автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Методы моделирования вибраций цилиндровых втулок тронковых дизельных двигателей

ООЗОВ8212

На правах рукописи

ПОРОШИНА СВЕТЛАНА ОЛЕГОВНА

МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВИБРАЦИЙ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК ТРОНКОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Специальность 05.08.05 - судовые энергетические установки и их элементы (главные н вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Калининград — 2007

003068212

Работа выполнена в ФГОУВПО рыбопромыслового флота

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

кая государственная академия

кандидат технических наук, доцент Валишин Александр Гусманович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук,

профессор Ковальчук Леонид Игнатьевич

кандидат технических наук, профессор Курылев Александр Сергеевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Российский Морской Регистр Судоходства. Калининградская инспекция

Защита состоится «18» мая 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 307.002.02 при Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота по адресу: 236029, г. Калининград, ул. Молодёжная, д.6 (зал заседаний Ученого Совета, ауд.201)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота.

"Г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.п.н., профессор Бугакова Н.Ю.

Общая характеристика работы Актуальность исследования

Коррозионно-эрозионное изнашивание в системах жидкостного охлаждения дизелей существенно снижает их эксплуатационную надежность. Статистика отказов свидетельствует, что выбраковка цилиндровых втулок средне- и высокооборотных двигателей (СОД и ВОД соответственно) в 20-50% случаев происходит по причине эрозионных повреждений боковой поверхности и на посадочных поясах. Примерно столько же втулок выбраковывают из-за трещин под посадочными буртами. При этом по износу «зеркала» цилиндра наработка втулок составляет не более 60% от расчетного ресурса.

Как показывают исследования коррозионно-эрозионных разрушений в системах охлаждения дизелей ученых Л.И. Погодаева, Н.Н. Иванченко, А.А.Скуридина, А.П. Пимошенко, O.K. Безюкова, интенсивность эрозионных разрушений при вибрационной кавитации и величина напряжений в опасных сечениях буртов могут быть снижены за счет конструктивных мер, ведущих к уменьшению уровня вибраций втулок, и тем самым продлен срок их службы.

В основе определения ресурса цилиндровых втулок лежит научная структурно-энергетическая теория изнашивания, которая устанавливает связь между долговечностью детали и уровнем действующих напряжений и виброускорений, определяющим ведущий механизм разрушения. Однако существующие в настоящее время методы расчета вибраций втулок цилиндров не в полной мере отвечают задачам разработки оптимальных конструкций.

Так, внедренные на некоторых типах дизелей конструктивные меры в виде установки дополнительных опор и уплотнительных соединений с целью снижения уровня вибраций и защиты бурта от разрушений, приводили к негативным последствиям, которые не могли быть спрогнозированы на основе имеющихся расчетных моделей. В частности, указанные конструкционные изменения приводили к более интенсивному износу отдельных частей втулки, разрушению блоков и обрыву опор, в то время как согласно расчетам ожидалось снижение уровня вибраций.

Поэтому основная проблема исследования состоит в усовершенствовании методов расчета и разработке новых подходов к оценке вибрационных характеристик цилиндровых втулок,

позволяющих установить связь между конструкционными особенностями втулок и уровнем их вибраций и напряжений. Необходимость создания таких методов вызвана также тем, что при расчете ресурса втулки требуется учитывать наличие локальных зон разрушений, обусловленных повышенными значениями виброускорений и напряжений в этих зонах, а существующие в настоящее время методы расчета не показывают фактическое распределение виброускорений и напряжений втулки.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов моделирования вибраций цилиндровых втулок ДОС любых конструкций под воздействием локальных и распределенных внешних нагрузок. Разработанная модель должна удовлетворять следующим условиям:

- решать задачи по определению амплитуд и частот колебаний втулок и выявлению зон, наиболее опасных с точки зрения эрозии поверхности и усталостных разрушений материала;

- иметь возможность применения на стадии конструирования детали либо изменения существующих конструкций цилиндровых втулок;

выступать основой при разработке оптимальных конструкционных решений с целью повышения ресурса втулок.

Для достижения поставленной цели были определены следующие основные задачи исследования:

1. Провести всесторонний анализ существующих методов расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС и оценку их теоретической базы.

2. Разработать математическую модель втулки для расчета вибрационных характеристик при любом количестве опор и их взаимном расположении с учетом условий посадки втулки на этих опорах и сил газового давления в цилиндре.

3. Разработать имитационную модель втулки и поставить виртуальный эксперимент по получению ее вибрационных характеристик путем прямых измерений в виртуальной среде.

4. Провести физический эксперимент для проверки адекватности разработанных моделей.

5. С помощью разработанных моделей оценить местоположение зон, наиболее подверженных эрозионным разрушениям, и

показать практическое применение модели в разработке нового

конструкционного решения с целью снижения вибрационных

напряжений.

Объект и предмет исследовании

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе являются вибрационные процессы, приводящие к эрозионным разрушениям цилиндровых втулок и образованию трещин под буртами. Предметом исследования являются цилиндровые втулки тронковых средне- и высокооборотных судовых дизельных двигателей.

Методы исследования

Методологическую и теоретическую основу моделирования вибрационных процессов и оценки их влияния на эрозионное разрушение цилиндровых втулок составили труды ученых Л.И. Погодаева, A.A. Самарского, С.Н. Кана, С.П. Тимошенко, H.H. Иванченко, A.A. Скуридина, А.П. Пимошенко, O.K. Безюкова, В.В. Пахолко.

Для определения вибрационных характеристик цилиндровых втулок были использованы методы математического моделирования, вариационный принцип Гамильтона - Остроградского, математические методы решения дифференциальных уравнений и систем линейных алгебраических уравнений, в том числе метод разделения переменных (метод Фурье), численные итерационные методы, матричный метод. Для нахождения величины деформации втулки в месте удара поршня в момент его контакта со стенкой была использована теория удара С.П. Тимошенко. Вынужденные колебания втулки под воздействием распределенной силы газового давления были получены методом построения функции влияния единичного сосредоточенного импульса. Для интегрирования уравнений движения применялись численные методы на основе теории разностных схем A.A. Самарского.

Процесс вибраций цилиндровых втулок исследовался методом компьютерной имитации с использованием метода электромеханических аналогий. Для обработки экспериментальных данных применялись методы математической статистики и теории вероятностей.

Информационная база исследования

В качестве информационных источников в диссертации использованы:

- научные источники в виде сведений и данных, в том числе экспериментальных, из приведенных в библиографическом списке книг, журнальных статей и материалов научных конференций;

результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

Научной новизной обладают:

- математическая модель втулки, позволяющая учитывать реальные условия заделки втулки в блок, изменение сил давления газов в цилиндре и получать расчетную осциллограмму вибраций;

- получение распределения амплитуд вибраций по поверхности втулки и определение зон, наиболее подверженных эрозионному разрушению;

- применение метода имитационного моделирования для определения вибрационных характеристик цилиндровой втулки с учетом её конструкционных особенностей;

- результаты исследований влияния упругих сопротивлений деформациям в местах закрепления втулок на 1гх вибрационные характеристики.

В работе впервые показано, что установка демпфирующей прокладки под буртом втулки приводит к снижению амплитуд асимметричных циклов изменения напряжений в области бурта и снижению виброускорений втулки.

Личный вклад автора

Все теоретические исследования в работе выполнены автором самостоятельно, а экспериментальные исследования и разработка мер для снижения вибрационных напряжений втулки — в составе групп, возглавляемых научным руководителем работы.

Автору принадлежит разработка математической модели и решение задачи по определению амплитуд вибраций втулок с учетом распределенных нагрузок, оценка вибрационных напряжений в опасном сечении бурта втулки.

Практическая ценность работы

Разработаны метод виртуального эксперимента и имитационная модель цилиндровых втулок, которые обеспечивают получение

данных о вибрационных параметрах втулок без проведения серий натурных испытаний, что позволяет осуществлять подбор оптимальных конструкционных решений на этапе проектирования.

На основе разработанной математической модели получены практические данные влияния условий закрепления втулки в блоке, в том числе жесткости закрепления, на частоту и амплитуду вибраций, а также величину вибрационных напряжений в области бурта втулки СДВС типа 48,5/11.

Результаты работы приняты к внедрению в Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота в учебном процессе и научной работе курсантов и аспирантов судомеханического факультета.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель вибраций втулки для различных условий заделки втулки в блок с учетом изменяющихся сил давления газов в цилиндре.

2. Имитационная модель втулки и экспериментальное определение её вибрационных характеристик в виртуальной среде.

