автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Моделирование напряженно - деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ ИВАН ЛЮДВИГОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК ЧЕТЫРЕХТАКТНЫХ

ДИЗЕЛЕЙ

4843951

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

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Калининград 2011 4 А К \

4843951

Работа выполнена в ФГОУ ВПО (Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования) Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ковальчук Леонид Игнатьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Корягин Сергей Иванович

кандидат технических наук, доцент Толмачев Александр Викторович

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет»

Защита состоится 20 апреля 2011 года в 15 часов на заседании диссертационного совета ДМ 307.002.02 при Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота по адресу: 236029, г. Калининград, ул. Молодежная, д. 6, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота (236029, г. Калининград, ул. Молодежная, д.6, ауд.270, читальный зал).

Электронная версия автореферата размещена на официальном сайте БГАРФ «то. Ь§аг£ ги -16 марта 2011г.

Автореферат разослан 18 марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного сов

д.п.н., профессор

Бугакова Н.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальпость работы. Основная проблема современного дизеле-строения - последовательное улучшение удельных энергетических, экономических и экологических показателей двигателей различного назначения - наиболее полно и динамично разрешается посредством форсирования рабочих процессов. Возможности этого направления сдерживаются все возрастающим уровнем механических и тепловых нагрузок, неизменно сопутствующих над дуву двигателей.

В этих условиях надежность современных форсированных двигателей в значительной степени определяется работоспособностью деталей, образующих камеру сгорания. Многочисленные случаи отказов деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей самых различных назначений заставляют все более тщательно подходить к оценке условий работы этих деталей на стадии проектирования и в эксплуатационных условиях.

Среди деталей ЦПГ втулка цилиндра занимает особое положение, как по выполняемым функциям, так и по требованиям к ней предъявляемым. Особое значение 1шеет при этом обеспечение работоспособности верхней части втулки, которая подвержена воздействию монтажных усилий, максимальных механических и тепловых нагрузок. Поэтому поиск путей форсирования рабочих процессов при ограниченном росте механической и тепловой напряженности цилиндровых втулок составляет одну из основных задач, которую приходится решать конструкторам и исследователям.

Анализ опубликованных подходов к решению задачи напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей показывает, что последовательное форсирование дизелей по среднему эффективному давлению потребовало существенного пересмотра некоторых положений конструирования этой детали. В первую очередь эти изменения относятся к конструктивному оформлению наружной поверхности втулок и в дизелях последних модификаций достигаются посредством применения различных способов их закрепления в блоке.

Способ закрепления втулки в блоке является одним из наиболее эффективных конструктивных факторов, определяющих условия работы втулки и, следовательно, оказывающий влияние на все показатели, которыми принято характеризовать её напряженно - деформированное состояние, включая виброактивность и процессы теплоотдачи в охлаждающую воду.

В настоящее время достаточно отчетливо определилась тенденция, в соответствии с которой конструктивное оформление полостей охлаждения форсированных четырехтактных дизелей выполняется та-

ким способом, при котором исключается охлаждение нижней части цилиндровой втулки.

Такое конструктивное решение обеспечивается постановкой дополнительных опор и позволяет:

- выровнять температуру цилиндровой втулки по высоте и уменьшить сё напряженно-деформированное состояние от воздействия тепловых нагрузок;

- уменьшить энергопотребление в системе охлаждения и её емкость;

- улучшить тепловые условия протекания рабочего процесса на долевых режимах работы двигателя и экономические показатели;

-повысить жесткость блок - картера.

Из изложенного следует, что поиск путей ограничения роста механической и тепловой напряженности цилиндровых втулок представляет собой комплексную задачу, в которой наряду с проработкой более рациональных конструктивных форм следует признать целесообразными и практически важными теоретические разработки, призванные дать достаточно ясное представление о закономерностях распределения напряжений и деформаций вдоль образующей втулки и обоснованные рекомендации но размещению дополнительных опор.

Объект исследования. Цилиндровые втулки четырехтактных дизелей различного назначения.

Предмет исследования. Напряженно-деформированное состояние цилиндровых втулок четырехтактных дизелей.

Цель исследования. Моделирование напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок от воздействия переменных газовых и тепловых нагрузок.

Поставленная цель достигается постановкой и решением нижеследующих задач.

1.Исследование напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей от воздействия переменных механических и тепловых нагрузок.

2. Разработка метода для сравнительной оценки уровня тепловой напряженности деталей ЦПГ дизелей различного назначения.

3. Теоретическая оценка виброактивности цилиндровых втулок четырехтактных дизелей при различных способах их закрепления в блоке.

4. Разработка метода контроля тепловой напряженности деталей ЦПГ в эксплуатационных условиях.

На защиту выносятся:

1. Математические модели для оценки напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырёхтактных дизелей от воздействия переменных газовых и тепловых нагрузок, а

также результаты теоретической оценки их виброактивности в зависимости от способов закрепления в блоке.

2. Метод для сравнительной оценки тепловой напряженности деталей ЦПГ дизелей различного назначения.

3. Метод контроля напряженности деталей ЦПГ от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях.

