденной конвекции исчезает, и процесс теплоотдачи соответствует развптсну кипезию.

При Счч/ 2 0. 5 общий коэффициент теплоотдачи определяется вынужденной конвекцией С аохл™ . При 2 2 обдкй коэффициент теплоотдачи зависит только от развитого ккпенкл

( а = д у.

4 ОХЛ т'*

Нежлу эткшг предельными случаями леяит промежуточная сйлзсгь 0,5 < <«,/ < 2. з- которой действуют оба фактора и тешоотд'г-

7

ча выражается зависимостью:

яохл " \ «V + V / <б «w - <*q) . <В>

На интенсивность теплообмена при кипении оказывают влияние большое количеотво разнообразных факторов (давление охлаждащей жидкости, перегрев отенки, характер шероховатости поверхности, краевой угол смачиваемости и другие). Учесть влияние всех факторов не предотавляется возможным, поэтому в настоящее время имеется несколько подходов к описанию процеосов конвективного теплообмена при кипении жидкооти. Сравнивая ряд формул, предложенных различными авторами для определения коэффициента теплоотдачи при кипении, наилучшее совпадение результатов экспериментов для крышек цилиндров типа ЧН 16/16 и ЧН 26/26, полученных на тепловом стенде кафедры ЛВС НГТУ им. Е Э. Баумана, дает формула, предложенная Кутателадзе С. С.

Алгоритм расчета ТНДС деталей ЦПГ представлен на рис. 2. Реализация данного алгоритма ооущеотвленг. в виде шкета прогреми, написанных на языке ФОРТРАН IV и ориентированных для иопользова- • нил на ЭШ серий ЕС и ОД. Ооновная область применения комплекса -раочет температур, перемещений, деформаций и напряжений деталей в трехмерной постановке о учетом оообенноотей деформирования олась тичных в полухрупких материалов за пределами уцругооти. При определении теплового соотояния кршшш учитывалась зависимость ГУ оо оторопи охлаждающей жидкооти от температуры отенки. Последовательное приближение к искомому решению о заданной точностью е обеспечивается выполнением следующих этапов работ:

В качеотве нулевого приближения температура охлаждаемой поверхности Тст задается из диапазона НО-120 "С. Для выбранного значения гст по выражению CD определяется нулевое приближение для «q^,,. Далее проводится численное решение температурной задача о ГУ III рода. Полученные значения температур в отдельных точках поверхности охлаждения используются для определения значений первого приближения <4хл* Проводится повторный раочет температурного поля. Уточнение 'значений коэффициентов теплоотдачи продолжается в указанной выше последовательности до тех пор, Пока расхождение температур в точках детали не будет иевшв заданной величины с <3-5 °0. Как правило, задача сходится за З-б итераций. Р третьей главе приводится описание экспериментальной уота-8

Рио.2. Алгоритм решения задачи по определенны теплового и НДС детали в упруго-пластической зоне на сдясм ыяге н.ягруженкя.

9

э<?

новкн, методика, алгоритм и программа расчета для опреления параметров теплового отенда о радиационным нагревом о целью обеспечения при физическом моделировании заданного распределения локальных тепловых потоков го огневой поверхности детали.

Основу системы нагрева исследуемых на стенде деталей предо-тавллет нагреватель, выполненный на базе галогеновых ламп ЛГ-220-2000, установленных в дуралюминиевом охлаждаемом корпусе.

Разработана методика теплового расчета нагревателя, базирую-щгпся па теории лучистого теплообмена о применением зонального метода расчета угловых коэффициентов. В расчете нагревателя находятся искомые напряжения на лампах, обеспечивающие заданное локальное распределение теплового потока по нагреваемой поверхности, а таете тепловые потоки, которые должны быть отведены от стенок нагревателя, экрана и отражателя для поддержания приемлемого уровня температур последних.