3. Влияние демпфирующей прокладки под буртом втулки на снижение её виброускорений и амплитуд асимметричных циклов изменения напряжений в области бурта. Апробация результатов исследования

Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Судовые энергетические установки» БГАРФ, восьмой межвузовской научно-технической конференции аспирантов, соискателей и докторантов БГАРФ (г.Калининград 2006г.), Пятой международной конференции «Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов 88М'2005» (г.Калининград, БГАРФ), научно-технической конференции «XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий» (г.Миасс, 2006).

Публикации результатов исследования По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ. Структура и объем диссертационной работы Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложена на 182 страницах основного текста, содержит 59 рисунков,

17 таблиц, перечень использованных источников из 88 наименований, 2 приложения.

Содержание работы Во введении дана оценка современного состояния сформулированной проблемы и обоснована её актуальность, определены цель и задачи диссертационной работы, приведены основание и исходные данные для разработки темы, методы решения задач, раскрываются научная новизна, практическая значимость, область реализации результатов исследований.

В первой главе дан обзор видов эрозионно-коррозионных разрушений в системах жидкостного охлаждения ДВС различного типа, показано влияние виброактивности и действующих напряжений на механизмы и локализацию разрушений охлаждаемых поверхностей. Приведена современная феноменологическая модель эрозионно-коррозионного разрушения в системах жидкостного охлаждения ДВС, описывающая основные факторы, влияющие на возникновение и развитие разрушений, а таюке взаимосвязь и совместное действие разрушающих факторов. Проведен анализ известных конструктивных способов снижения уровня эрозионно-коррозионных разрушений поверхностей охлаждения ДВС.

Во второй главе исследования были проанализированы существующие методы расчета частот и амплитуд вибраций цилиндровых втулок дизелей, которые являются составной частью прогнозирования ресурса детали.

H.H. Иванченко, A.A. Скуридин и М.Д. Никитин (Методика ГОСТ 7274-70 «Дизели и газовые двигатели, втулки цилиндров чугунные», ГОСТ 17919-72 «Втулки цилиндров стальные дизелей и газовых двигателей. Технические требования») рассматривают втулку со свободными симметричными опорами краев, в то время как условия посадки втулок на верхнем и нижнем посадочных поясах существенно отличаются друг от друга, не учитывают изменения сил давления газов в цилиндре в ходе рабочего процесса двигателя. Метод А.К. Тярасова вносит уточнения в отношении учета закрепления краев втулки только при расчете частот вибраций. О.К Безюков описывает колебания втулки в виде суперпозиции собственных высокочастотных колебаний, амплитуда которых модулируется силами давления газов в камере сгорания. При этом метод является расчетно-

экспериментальным, требует проведения вибрографирования дизелей и содержит множество эмпирических коэффициентов, т.е. может применяться в отношении ограниченного класса существующих конструкций. Численный метод конечных элементов В.В. Пахолко и A.B. Губанищева является в этом отношении наиболее совершенным, но требует трудоемкого определения ансамблей масс, внутренних и внешних сил, демпфирующих элементов при построении расчетных схем для каждой конструкции втулки. В печати не опубликовано результатов исследования при помощи данного метода колебаний цилиндровых втулок высокооборотных тронковых дизелей.

Таким образом, отсутствует математическая модель цилиндровых втулок, которая в полной мере учитывала бы все существенные факторы, влияющие на частоту и амплитуду вибраций, и не содержала эмпирических коэффициентов, затрудняющих использование модели на этапе проектирования или внесения конструкционных изменений в существующие детали.

Третья глава посвящена разработке математической модели втулки как тонкостенной цилиндрической оболочки, в которой колебания возбуждаются ударом поршня после перекладки в ВМТ и переменными силами газового давления в цилиндре. Условия заделки втулки в блок, оказывающие существенное влияние на частоту и амплитуду вибраций, моделировались соответствующими краевыми условиями.

Контакт поршня со стенкой возбуждает несимметричные изгибные колебания, формы и частоты которых определялись энергетическим методом, предложенным С.Н. Каном. Радиальные перемещения задавались в виде >v(*,ç>,/) = y/(jt)coswç»sincy (1)

где у/(х) - неизвестная функция, изменяющаяся по длине оболочки, и -натуральные числа, характеризующие число полуволн в поперечном сечении. Окружные v(x,<p,t) и продольные деформации u(x,(p,t) были выражены через радиальные с использованием гипотезы

нерастяжимости оболочки в окружном направлении, т.е. w + — = 0, и

дер

си dv .

гипотезы отсутствия сдвигов срединнои поверхности-- + — = 0.

R5(p дх

Для нахождения функции ц)(х) из условия равенства работ внутренних

и внешних сил системы было получено однородное дифференциальное уравнение четвертого порядка: ¿у р8г с}2 ¿у {г? Рд^п2+\)г2 п (гг2-^ ск4 Ед сЬс2

а'/г ч ЕЖ2 ЕЖ6

ц/{х)=0, (2)

Е31

где Ош = —*—- цилиндрическая жесткость, 12(1 -М )

Е,ц,р - упругие свойства и плотность материала втулки,

Я Ь, 6,8Ш - радиус, длина, толщина стенок и фланца втулки

соответственно.

Величина учитывает неоднородности по толщине стенок

цилиндра:

(3)

ь »

где- площадь сечения каждой отдельной части цилиндра (опорный пояс, углубление, фаска и т.п.).

Решением этого дифференциального уравнения (ДУ) в общем случае является функция вида

|//(х)- С]Ск кх+С2 соекх + С3.?/г кх + С^эткх, (4)

определяющая форму колебаний вдоль оси цилиндра х, а собственные частоты колебаний находятся из выражения:

" ^(мМ^И'

где значения кт соответствуют нетривиальным решениям ДУ и являются корнями его характеристического уравнения.

Граничные условия для функции у/(х) составляют систему линейных однородных алгебраических уравнений относительно постоянных С. Из условия равенства нулю определителя системы находятся постоянные коэффициенты С с точностью до произвольного множителя и собственные значения кт.

В отличие от методики определения собственных частот колебаний втулок ГОСТ 7274-70, ГОСТ 17919-72, выражение (5) является общим для любых граничных условий закрепления втулки и может применяться для описания случаев заделки втулки не только по краям, но и в любых промежуточных опорах.

Для втулки дизеля типа 48,5/11 была поставлена и решена следующая краевая задача:

Функции y'i(x) и уh(x), удовлетворяющие ДУ (2), задавались соответственно на областях от верхнего края втулки до нижнего посадочного пояса: 0 < х < хп, и от нижнего посадочного пояса до нижнего края: x„<x<L.

Верхний опорный пояс цилиндра обжимается усилием от затяга шпилек, крепящих крышку, и на этой границе было принято условие абсолютно жесткого закрепления, т.е. отсутствуют все три компоненты смещений, и выполняется условие равенства нулю поворотов поперечных сечений элементов оболочки, откуда следует:

v,(o)=o ; = (6)

В районе нижнего посадочного пояса радиальные смещения не равны нулю, но со стороны уплотнительных колец действуют упругие силы, пропорциональные радиальной компоненте деформаций втулки, так что здесь задаются нелинейные граничные условия 3 рода:

где у - коэффициент жесткости закрепления, определяемый упругими свойствами материала уплотнительных колец.

Для свободного нижнего края втулки x = L выполняются условия отсутствия изгибающих моментов и равенства нулю внутренних усилий:

¿V21 _ л ¿V21 _0 т

, 2 U=1 i j \x=L (8)

ах ах

Дополнительные уравнения связывают функции y/¡(x) и 41 ¡(х) :

¿Vil ,, <1гЩ ¿Vil -áV2 1 /п\

¿¿И* I' ¿¿I"*«' W

т.е. внутренние усилия в сечении оболочки х = хп скомпенсированы, а изгибающие моменты в х = хп равны.

Коэффициент жесткости заделки был определен как

r = М = 2,143-106tf/.*/2 , (10)

г

где 3 - момент инерции, Ек - модуль упругости, г - радиус осевой линии уплотнительного кольца.

Из условия равенства нулю определителя системы уравнений (6)-(9) было получено собственное значение к] для первой моды колебаний и все коэффициенты С с точностью до постоянного множителя А ¡, определившие нетривиальное решение задачи и форму изгибных деформаций втулки н-(х, <р) = у'(х) са$2(р. При этом полагалось, что высшие гармоники быстро затухают и фактически реализуется только первая частота, которая составила для данных условий закрепления втулки 2212 Гц.

Амплитуда смещений определялась в плоскости качания шатуна, где она имеет максимальное значение м>(х,0,7)= ,

в зависимости от действующих силовых нагрузок, в том числе локальной (удар поршня при перекладке в ВМТ) и распределенной (силы газового давления).

Радиальное смещение в месте удара поршня х = х0 , у = О определялось согласно теории удара С.П. Тимошенко для прогибов оболочек:

Мх0,()=—-^-зтщ(/-/с) = Л,у/,(х0)зт(/ - /с ), (11)

Р

О

Гг+ДГ

где /„ = |Рдг(г)с/г = тр\п - импульс, переданный поршнем при

'с

ударе стенке,

.Р- площадь сечения оболочки, АТ— время контакта поршня со стенкой,

гпр, уп - масса поршня и нормальная составляющая его скорости в момент соударения.

После окончания импульсного воздействия втулка совершает свободные колебания, радиальная компонента которых в плоскости качания шатуна была выражена следующим образом:

"сМ^ ^Ы . (12)

Р

о

По отклику системы на влияние сосредоточенного импульса были определены вынужденные перемещения под действием непрерывно распределенной силы давления газов:

—2-fn[x) (13)

pwxF\^*)d^ 0

О

где c(r)=h0 + — (l - cosa(r)) - расстояние от верхней кромки втулки

до поверхности поршня.

Результирующие вибрации поверхности втулки были представлены в виде суммы собственных колебаний от удара поршня, имеющего нормальное перемещение в направлении к стенке цилиндра под действием инерционных сил кривошипно-шатунного механизма и давления газа, а также вынужденных колебаний, происходящих под воздействием изменяющихся в цилиндре сил газового давления:

w(x, t) = wce (х, t) + wehlH (x, t). (14)

Для нахождения полной величины радиальных смещений для втулки 48,5/11 было проведено численное интегрирование выражения (14) с использованием компьютерной программы на языке Борланд Паскаль 7.0.

Рис.1. Расчетная осциллограмма вибраций втулки дизеля типа 48,5/11 в ходе рабочего процесса двигателя. Расчетная осциллограмма колебаний втулки в её

центральной части (х = 14слг) в ходе рабочего цикла при заданных

нелинейных краевых условиях, описывающих закрепление втулки в

блоке, приведена на рис.1. Она совпадает по форме с экспериментальной осциллограммой вибраций втулки дизеля 48,5/11, полученной группой исследователей H.H. Иванченко, A.A. Скуридиным и др. на работающем двигателе при той же частоте вращения коленвала.

В целях проверки адекватности разработанной модели был поставлен физический эксперимент, который описан в четвертой главе.

В ходе эксперимента определялись параметры вибраций цилиндровой втулки дизеля типа 48,5/11, находящейся в воздушной среде на свободных опорах при комнатной температуре, что соответствует внешним условиям, принятым в исходных моделях. Такие влияющие на частоту колебаний втулки в работающем двигателе факторы, как температурные поля, плотность прилегания буртов, равномерность затяжки шпилек крышки цилиндра, а также обтекающая втулку масса воды, оценивались и учитывались в расчетных схемах дополнительно.

В опытной установке цилиндровая втулка двигателя 48,5/11 закреплялась в штативе с помощью двух хомутов в районе верхнего посадочного и нижнего уплотнительного поясов. С внешней стороны на втулке были установлены два электромагнитных шумозащищенных датчика ДЕМШ-1. Датчики подключались к осциллографу "Bordo", который представляет собой встроенную плату на ЭВМ. Данный осциллограф осуществляет регистрацию и спектральный анализ осциллограмм. Шток, на котором были закреплены металлические бойки, приводился в движение вибратором. После упругого соударения бойка со стенкой втулка совершала свободные затухающие колебания в течение периода до следующего удара.

Вид полученных осциллограмм (рис.2) говорит о том, что в момент удара возбуждаются все гармоники, а затем форма сигнала становится близкой к синусоидальной, что свидетельствует о затухании высокочастотных компонент. Таким образом, сделанные в модели тонкостенного цилиндра предположения о фактической реализации только первой моды колебаний были подтверждены в ходе физического эксперимента.

время

Рис.2. Осциллограмма колебаний втулки 48,5/11 (режим 1840 об/мин).

По данным восьми измерений было определено значение частоты первой моды свободных колебаний втулки дизеля 48,5/11 со свободными опорами краев / = 1727 +198(Гц), что совпадает с частотой, полученной в рамках рассмотренной ранее модели тонкостенного цилиндра. Основная погрешность измерений частоты свободных колебаний втулки связана со случайным процессом сложения сигналов от предшествующих импульсов и дальнейшей погрешностью математической обработки суммированного сигнала встроенной программой "Bordo" - сглаживанием и выделением спектральных составляющих путем интегральных преобразований Фурье.

В пятой главе рассматривался другой подход к моделированию вибраций втулки, связанный с разработкой имитационной модели втулки как механической цепи двухполюсников, и поставлен виртуальный эксперимент.

На этапе моделирования каждой конкретной конструкции втулки возникают определенные трудности, связанные с учетом неоднородности толщины стенок цилиндра. Кроме того, необходимо сделать оценку влияния рассеяния энергии колебаний за счет демпфирующих свойств материала на частоту колебаний втулки. Поэтому на стадии проектирования узла или детали наряду с расчетной моделью желательно иметь модель виртуальную, которая имитирует физические свойства исследуемого объекта и позволяет получить необходимые данные путем измерений, проводимых в виртуальной среде. Исходя из этого, была поставлена задача

построить на основе анализа физических свойств цилиндровой втулки реализуемую на ЭВМ динамическую модель, учитывающую демпфирующие свойства материала и конструкционные особенности втулки в виде фланцев, посадочных поясов и.т.п.

Для решения поставленной задачи была реализована идея представления механической системы в виде соединения отдельных элементов - двухполюсников. Так, цилиндровая втулка типа 48,5/11 была смоделирована в виде механической цепи из десяти звеньев, каждое из которых обладает массой, жесткостью и демпфирующими свойствами и соответствует простым конструкционным составляющим, на которые можно условно разбить втулку: отдельные кольца и гладкий цилиндр. В цепи также были введены активные элементы, поставляющие энергию в механическую систему и возбуждающие ее движение (рис.3). Соединение звеньев с общим основанием моделировало свободные опоры краев втулки.

1

11 ¿А

0

! Л г: й /1 ! ! 1 м ; ;! М ; ! 1 1 ! | ■'

Рис.3. Модель механической цепи Рис.4. Виртуальный эксперимент, цилиндровой втулки двигателя 48,5/11. Осциллограмма свободных колебаний

втулки двигателя 48,5/1!. Параметры полученной эквивалентной схемы определялись по формуле С.П. Тимошенко для частоты собственных колебаний кольца:

2 Ш п2(п2-1?

® = 4 , гГл ' О5)

г ро \п +1)

где р - плотность материала кольца,

г, 3- радиус и площадь сечения кольца,

п - количество радиальных полуволн в поперечном сечении кольца.

Исходя из анализа данного соотношения, элемент жесткости кольца как звена эквивалентной схемы, был выражен следующим образом:

а массовый элемент -

Щ = М • О7)

Аналогичные соответствия были установлены и для цилиндра исходя из выражения для частоты собственных колебаний гладкого цилиндра длиной Ь:

\4

Г;

а1 "-т-. (18)

рд „2 /Г

Параметры демпфирования каждого звена определялись на основе справочных данных о логарифмическом декременте затуханий для материала втулки как

Ъ^-в^к^ (19)

я

Для реализации полученной имитационной модели и постановки виртуального эксперимента была выбрана среда автоматизированного проектирования электрических цепей Е\УВ.

Для перехода от механических параметров цепи к электрическим был применен метод электро-механических аналогий «сила-ток», т.е. установлено соответствие между обратной величиной коэффициента жесткости и индуктивностью, массой и емкостью, обратной величиной коэффициента демпфирования и электрическим сопротивлением. Таким образом, каждое звено механической цепи было заменено электрическим колебательным контуром и получена виртуальная экспериментальная установка, которая состояла из модели втулки, источника возбуждения колебаний и измерительного прибора - осциллографа.

Характер полученных осциллограмм вибраций (рис.4) показывает, что импульсное воздействие на систему возбуждает колебания сразу нескольких гармоник, а через некоторое время, составляющее -3,5 мс, высшие гармоники практически затухают.