Целью эксперимента было определение температурных полей на тепловом стенде опытных вариантов крышек цилиндров тепловозного дизеля ЧН26/26. При окончательном назначении режима работы нагревателя применялась коррекция в соответствии о данными териомет-рированпя крышки двигателя, полученными на работающем двигателе на Котоменоком тепловозостроительном заводе. При исследовании температурных полей деталей ЦПГ как в условиях работающих двигателей, так я в условиях различных тепловых отендов, традиционным и достаточно надежным оредством измерения температуры являются контактные методы о использованием термопар. Особое внимание уделено определению теплового оостоянкя межклапанных перемычек и перемычек между отверстиями под форсунку и клапанами, как наиболее теплопа гружены« элементам конструкции крышей. Для изготовления термопар применялись как хромелевая и копелевая, так и хромелевая и алюмелпвая проволока диаметром 0,2 мм в терыоотойкой изоляции.

Математическое моделирование НДС крышки цилиндра обусловливает необходимость установления экспериментальной зависимости изменения радиальных перемещений в местах посадки крышки на ох-лажгасмий бурт, имитирующий верхнюю часть гильзы цилиндров, для учета влияния его жесткости. Это позволяет учесть при расчете НДС жесткость сопряженных деталей.

В четвертой главе приведены результаты расчетного исследования ТНДС крышки цилиндров тепловозного дизеля ЧН26/26 и их срав: пегие о экспериментальными данными. Исходя вз условия симметрии

10

конструкции относительно плоскости, проходящей между впускными и выпускными клапанами, при построении 3-нерноп расчетной модели крышей цилиндров была рассмотрена 1/2 часть ггршпш. Для оценки влияния наличия в расчетной модели патрубков и форсуночного ота-капа на результаты теплового расчета крышки пуоведенц сравнительные расчеты общей модели, а также отдельно огневого д.-пща с различными ГУ на срезе патрубков и форсуночного стакана. В одном случае на срезе задавалось условие отсутствия теплообмена ч = о, в другом - условие конвективного охлаждепил при наличии жидкости.

Отмечено значительное расхождение в распределении т^тератур и их градиентов в наиболее теплонагружеппих местах огневого дш-лца С особенно в районе впускной перемычки}, которое достигает 16%.

Отсюда можно сделать вывод о необходимости учета в расчетной модели крышки цилиндров патрубков и форсуночного стана, что возможно осуществить только при использовании 3-х мерной модели.

При определении температурных напряжений было отмечено, что на "огневой" поверхности в нежклапашшх перемычках, а также в перемычке между выпускным клапаном и форсункой, которые являются наиболее теплонагруженными зонами огневого днища, имеется практически одноосное напряженное состояние при значительных сжимакацих напряжениях, что в значительной степени упрощает задачу выбора критерия прочнооти при расчете за пределами упругости. В качество основного показателя при определении уровня температурных напряжений крышки выбраны максимальные сжимающие напряжения о,.

Результаты расчета температурного поля и экспериментальные данные для серийной крышки цилиндров при Рв«1,Б1 НПа, полученные на работающем двигателе, показана на рио. 3.

Кинематические граничные условия для серийной кртапги при раочете термических напряжений на номинальном режиме были взяты из эксперимента, проведенного на тепловом стенде. Для учета жесткости опорного бурта втулки при расчетах температурных напряжений различных вариантов конструкций крышек были введены так называемые коэффициента жесткости бурта, равные отнояению измеренных и так называемых овободнах перемещений, которые получены расчетным путем при условии отсутствия сопргженшх деталей на серийной кркшке. Для нсолодуемой креплен коэффициенты жесткости в направлении вдоль различных перемычек составили примерно равные величины - соответственно 0,72 и 0,70. Влияние жесткости опорного бурта на НДС кршки показано на рис. 4. Для учета присоединенной жест-

II

Рио. 3. Температурное поле дшвда крошки Т, ("С! со отороны камера сгорания С а} и со стороны охлаждавдей жидкооти (б> I I - экспериментальные значения

Рио. 4. Максимальные сжинающие температурные напряжения з,,1КПа1 при свободном перемещении внешнего контура камеры сгорания СаЭ и с учетом присоединенной жесткости бурта С б) Е2Э - зона неупругого деформирования материала

кости при раочетах различных ГУ и вариантов конструкции icpmueK свободные перемещения узлов конечноэлеиентной модели, расположенных на внешнем контуре огневого длкца, и полученные раочетшш путем при отсутствии сопряженных деталей, умножались на соответствующие коэффициенты жесткости. Полученные перемещения использовались в качестве кинематических граничных условий при повторном раочете, в котором уже учитывалась жесткость бурта.