Результаты измерений частоты первой моды приведены в следующей таблице:

Частота Длительность Период Частота

сигнала, Гц импульса, % колебаний, мкс колебаний/, Гц

200 1 522,959 1912,2

200 2 581,224 1720,5

Определенная в рамках модели тонкостенной цилиндрической оболочки собственная частота первой моды колебаний втулки, имеющей свободные опоры краев, составила / = 1874 Гц, т.е частоты вибраций, полученные в рамках обеих моделей, практически совпадают, что подтверждает правильность описания с их помощью физических процессов в реальном объекте. На основании данных виртуального эксперимента был сделан вывод, что влияние демпфирующих свойств материала втулки на частоту колебаний в данном случае весьма незначительно.

Хорошее согласие осциллограмм и значений частоты вибраций втулки, полученных на стендовой установке, и в среде Е\УВ, свидетельствует об адекватности построенной модели и возможности замены физического эксперимента виртуальным как менее затратным и более простым в постановке.

В шестой главе показано практическое применение разработанных моделей для теоретической оценки зон, наиболее подверженных эрозионным разрушениям, и определения вибрационных напряжений цилиндровых втулок при различных конструкционных решениях.

На основании полученных в рамках математической модели данных о частоте и распределении амплитуд вибраций втулки 48,5/11, закрепленной в блоке, был сделан расчет максимальных виброускорений Бс, текущего объемного износа V, и критерия кавитационного изнашивания 1к в плоскости качания шатуна.

Согласно структурно-энергетической теории Л.И. Погодаева, текущий объемный износ поверхностных слоев металла при вибрационной кавитации зависит от параметров вибрации

V,- = сота/4 • А2 =сот/5 -5", где и меняется от 0,54 до 2,0 при смене ведущих механизмов разрушения с малоцикловой на многоцикловую

поверхностную усталость. Как показали расчеты, максимальные значения объемного износа должны наблюдаться в средней части

втулки н в районе нижнего посадочног о пояса втулки. Здесь V, ~ 5\." , что соответствует интенсивному коррозионно-механическому разрушению при большом числе циклов ударного нагружения со стороны хавитирующей жидкости.

а) распределение расчетного текугпего объемного износа V, вдоль оси втулки в плоскости качания шатуна

б) фактическая картина разрушений втулки лиигатсля 48,5/11

и

1-7—

и 4—

I —

0,5 О

/

У

/

------

\

3 $ 7 9 II 13 15 17 расстояние от верха втулки х,см — — —- Критерий Пс---- Порог кавитации Ас ■ 1

а} распределение критерия кавита![ионного изнашивания 1к вдоль оси втулки в плоскости

качания шатуна.

Рис.5, Сопоставление расчетных критериев эрозионного изнашивания в плоскости качания шатуна с фактической картиной разрушений втулки двигателя

48,5/11.

В средней и нижней части втулки критерий кавитационного изнашивания 1к > 1, что свидетельствует о наличии в данной области наиболее благоприятных условий для развития кавитации. Картина фактических разрушений втулки полностью совпадает с теоретическими оценками местоположения зон, наиболее подверженных эрозии (рис.5).

На основании разработанного в диссертации метода нахождения собственных частот и форм изгибных колебаний втулки в зависимости от условий ее закрепления, были определены напряжения, возникающие во втулке в результате ее вибраций в ходе рабочего цикла двигателя.

Для втулки дизеля типа 48,5/11, работающего на режиме 980об/мин, с учетом сил давления газов и удара поршня при перекладках были получены амплитуды растягивающих и изгибающих вибрационных напряжений за рабочий цикл двигателя (рис.6) из следующих соотношений:

Е ди рЕ ди = --о9 = --2 —, (20)

1 - ц* дх * 1 - р1 дх где продольные деформации и выражены через функцию у/(х):

, ч Я ш(х) .

и\х,(р,Ц = —=- усо ыирътм. (21)

гГ сЬс

При монтаже цилиндровой втулки от затяжки шпилек крепления крышки возникают напряжения растяжения, значения которых в опасном сечении бурта втулки 48,5/11 составляют °тах =45МПа. Во время процессов сжатия и вспышки в цилиндре напряжения от затяга шпилек уменьшаются, и в этот период в опасном сечении бурта втулки образуется цикл напряжений с частотой -2000 Гц от астЫ=5М1Та до сгстах = 25МГ1а. После завершения процесса сгорания газа напряжения от затяга шпилек вновь увеличиваются до сгтах = 45 МП а, а амплитуда вибрационных напряжений становится незначительной.

Таким образом, динамические напряжения в области бурта втулки носят сложный характер: асимметричный цикл напряжений, возникающий от изменен™ сил давления газа в период работы двигателя, сопровождается сопоставимым по уровню высокочастотным циклом растяжений-сжатий с амплитудой 20 МПа в

период максимальных вибраций втулки. Максимальная величина размаха напряжений в таком сложном цикле для двигателя 48,5/1 I достигает 40 МПа. Возникающие от циклических напряжений под буртами втулки усталостные микротрещины становятся концентраторами напряжений и центрами эрозионных процессов, что приводит к дальнейшему углублению, развитию трещин и, в конечном счете, выходу втулки из строя.

значение напряжений, МГ1а

3 5 7 9 11 13 15 17 -45 У™„11М1 расстояние от верха втулки х, см шатуна

□ 0-0,5 И 0,5-1 □ (-1,5 □ 1,5-2 а 2-2,5 О 2,5-3 ■ 3-3,5

Рис. 6. Карта амплитуд вибрациинных напряжений втулки 48,5/11.

В качестве конструктивного решения, ведущего к снижению амплитуд асимметричных циклов напряжений, возникающих в области бурта втулки, автором предложено установить в месте прилегания горизонтальных посадочных поверхностей втулки и блока демпфирующую прокладку. При стандартной посадке втулки в зоне контакта втулки и рубашки смещение контактирующих поверхностей относительно друг друга определяется силами трения, зависящими ог свойств контактирующих поверхностей и усилий обжима фланца. При посадке втулки на демпфирующую прокладку радиальное смещение деформируемой втулки будет вызывать упругие силы со стороны прокладки, зависящие от ее жесткости с учетом давления сил от обжима фланцев и величины смещений.

3,5 значение 2,5 напряжений 2' МПа 1,5 : т

0,5 0' ^ШШМШНШШШ^' 1,3 /рр^гггппштштиптт?^ 0 > 3 5 7 9 11 ¡3 15 1745 угонит лл-ти расстояние от ьерла етулки х, см кап шатуна

□ 0-0,5 □ 0.5-1 □ 1-1,5 □ 1,5-2 а 2-2,5 а 2,5-3 Ш 3-3,5

Рис.7 Карта амплитуд вибрационных напряжений втулки 48,5/11 при заделке в блок с упругой прокладкой под верхним буртам.

Теоретическая оценка влияния упругого сопротивления деформациям втулки в районе бурта была выполнена с помощью математической модели тонкостенной цилиндрической оболочки с постановкой соответствующих краевых условий на верхнем крае втулки, на посадочной поверхности бурта, на нижнем посадочном поясе и на свободном нижнем крае втулки, всего 12 уравнений. Коэффициент жесткости прокладки превышал коэффициент жесткости уплотнительных колец в нижнем посадочном поясе в 100 раз. Как следует из карты напряжений для данных условий заделки втулки (рис.7), вибрационные напряжения под верхним посадочным буртом втулки снизились на порядок - до 0,2 У МП а. По оценке текущего объемного износа (рис.8) и критерия кавитацио иного изнашивания (рис.9) был сделан вывод о снижении интенсивности разрушений в области нижнего посадочного пояса по сравнению со стандартной заделкой втулки.

Таким образом, показано, что с помощью разработанных моделей можно определять зоны цилиндровых втулок, наиболее подверженные эрозионным разрушениям. Для втулки двигателя типа 48,5/11 осуществлено практическое применение модели в разработке нового конструкционного решения в целях повышения усталостной стойкости бургов втулок за счегг снижения виброускорений и вибрационных напряжений в опасных сечениях посадочных поясов.

расстояние от верха втулки х, см

Рис.8. Распределение текущего объемного износа в плоскости качания шатуна втулки дизеля типа 48,5/11 для стандартной заделки втулки в блок и для заделки с упругой прокладкой под буртом.

расстояние от керха втулки х, см

Рис.9. Распределение критерия кавитацнонного изнашивания Л в плоскости качания шатуна втулки дизеля типа 48,5/11 для стандартной заделки втулки в блок и для заделки с упругой прокладкой под буртом.

Основные выводы по работе

В ходе исследования автором были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих методов расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС и дана их оценка с точки зрения учета ими условий, существенно влияющих на параметры вибраций втулок. Показано, что такие факторы, как расположение посадочных поясов и условия закрепления в них втулки, определяющие форму, частоту колебаний, вибрационные и монтажные напряжения детали, влияние на амплитуду вибраций сил давления газов в цилиндре в ходе рабочего процесса двигателя, не находят полного отражения в существующих методах расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок, в том числе методиках ГОСТ 7274-70, ГОСТ 17919-72. Установлено, что результаты, полученные в рамках указанных методов, не дают удовлетворительного объяснения концентрации разрушений в районах посадочных поясов и под буртами втулок, где теоретические виброускорения малы, и, следовательно, не должно наблюдаться интенсивного эрозионного разрушения.

2. Разработана математическая модель, которая адекватно описывает физические процессы возбуждения и протекания колебаний

цилиндровых втулок в ходе рабочего процесса, что подтверждается согласованием расчетных кривых с экспериментальной осциллограммой вибраций втулки работающего двигателя. Показано, что данная модель позволяет вести расчет вибрационных характеристик при любом количестве опор и учитывать физические условия закрепления втулки в блоке путем постановки соответствующих краевых условий без нарушения общности расчетных методик. Показано также, что полученная модель может использоваться для оценки влияния конструкционных изменений втулок на уровни их вибрации и напряжений и, следовательно, использоваться для разработки оптимальных конструкций.

3. Разработана имитационная модель втулки и поставлен виртуальный эксперимент в среде автоматизированного проектирования ЕШВ для втулки двигателя типа 48,5/11, в ходе которого были получены осциллограммы вибраций, вызванных импульсным воздействием, и определена частота свободных затухающих колебаний.

4. Проверена адекватность разработанных моделей путем постановки физического эксперимента по определению частоты колебаний втулки 48,5/11. Получено хорошее согласование данных натурного и виртуального экспериментов.

5. С помощью разработанных моделей для втулки двигателя типа 48,5/11 проведена оценка наиболее подверженных эрозионным разрушениям зон поверхности со стороны охлаждения. Показано, что расчетные показатели текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания для данной конструкции монотонно возрастают вдоль оси цилиндра и достигают максимальных значений в районе нижнего посадочного пояса. Показано согласование расчетных показателей с фактической картиной разрушения втулки этого типа.

6. Выполнены расчеты вибрационных напряжений для втулки двигателя типа 48,5/11. Установлено, что максимум вибрационных напряжений наблюдается в зоне верхнего опорного бурта втулки. Определена амплитуда асимметричного цикла растягивающих напряжений в опасном сечении бурта втулки в зависимости от периода рабочего процесса двигателя.

7. Выполнена оценка влияния упругого сопротивления деформациям втулки в районе верхнего посадочного бурта на уровень напряжений, а также на показатели текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания. Показано, что установка демпфирующей прокладки под буртом втулки приводит к снижению амплитуд вибрационных напряжений в опасном сечении бурта на порядок, а также к снижению показателей текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания в районе нижнего посадочного пояса.

Список авторских публикаций по теме диссертации:

1. Валишин А.Г., Порошина С.О. Математическое моделирование при исследовании колебаний цилиндровых втулок в ДВС: Пятая международная конференция «Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов 85Ы'2005».-Калининград: БГАРФ, 2006,- с.220-226

2. Валишин А.Г., Порошина С.О. Методика расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС.: Тез. докл. XXVI Российской школы по проблемам науки и технологий.- Миасс: УрО РАН, 2006,- с.196-198

3. Порошина С.О., Валишин А.Г. Расчет вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС с учетом степени жесткости заделки втулки в цилиндровом блоке: Восьмая межвузовская научно-техническая конференция «Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров» - Калининград: БГАРФ, 2006.-с.139-143

4. Валишин А.Г., Порошина С.О. Методика расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС/ В кн.: Наука и технологии. Том 1. Труды XXVI Российской школы.-М.:РАН,2006. - с.240-247

5. Валишин А.Г., Порошина С.О. Моделирование вибраций цилиндровых втулок ДВС методом электро-механических аналогий. //Двигателестроение. -2007. - №1. - с. 12-14

Светлана Олеговна Порошина

МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВИБРАЦИЙ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК ТРОНКОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Автореферат

Лицензия № 021350 от 28.06.99 г Формат 60 х 84/16 Подписано в печать 28.03.2007. Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский отдел

Печать офсетная. Заказ 525-18

Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота

236029, Калининград, ул. Молодежная, 6

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. Коррозионно-эрозионное изнашивание в системах жидкостного охлаждения судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) как фактор, снижающий их эксплуатационную надежность.

1.1. Влияние виброакгивности и действующих напряжений на виды и локализацию разрушений охлаждаемых поверхностей цилиндровых втулок и блоков ДВС

1.2. Современная феноменологическая модель эрозионно-коррозионных разрушений в системах жидкостного охлаждения дизелей.

1.3. Конструктивные способы снижения уровня эрозионно-коррозионных разрушений поверхностей охлаждения ДВС и их анализ

Глава II. Анализ методов оценки интенсивности эрозионно-коррозионного изнашивания и определения вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС

2.1 Основные методы оценки интенсивности эрозионно-коррозионного изнашивания охлаждаемых поверхностей.

2.2. Расчет вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС/как составная часть задачи по определению интенсивности эрозионно-коррозионных и усталостных разрушений

2.3. Проблемы и задачи исследования щ

Глава III. Моделирование вибраций цилиндровой втулки ДВС как несимметрично нагруженной тонкостенной цилиндрической оболочки

3.1. Метод нахождения собственных частот и форм изгибных колебаний втулки для различных условий монтажа втулки в блок по условию минимума потенциальной энергии системы

3.2. Расчет собственных частот и форм колебаний втулки в случае жесткой заделки по нижнему посадочному поясу и свободной опоры по

4 верхнему опорному бурту

3.3. Расчет собственных частот и форм изгибных колебаний втулки в случае жесткой заделки по нижнему посадочному поясу и жесткой заделки верхнего опорного бурта.

3.4. Учет упругого сопротивления уплотнительных колец в нижнем посадочном поясе втулки

3.5. Расчет собственных частот и форм колебаний втулки в случае свободных опор верхнего и нижнего края

3.6. Расчеты собственных частот колебаний втулки дизеля типа 64 8,5/11 для различных условий заделки краев

3.7. Теоретическая оценка амплитуд колебаний втулки под воздействием локальной и распределенной силовых нагрузок

3.8. Расчет амплитуд колебаний для втулки дизеля типа 648,5/11 и анализ интенсивности эрозионных разрушений различных областей поверхности детали

Глава IV. Экспериментальные исследования вибрационных характеристик цилиндровых втулок на примере втулки дизеля типа 648,5/

4.1. Разработка и создание стендовой установки по исследованию колебаний

4.2 Результаты экспериментальных исследований вибрационных характеристик цилиндровой втулки двигателя 648,5/

Глава V. Моделирование вибраций цилиндровых втулок ДВС методом электро-механических аналогий и исследование различных конструкций втулок на виброактивность

5.1. Моделирование втулки в виде механической цепи элементарных двухполюсников

5.2. Эквивалентная схема механической цепи модели цилиндровой втулки.

5.3. Основные характеристики элементов механической цепи модели цилиндровой втулки.

5.4. Расчет параметров эквивалентной механической цепи модели втулки дизеля типа 48,5/

5.5. Способы нахождения амплитудно-частотных характеристик цепи модели цилиндровой втулки

9 5.6. Электромеханические аналогии

5.7. Виртуальный эксперимент по определению вибрационных характеристик цилиндровой втулки 48,5/11 в среде Electronics Workbench (EWB).

Глава VI. Определение вибрационных напряжений цилиндровых втулок высокооборотных двигателей и исследование зависимости напряжений от условий заделки втулки в блок

6.1. Расчет вибрационных напряжений цилиндровых втулок.

6.2. Меры по снижению циклических напряжений в галтели втулки

6.3. Расчет вибрационных напряжений на примере втулки дизеля 48,5/11 при наличии упругой подложки произвольной жесткости.

Коррозионно-эрозионное изнашивание в системах жидкостного охлаждения дизелей является фактором, снижающим их эксплуатационную надежность. Статистика отказов свидетельствует, что выбраковка цилиндровых втулок средне-и высокооборотных двигателей (СОД и ВОД соответственно) в 20-50% случаев происходит по причине эрозионных повреждений боковой поверхности и на посадочных поясах. Примерно столько же втулок выбраковывают из-за трещин под посадочными буртами. При этом по износу «зеркала» цилиндра наработка втулок составляет не более 60% от расчетного ресурса.

Согласно современным представлениям, эрозионные разрушения цилиндровых втулок развиваются в виде одновременно протекающих с различной интенсивностью процессов чисто механического разрушения при вибрационной кавитации, водородного охрупчивания и коррозии.