Для определения влияния см давления газов на НДС кршлкя f.ui проведен расчет при нагружешш силой Р,= 1б Нпа. Наибольшие снимающие напряжения в центральной части огневой поверхности диют соотавилн порядка 60-80 МПа, что в 5-6 раз меньше уровня томи зм -турных напряжений.

С целью снижения температуры и термических напряжений н наиболее опасных зонах "огневой" поверхности днища проведено ^. четное исследование влияния уменьшения толщтш дтяца в перешию* между впуокными и выпускными клапанами на тепловое и ПДО хрдм/и. В результате снижения толщины впускной перемычки с 27 ни до 18 ин, а выпускной - с 18 им до 16 ш температура "огневой" поверхности понизилась па 20-30 л С и достигла 260 0 на впускной и 340 °С на выпускной перемычках. Однако уровень температурных напряжений в перештасах оказался несколько выше, что, несмотря на некоторое снижешь температуры, не позволило "избежать области неупругого деформирования материала. Это можно соЧяснигь возросшим уровнем поперечных составляющих температурных ^лддиен-товуа также умепшением площади сечения в перемычках днища. С учетом отсутствия снижения максимальных температурных нагряжений, а также неизбежного снижения жесткости днища при уыеяыпеюш его толщины, дальнейшее применение данного способа возможного уменьшения теплонапряженности крышки представляется малоггерспектншшм.

Для улучшения уоловий работы материала в месте посадки впускных клапанов исследовалась возможность установки плавак^х седел.

В связи о этим предложением Сила проверена оценка влияния плавающего седла под впускные клапаны на тепловое н НДС кротки. В результате раочетов било установлено, что при незначительном влиянии на температурное оостояние кряшш пилгалра установка седел приведет к недопустимо высоким шшряхешьгм в nojSnrn:£>, кото(ае могут достигнуть при "упругом" расчете -500 туп г>т:и значительно расширяется область неуиругого ябфо^дшровдния натерндла. В качестве альтернативного варианта была исследована возможнеегь

Т'З

уотановки запрессовавши седел. Условие запрессовки оедел о натягом 6=0. ОЬш моделировалось в расчетном исследовании заданием разности температуры элементов оедла и крышки ¿Т - 100 "С Срио. Б).

Рис. 6. Накоимальные сжимающие температурные напряжения оа,[МПа] о учетом запресоовки впускных С а) и всех седел (б) на "огневой" поверхнооти днища Щ - зона неупрдгого дефорнг-рования материала.

Запрессовка седел окгзала благопрятное влияние на НДС перемычки. Максимально сжимающие напряжения снизилиоь и ооотавили 360 НПа. Помимо этого, напряженное состояние стало близким к двустороннему сжатию, поэтому при расчете эквивалентных напряжений били использованы критерии Баландина и Нора. В обоих случаях было получено отсутствие зон неупругого деформирования в районах перемычек. Однако необходимо отметить, что применение запрессовки седел помимо технологических сложностей приводит к менее благоприятным условиям работы клапанов в местах их посадки, а также к ужесточению работы самих оедел. Интенсивность напряжений в самих оедлах может достигать порядна 600-700 НПа, что близко к критическим значениям.

Необходимость эксплуатации дизеля ЧН26/26 в условиях протн-волавленгл на выпуске Рь«0.3 НПа вызвала потребность в расчетном анализе влияния последнего на ТНДС кршки цилиндров. Условие противодавления при прежней мощности (Р#=1.51 МПа). и частоте вращения коленчатого вала <тг-1000 об/минЗ привело к изменеию рабочего процесса в дизеле, изменеию индикаторной диаграммы и, как олед-ствне, тепловых нагрузок. Было отмечено повышение уровня температуры газа и коэффициентов теплоотдачи со стороны камери сгорания порядка ЬХ. При получении граничных условиях проведен расчет ТНЛС применительно к оерийной крнтке. Максимальные термические напряжения составили -425 НПа. В районах перемычек имеется об-14

мирная зона неупругого деформирования материала. Результаты расчетного анализа показывают, что эксплуатация крышки цилиндра дизеля ЧН2Б/26 без конструктивных изменений в условиях противодавления приведет к значительному ускорении развития зоеы неупругого деформирования материала, способствующему появлению термоусталостных трещин, и, как следствие, снижению моторепурса всего двигателя в целом.