Анализ причин повреждений стенок втулок и образования трещин под посадочными буртами, результаты экспериментальных работ и эксплуатационных испытаний позволяют сделать вывод, что полностью исключить процессы эрозионно-коррозионных разрушений и образования трещин в большинстве типов эксплуатирующихся дизелей невозможно. Однако, изменения конструкции цилиндровых втулок, ведущие к снижению уровня вибраций, позволяют снизить интенсивность эрозионных разрушений и величину напряжений в опасных сечениях буртов и тем самым продлить срок службы втулок.

Несмотря на глубокие и обстоятельные исследования ученых Л.И. Погодаева, Н.Н. Иванченко, А.А.Скуридина, А.П. Пимошенко, O.K. Безюкова в области коррозионно-эрозионного разрушения поверхностей охлаждения судовых дизелей, многие актуальные вопросы продолжают оставаться не до конца решенными. Такими вопросами являются, в частности, влияние конструкционных особенностей втулок на уровни их вибраций и напряжений, учет фактических условий закрепления втулок в блоке цилиндров при создании расчетных моделей, проверка расчетов уровней вибраций цилиндровых втулок в виртуальных средах, разработка методов демпфирования колебаний и снижения кавитации охлаждающей жидкости.

Основной проблемой существующих в настоящее время методов расчета вибраций втулок цилиндров является то, что они не в полной мере отвечают задачам разработки оптимальных конструкций и оценки влияния конструкционных изменений втулок на уровни вибраций и напряжений. Отсутствие учета фактических условий закрепления втулки в блоке и воздействия на стенки сил газового давления в цилиндре, использование в методиках расчета эмпирических коэффициентов приводят к невозможности нахождения распределения амплитуд вибраций по поверхности втулки и применения данных методик на этапе конструирования детали. Так, внедренные на некоторых типах дизелей конструктивные меры в виде установки дополнительных опор и уплотнительных соединений с целью снижения уровня вибраций и защиты бурта от разрушений, приводили к негативным последствиям, которые не могли быть спрогнозированы на основе имеющихся расчетных моделей. В частности, указанные конструкционные изменения приводили к более интенсивному износу отдельных частей втулки, разрушению блоков и обрыву опор, в то время как согласно расчетам ожидалось снижение уровня вибраций.

В основе определения ресурса цилиндровых втулок лежит научная теория эрозионно-коррозионных разрушений при вибрационной кавитации и структурно-энергетическая модель изнашивания, которая устанавливает связь между долговечностью детали и уровнем действующих напряжений и виброускорений, определяющими ведущий механизм разрушения. Поэтому необходимость усовершенствования методов расчета и разработки новых подходов к оценке вибрационных характеристик цилиндровых втулок вызвана также тем, что при расчете ресурса втулки требуется учитывать наличие локальных зон интенсивных разрушений, обусловленных повышенными значениями виброускорений и напряжений в этих зонах.

В связи с изложенным выше, цель работы заключается в разработке методов моделирования вибраций цилиндровых втулок ДВС любых конструкций под воздействием локальных и распределенных внешних нагрузок. Разработанная модель должна удовлетворять следующим условиям:

- решать задачи по определению амплитуд и частот колебаний втулок и выявлению зон, наиболее опасных с точки зрения эрозии поверхности и усталостных разрушений материала;

- иметь возможность применения на стадии конструирования детали либо изменения существующих конструкций цилиндровых втулок;

- выступать основой при разработке оптимальных конструкционных решений с целью повышения ресурса втулок.

Для достижения цели были определены следующие основные задачи исследования:

1. Провести всесторонний анализ существующих методов расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС и оценку их теоретической базы.

2. Разработать математическую модель втулки для расчета вибрационных характеристик при любом количестве опор и их взаимном расположении с учетом условий посадки втулки на этих опорах и сил газового давления в цилиндре.

3. Разработать имитационную модель втулки и поставить виртуальный эксперимент по получению ее вибрационных характеристик путем прямых измерений в виртуальной среде.

4. Провести физический эксперимент для проверки адекватности разработанных моделей.

5. С помощью разработанных моделей оценить местоположение зон, наиболее подверженных эрозионным разрушениям, и показать практическое применение модели в разработке нового конструкционного решения с целью снижения вибрационных напряжений.

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе являются вибрационные процессы, приводящие к эрозионным разрушениям цилиндровых втулок и образованию трещин под буртами. Предметом исследования являются цилиндровые втулки тронковых средне- и высокооборотных судовых дизельных двигателей.

Методологическую и теоретическую основу моделирования вибрационных процессов и оценки их влияния на эрозионное разрушение цилиндровых втулок составили труды ученых Л.И. Погодаева, А.А. Самарского, С.Н. Кана, С.П. Тимошенко, Н.Н. Иванченко, А.А. Скуридина, А.П. Пимошенко, O.K. Безюкова,

B.В. Пахолко.

Для определения вибрационных характеристик цилиндровых втулок был использован метод математического моделирования, в котором втулка была представлена в виде статически неопределимой системы. Раскрытие статической неопределенности проводилось энергетическим методом, разработанным С.Н. Каном для цилиндрических оболочек. Определение компонент деформаций, являющихся функциями координат и времени, осуществлялось с использованием метода разделения переменных (метода Фурье) с получением однородного дифференциального уравнения (ДУ) четвертого порядка для функции, описывающей форму деформаций вдоль оси цилиндра. Корни характеристического уравнения полученного ДУ находились численным методом простых итераций из условия нетривиальной совместности системы линейных алгебраических уравнений, составляющих граничные условия задачи. Для их решения был использован матричный метод в соответствии с общей теорией систем линейных алгебраических уравнений. Для нахождения величины деформации втулки в месте удара поршня в момент его контакта со стенкой была использована теория удара

C.П. Тимошенко. Вынужденные колебания втулки под воздействием распределенной силы газового давления были получены методом построения функции влияния единичного сосредоточенного импульса. Расчет амплитуд вынужденных колебаний а также определение скорости поршня в момент его контакта со стенкой производились численным интегрированием уравнений движения с применением метода конечных разностей на основе теории разностных схем А.А. Самарского.

Для исследования процесса вибраций цилиндровых втулок был применен метод компьютерной имитации путем реализации на ЭВМ виртуальной математической модели, включающей систему динамических уравнений. При переходе от механических параметров модели к электрическим использовался метод электро-механических аналогий.

Для обработки экспериментальных данных, полученных в ходе натурного эксперимента, применялись методы математической статистики и теории вероятностей.

В качестве информационной базы исследования в диссертации были использованы научные источники в виде сведений и данных, в том числе экспериментальных, из книг, журнальных статей, материалов научных конференций, приведенных в библиографическом списке, а также результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

Научной новизной в работе обладают:

- метод расчета частот вибраций, позволяющий учитывать реальные условия заделки втулки в блок;

- учет изменяющихся сил давления газов в цилиндре и получение расчетной осциллограммы вибраций втулки;

- получение распределения амплитуд вибраций по поверхности втулки и определение зон, наиболее подверженных эрозионному разрушению;

- имитационная модель втулки и постановка виртуальных экспериментов по определению вибрационных характеристик втулки с учетом её конструкционных особенностей;

- исследования влияния упругих сопротивлений деформациям в местах закрепления втулок на их вибрационные характеристики.

В работе также впервые показано, что установка демпфирующей прокладки под буртом втулки приводит к снижению амплитуд асимметричных циклов изменения напряжений в области бурта и снижению виброускорений втулки.

Все теоретические исследования в работе выполнены автором самостоятельно, а экспериментальные исследования - в составе групп, возглавляемых научным руководителем работы. Автору принадлежит разработка математической модели и решение задачи по определению амплитуд вибраций втулок с учетом распределенных нагрузок методом построения отклика на импульсное воздействие, метод определения параметров звеньев эквивалентной схемы втулки при постановке виртуального эксперимента, оценка вибрационных напряжений в опасном сечении бурта втулки и предложения по разработке мер для снижения вибрационных напряжений.

Разработанные методы математического моделирования, виртуального эксперимента и имитационная модель цилиндровых втулок имеют практическую ценность, так как обеспечивают получение данных о вибрационных параметрах втулок без проведения серий натурных испытаний, что позволяет осуществлять подбор оптимальных конструкционных решений на этапе проектирования.

На основе разработанной математической модели получены практические данные влияния условий закрепления втулки в блоке, в том числе жесткости закрепления, на частоту и амплитуду вибраций, а также величину вибрационных напряжений в области бурта втулки СДВС типа 48,5/11.

Результаты работы приняты к внедрению в Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота в учебном процессе и научной работе курсантов и аспирантов судомеханического факультета.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1) Математическая модель вибраций втулки для различных условий заделки втулки в блок с учетом изменяющихся сил давления газов в цилиндре.

2) Имитационная модель втулки и постановка экспериментов в виртуальной среде для определения вибрационных характеристик втулки.

3) Влияние демпфирующей прокладки под буртом втулки на снижение её виброускорений и амплитуд асимметричных циклов изменения напряжений в области бурта.

Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Судовые энергетические установки» БГАРФ; восьмой межвузовской научно-технических конференции аспирантов, соискателей и докторантов БГАРФ (г.Калининград 2006г.); Пятой международной конференции «Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN'2005» (г.Калининград, БГАРФ); научно-технической конференции «XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий» (г.Миасс, 2006).

По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• В ходе исследования автором были выполнены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих методик расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС и дана их оценка с точки зрения учета ими условий, существенно влияющих на параметры вибраций втулок. Показано, что такие факторы, как расположение посадочных поясов и условия закрепления в них втулки, определяющие форму и частоту колебаний, влияние на амплитуду вибраций сил давления газов в цилиндре в ходе рабочего процесса двигателя, не находят полного отражения в существующих методиках расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок, в том числе методиках ГОСТ 7274-70, ГОСТ 17919-72. Установлено, что результаты, полученные в рамках указанных методик, не дают удовлетворительного объяснения концентрации разрушений в районах

• посадочных поясов и под буртами втулок, где теоретические виброускорения малы, и, следовательно, не должно наблюдаться интенсивного эрозионного разрушения.

2. Разработана математическая модель, которая адекватно описывает физические процессы возбуждения и протекания колебаний цилиндровых втулок в ходе рабочего процесса, что подтверждается согласованием расчетных кривых с экспериментальной осциллограммой вибраций втулки работающего двигателя. Показано, что данная модель позволяет вести расчет вибрационных характеристик при любом количестве опор и учитывать физические условия закрепления втулки в блоке без нарушения общности расчетных методик. Показано также, что

• полученная модель может использоваться для оценки влияния конструкционных изменений втулок на уровни их вибрации и напряжений и, следовательно, использоваться для разработки оптимальных конструкций.

3. Разработана имитационная модель втулки и поставлен виртуальный эксперимент в среде автоматизированного проектирования EWB для втулки двигателя типа 48,5/11, в ходе которого были получены осциллограммы вибраций, вызванных импульсным воздействием, и определена частота свободных затухающих колебаний.

4. Проверена адекватность модели путем постановки физического эксперимента по определению частоты колебаний втулки 48,5/11. Получено хорошее согласование данных натурного и виртуального экспериментов.

5. Проведена оценка с помощью разработанных моделей зон, наиболее подверженных эрозионным разрушениям, для втулки двигателя типа 48,5/11. Показано, что расчетные показатели текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания для данной конструкции монотонно возрастают вдоль оси цилиндра и достигают максимальных значений в районе нижнего посадочного пояса. Показано согласование расчетных показателей с фактической картиной разрушения втулки этого типа.

6. Выполнены расчеты вибрационных напряжений для втулки двигателя типа 48,5/11. Установлено, что максимум вибрационных напряжений наблюдается в зоне верхнего опорного бурта втулки. Определена амплитуда асимметричного цикла растягивающих напряжений в опасном сечении бурта втулки в зависимости от периода рабочего процесса двигателя.

7. Выполнена оценка влияния упругого демпфера деформациям втулки в районе верхнего посадочного бурта на уровень напряжений, а также на показатели текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания. Показано, что установка демпфирующей прокладки под буртом втулки приводит к снижению амплитуд вибрационных напряжений в опасном сечении бурта на порядок, а также к снижению показателей текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания в районе нижнего посадочного пояса.

1. Акользин П.А., Герасимова В.В., Герасимов В.В., Горбатых В.П. Локальная коррозия металла теплоэнергетического оборудования. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 272 с.

2. Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оболочек.- М.:Наука,1974. -446 с.

3. Ауэзов О.П. Оценка ударного импульса поршня при его перекладе // Двигателестроение. 1980. - №7. - С.24-26.

4. Безюков O.K. Основы комплексного совершенствования охлаждения судовых дизелей: Автореферат дис. докт. техн. наук. СПб., 1995. - 48с.

5. Безюков O.K. Феноменологическая модель эрозионно-коррозионных разрушений в системах жидкостного охлаждения дизелей // Трение, износ, смазка. 1999.- №3. - С.131-136.

6. Болотин В.В. Динамическая устойчивость упругих систем. М.:Гостехиздат, 1956.-600 с.

7. Бородин А.Н. Элементарный курс теории вероятностей и математической статистики. СПб.: Изд-во «Лань», 2004. - 256 с.

8. Борщевский Ю.Т., Мирошниченко А.Ф., Погодаев Л.И. Повышение кавитационной стойкости двигателей внутреннего сгорания. Киев: Вища школа, 1980. -208 с.

9. Валишин А.Г., Порошина С.О. Методика расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС/ В кн.: Наука и технологии. Том 1. Труды XXVI Российской школы.- М.:РАН,2006. С.240-247.

10. Валишин А.Г., Порошина С.О. Методика расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС.: Тез. докл. XXVI Российской школы по проблемам науки и технологий.- Миасс.: УрО РАН, 2006.- С.196-198.

11. Ваншейдт В.А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей. JL: Судостроение, 1969. - 639 с.

12. Веткина JI.B., Янчеленко В.А. Имитационная модель для оценки вибрационных потерь энергии в ДВС // Двигателестроение. 1985. - №4. - С.21-23.

13. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т./ Пред. ред.совета В.Н.Челомей. М.: Машиностроение, 1978. - Т.1. Колебания линейных систем. / Под ред. В.В. Болотина. - 352 с.

14. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т./ Пред. ред.совета В.Н.Челомей. М.: Машиностроение, 1981. - Т.5. Измерения и испытания. / Под ред. М.Д. Генкина. -496 с.

15. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем.- М.: Наука, 1967.- 984 с.

16. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1966.- 870с.

17. Ганиев Р.Ф., Кононенко В.О. Колебания твердых тел. М.: Наука, 1976. - 431 с.

18. Гоголицин М.А., Соцков Д.А. Влияние величины зазора в сопряжении гильза -блок на деформацию гильз цилиндров // Автомобильная промышленность. 1972. -№11.-С.1-3.

19. Гольденблат И.И., Сизов A.M. Справочник по расчету строительных конструкций на устойчивость и колебания. М.: Стройиздат, 1952. - 252 с.

20. Гольдсмит В. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел. /Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1965. - 448 с.

21. Гонткевич B.C. Собственные колебания пластин и оболочек. Киев: Наукова думка, 1964.-288 с.

22. Губанищев А.В., Пахолко В.В. Исследование влияния граничных условий на термонапряженность цилиндровой втулки дизеля // Тр. НКИ. Динамика и прочность судовых машин. 1982. - С.8-12.

23. Губанищев А.В., Пахолко В.В. К расчету толстостенных цилиндров, нагруженных изменяющимся по длине давлением и находящемся в температурном поле / В кн:Теория и практика модернизации и ремонта судов. М.: Морфлот, 1980.-С.42-47.

24. Губанищев А.В., Пахолко В.В. Определение температурных напряжений в осесимметричных деталях методом конечных элементов / В кн: Судостроение и судоремонт. М.: Морфлот, 1978. - Вып. X. - С.39-42.

25. Губанищев А.В., Пахолко В.В. Расчет спектра собственных колебаний судовых ® деталей с учетом температурного фактора по методу конечных элементов / В кн:

26. Судостроение и судоремонт. М.: Морфлот, 1980. - С.39-42.

27. Дизели и газовые двигатели. Втулки цилиндров чугунные. Общие технические условия: ГОСТ 7274-80. М.: Стандарты, 1980. - 9с.

28. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления / Пер. с англ. М.: Лаборатория базовых знаний Юнимедиастайл, 2002.- 831 с.

29. Дружинский И.А. Механические цепи. M.-JL: Машиностроение, 1977. - 240с.

30. Дудко П.П. Разработка комплекса методов снижения электроэрозионного износа в судовых дизелях: Автореферат дис. канд.техн.наук. -JL: ЛИВТ, 1989. -22 с.

31. Зинченко В.И., Карпунцев А.Е. Исследование удара поршня в тронковом дизеле• / Тр. ЦНИМФ. Техническая эксплуатация морского флота. Л.: Транспорт, 1971. -Вып.146. - С.93-108.