ОШОЕНЫЕ ЕИВОЩ I. Для определения параметров ТВДС крыши нилишгров: аЭ разработана методика и программа расчета температурных полей на основе НКЭ крышек цилиндров дизелей в трехмерной постановке о автоматической коррекцией граничных условий со стороны охлаждающей жидкости в зависимости от температуря поверхности охлаждения, давления в системе охлаждения, скорости жидкости и ее недогрева до температур! насыщения;

б) разработана методика и программа расчета температурных напряжений о учетом упруго-пластических деформаций, а также особенностей нагружения и свойств применяемых материалов;

2. Разработана методика и создана программа по определению параметров теплового стенда о радиационным нагревом о целыо обеспечения заданного распределения локальпых тепловых потоков по огневой поверхности детали.

3. Проведена оценка влняпия патрубков па результаты расчета теплового состояния кротки. Результаты показали, что неучет патрубков в расчетной недели приводит к значительным погрешностям при распределении температурного поля огневой поверхности С для чугунных крышек до 16%).

4. Результаты расчета показали, что наиболее нагруженными местами огневого днища являются ыежклапанные перемычки, термическое НДС которых близко к одноосному.

& Проведена опенка влияния толщины межклапанной перемычки крышки цилиндра дизеля, 41126/26 на ее напряженно-деформированное соотояние. Отмечено снижение уровня теркичеокпх напряжений при уменьшении толщины до некоторой оптимальной величины.

6. Иооледовано влияние запреосовки клапанных седел на напряженно-деформированное состояние крышки. Результаты расчета показали, что напряжения в крншках от запрессовки седел оказывают значительное влияние на перераспределение термических напряжений в огневок днище. Установлена возможность применения запрессован-

ТБ

них седел.

7. Использование результатов экспериментального определение радиальных перемещений по контуру огневого днища для учета жесткости бурта в расчетной недели позволяет повысить точность расчета по сравнению с традиционными схемами закрепления.

8. Результаты проведенных исследований использованы для разработки рекомендаций по повышению термопрочности крышки шшшдра ЧН26/2Я

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Краонокутский А.Н. Учет особенностей теплообмена в полоо-ти охлаждения при построении математической модели расчета теплового состояния головИи цилиндра // Современные проблемы газодинамики и тепломассообмена и пути повышения эффективности энергетических установок: Тез. докл. YII Всесоюзной школы-семинара. -И.. 1989. - а 133.

2. Чайяов Н. Л., Василенко В. Г., Краонокутский А. Н. Трехмерный тепловой анализ головок шшшлров форсированных ДВС о уточненным зада1шем граничных условий теплообмепа в полости охлаждения // /автомобильные н тракторнн^пвигатели: Межвузовский сб. нзучп. тр. -И., 1990. -С.35-40.

3. Чэйнов И. Д., Краонокутский А.Н. Оценка влияния тегь лопой изоляции шшуокннх патрубков головок цилиндров дизелей на тепловое состояние и тешюотвод в охдаждащую жидкость

// virth International Symposium with a support of EAEC MOTOR SIMPO. TliB High íatras. 1990. -C.250-257.

4. Крэ.снокутокий А.Н. Тепловой стенд о лучистым нагревом для моделирования тегоюнапряженного состояния кршкк пшшндра // Современные проблемы газодинамики и теялонассообмепа и пути повше-mw эффективности энергетических уотановок: Тез. докл. y II Вое-сомзноЯ школы-семинара. -М., 199L -С. 63.

Р. Краонокутский А. Я., Мягков Л. Л., Оболоншй И. В. Принене- ■ пи2 контактной задачи для исследования деталей цилиндропорвдневой г)-?пя» стзелой // Двигатели и эпергетические установки для авна-шг.1, коомооа и наземного транспорта: Тез. докл. Юбилейных межвузовских научных чтений. -М., 1991. -С. 6.

. Зак. ¿£>i Тираж 100 экз. Объем I п. л.

Подписано к печати /O.Q3-. 9Zr.

Типографш ИГТУ им. ES.Баумана