32. Иванченко Н.Н. Влияние конструкции дизеля и условий его работы на кавитационную эрозию втулок и блоков цилиндров //Энергомашиностроение. -1965 №12. - С.9-11.

33. Иванченко Н.Н. О вибрациях втулок легких дизелей и их влиянии на разъедание омываемых водой стенок / Тр. ЦНИДИ №26. Л.: Машгиз, 1952. -С.3-11.

34. Исследование и разработка методов повышения коррозионно-эрозионной стойкости цилиндровых втулок и блоков двигателей 6Д50М. Технический отчет ЦПКТБ ГУ «Севрыба» №052-38-006. Мурманск, 1976. - 28 с.

35. Исследование и разработка методов устранения причин разрушения поверхностей гильз и рубашек цилиндров дизелей. Технический отчет АПИ.• Барнаул, 1978.-56 с.

36. Кан С.Н. Строительная механика оболочек. М.: Машиностроение, 1966. -417с.

37. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. М.: COJIOH-Пресс, 2005. - 479с.

38. Керчер В.М., Богданов Ю.С., Киличерман Ю.Я. Исследование перекладки поршня быстроходного дизеля // Двигателестроение. 1981. - №10. - С.15-19.

39. Кильчевский Н.А. Динамическое контактное сжатие твердых тел. Удар. Киев: Наукова думка, 1976. - 319 с.

40. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / Под ред. А.П. Гусенкова. М.: Машиностроение, 1993. - 364 с.

41. Кондратьев Н.Н. Отказы и дефекты судовых дизелей. М.: Транспорт, 1985. -151 с.

42. Кочетков Е.А. Моделирование кавитационных процессов в полостях охлаждения судовых ДВС: Автореферат дис. канд. техн. наук. Астрахань, 2005. -25 с.

43. Кубенко В.Д., Ковальчук П.С., Подчасов Н.П. Нелинейные колебания цилиндрических оболочек: Учеб. пособие. Киев: Выща школа, 1989. - 208 с.

44. Лукаш Э.П. Определение спектра собственных частот судовых конструкций / В кн.: Судостроение и судоремонт. М.: Морфлот, 1973. - С. 81-84.

45. Меерович И.И. Приближенный метод определения частот свободных колебаний цилиндрических, конических и тороидальных оболочек / В кн.: Прочность и динамика авиационных двигателей. М.: Машиностроение , 1965. -Вып.2.-С. 148-172.

46. Миронов Г.Н., Аллабергенов М.Д. Математическая модель движения поршня в течение цикла в пределах теплового зазора // Двигателестроение. 1981. -№11. -С. 19-22.

47. Мисилев М.А., Тузов Л.В. Борьба с кавитационными разрушениями гильз цилиндров в быстроходных дизелях. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1969. - №6. -С.22.

48. Несущая способность и расчеты машин на прочность / С.В. Серенеен и др. М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.

49. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. JL: Судпромгиз, 1962.- 431 с.

50. Огибалов П.М. Вопросы динамики и устойчивости оболочек. М.: Изд-во МГУ, 1963.-419 с.

51. О'Донелл. Местные коэффициенты податливости осесимметричных соединений // Тр. американского общества инженеров-механиков. 1970. - Сер.В. -№4. - С.60-64.

52. Основы физики и техники ультразвука: Учебное пособие для вузов / Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский и др. М.: Высш. шк., 1987. - 352 с.

53. Особенности коррозии металлов в условиях теплопередачи // Защита металлов. 1991. - Т.27. - №4. - С.642-645.

54. Павлов Е.П. Оптимизация зазоров в сопряжении поршень-цилиндр дизелей типа Ч-ЧН/10,5/12 с учетом их деформированного состояния и перекладки поршня // Двигателестроение. 2004. - №3. - С. 18-20.

55. Павлов Е.П., Брежнев А.Л., Малинин И.Н. Расчетное исследование перекладки поршня с целью оптимизации конструктивных соотношений цилиндропоршневой группы дизеля // Двигателестроение. -2001. №1. - С.10-12.

56. Пахолко В.В. Исследование монтажных и динамических напряжений в цилиндровых втулках судовых малооборотных дизелей // Двигателестроение. -1983. -№1. С.20-22.

57. Пахолко В.В. Колебания и надежность цилиндровых втулок малооборотных ДВС // Двигателестроение. -1985. №2. - С.20-21.

58. Пахолко В.В. Расчет спектра собственных колебаний цилиндровой втулки двигателя // Двигателестроение. 1985. - №1. - С.20-28.

59. Пимошенко А.П. Защита судовых дизелей от кавитационных разрушений. Л.: Судостроение, 1983. - 120 с.

60. Пимошенко А.П. Предотвращение кавитационных разрушений дизелей // Анализ характерных аварийных случаев с судами флота рыбной промышленности и рекомендации по их предупреждению. 1973. - Вып.27. С.13-17.

61. Пимошенко А.П., Кошелев И.В. Кавитационные разрушения в малооборотных дизелях. Мурманск, 1974. - 54 с.

62. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Вибропоглощающие свойства конструкционных материалов: Справ. Киев: Наукова думка, 1971.- 376 с.

63. Погодаев Л.И. Износостойкость материалов и деталей машин при гидроабразивном и кавитационном изнашивании: Автореферат дис. докт. техн.наук М., 1979. - 46 с.

64. Погодаев Л.И., Голубев П.Ф. Теория и практика прогнозирования износостойкости и долговечности материалов и деталей машин. СПб.: СПбГУВК, 1997.-415 с.

65. Погодаев Л.И., Пимошенко А.П., Капустин В.В. Эрозия в системе охлаждения дизелей. Калининград: Академия транспорта РФ, 1993. - 325 с.

66. Погодаев Л.И., Шевченко П.А. Гидроабразивный и кавитационный износ судового оборудования. Л.: Судостроение, 1984. - 264 с.

67. Погодаев Л.И., Цветков Ю.Н., Хомякова Н.Ф. Влияние жесткости напряженного состояния на износостойкость материалов при гидро- и ударноабразивном изнашивании. МиТОМ, 1997. - №4.

68. Полипанов И.С. Защита систем охлаждения дизеля от кавитационного разрушения. Л.: Машинотроение, 1978. - 150 с.

69. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в 3-х т. / Под ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968. Т.1 -831 е.; Т.2 -463 е.; Т.З -567 с.

70. Рождественский В.В. Кавитация. Л.: Судостроение, 1977. - 248 с.

71. Скуридин А.А. Метод расчета кавитационных разрушений гильз рабочих цилиндров дизелей // Вопросы износостойкости и надежности судовых дизелей. -Сборник статей. Л.: Транспорт, 1973. - С.99-105.

72. Скуридин А.А Развитие теории и создание методов расчета кавитационных разрушений полостей охлаждения дизелей: Автореферат дис. докт. техн.наук. Л: ЛПИ им. М.И. Калинина, 1980 г. - 45 с.

73. Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей / Е.А. Никитин и др. М.: Машиностроение, 1974. - 208с.

74. Справочник по динамике сооружений / Под ред. Б.Г. Коренева и И.М. Рабиновича. М.: Стройиздат, 1972. - 511 с.

75. Справочник по теории упругости / Под ред. П.В. Варвака и А.Ф. Рябова. Киев, Буд1велышк, 1971. - 418 с.

76. Стативкин Г.П., Скуридин А.А., Пирогов A.M. Вибрация как основной фактор разрушения в дизелях //Двигателестроение. 1980. - №12. - С.18-19.

77. Статика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций/ А.В. Кармишин, В.А. Лясковец и др. М.: Машиностроение, 1975. - 375 с.

78. Стечишин М.С., Некоз А.И., Погодаев Л.И, Протопопов А.С. // Трение и износ. 1990. -Т.П. - №3. - С.454-463.

79. Танатар Д.Б. Дизели. Компоновка и расчет. Л.: Морской транспорт, 1963. -439с.

80. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле : Пер. с англ. М.:Машиностроение, 1985. - 472 с.

81. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики: Учеб. пособие. М.: Наука, 1972. - 735 с.

82. Трофимова Т.Н. Курс физики: Учеб. пособие. М.: Высшая школа, 2001. -541с.

83. Тярасов А.К. Методика расчета виброускорений дизельных втулок и рубашек втулок цилиндров подвесного типа // Двигателестроение. 1983. - №2. - С.13-14.

84. Францевич И.Н., Воронов Ф.Ф., Бакута С.С. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов: Справочник. Киев: Наукова думка, 1982. -286с.