Научная новизна результатов исследования состоит в том, что разработанные математические модели позволяют в каждом конкретном случае определять закономерности изменения напряженно-деформированного состояния вдоль образующей, т.е. обоснованно решать вопрос о размещении дополнительных опор, оперативно контролировать предельные тепловые нагрузки по цилиндрам двигателя в эксплуатационных условиях.

Теоретическая значимость выполненных исследований состоит в том, что предложены новые методы количественного описания тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду и контроля напряженности деталей ЦПГ от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях.

Практическая ценность выполненных в работе исследований состоит в том, что они позволяют более обоснованно назначить геометрические размеры элементов цилиндровых втулок на стадии их проектирования, сократить трудоемкость и затраты на экспериментальные доводочные исследования; контролировать в процессе эксплуатации двигателя уровни предельных нагрузок, т.е. рационально расходовать ресурс деталей цилиндропоршневой группы.

Достоверность н обоснованность полученных в работе научных результатов определяется использованием инженерных методов построения математических моделей, базирующихся на рабочих гипотезах, обоснованных экспериментальными исследованиями, привлечением обширных статистических данных и результатов испытаний двигателей.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на конференциях «Надежность и эффективность технических систем» в КГТУ в 2005, 2006 г. г;

- на 8, 9 и 10-ой межвузовских научно - технических конференциях аспирантов и соискателей БГА в 2007, 2008, 2009 г.;

- на ХХ111 межвузовской научно - практической конференции профессорско-преподавательского состава КПИ ФСБ РФ в 2008г;

- на межотраслевой научно - технической конференции, посвященной 100-летию заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д.т.н., профессора Истомина П.А., С - П. ГМТУ, г. С- Петербург, 2008г.;

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, из которых две в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объем работы составляет 159 страниц машинописного текста, 47 рисунков. Список литературных источников включает 93 наименования, приложения на 18 страницах.

Содержание работы

В первой главе дана оценка современного состояния выполненных исследований напряженно-деформированного состояния элементов цилиндровых втулок четырехтактных дизелей от воздействия газовых и тепловых нагрузок.

Показано, что создание точных методов исследования с учетом влияния всевозможных, часто лишенных практического значения факторов, связано со сложностью расчета и недостаточной очевидностью распределения усилий в элементах конструкций. Математика до сих пор не располагает методами решения в замкнутой форме сложных дифференциальных уравнений высокого порядка в частных производных. Экспериментальное исследование работы конструкции в каждом отдельном случае практически неосуществимо. Все эти затруднения способствовали появлению прикладных инженерных методов расчета, базирующихся на рабочих гипотезах, которые обычно основаны на _ экспериментальных исследованиях. Инженерные методы расчета нашли широкое применение, т.к. дают возможность наглядно представить и объяснить физическую картину силового взаимодействия отдельных частей конструкций и ими сравнительно легко пользоваться.

Большой вклад с современную теорию расчета оболочек внесли С.П. Тимошенко, В.З. Власов, В. Н. Беляев, С.Н. Кан, работы которых положены в основу строительной механики тонкостенных конструкций. Вопросы напряженно-деформированного состояния цилиндрических оболочек рассматривались в работах H.H. Иванченко, A.A. Ску-ридина, А.П. Пимошенко.

Развитие дизелей за последние годы предопределило появление многочисленных новых проблем. В частности, достаточно отчетливо наметилась тенденция применения в четырехтактных дизелях цилиндровых втулок с укороченными зарубашечными полостями охлаждения. Однако, в опубликованных исследованиях недостаточно полно отражено влияние на напряженно-деформированное состояние цилиндровых втулок воздействий переменных газовых и тепловых нагрузок и отсутствуют обоснованные рекомендации по размещению дополнительных опор.

На этой основе сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе выполнено исследование напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей от воздействия переменных газовых и тепловых нагрузок.

Поставленные задачи решаются методами вариационного исчисления. Такой выбор обусловлен тем, что эти методы позволяют получить сравнительно простые расчетные зависимости, учитывающие основные факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние элементов цилиндровой втулки, включая условия её закрепления в блоке.

В такой постановке задача определения напряжений и деформаций цилиндрической оболочки, нагруженной любыми осесимметрич-ными внешними силами, сводится к решению дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами вида

где коэффициент

к

4 _ ES _ 3-(lV)

ARcp*-Du R%-52 , (2)

E — модуль упругости материала, МПа; 8 - толщина стенки оболочки, м; Rcp — средний радиус оболочки, м;

Du = ^ - цилиндрическая жесткость оболочки.

(i - коэффициент Пуассона.

Общее решение уравнения (1) будет следующим: W(x) = e"fa(C, sin кх + С2 cos кх)+ еь(С} sin bc + C4 cos кх)+ W4; (3) W4 - частное решение дифференциальное уравнения, определяемое

видом функции Р(х);

Сi, С2, C¡, С4 - постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий.

Последующая оценка напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки от воздействия переменной подвижной газовой нагрузки производится с учетом нижеследующих предпосылок.

1. Из теории тонкостенных цилиндрических оболочек следует, что при значениях безразмерного параметра К *L> 2л, где L - длина оболочки, напряженно-деформированном состояние сечений, расположенных ближе к одному из торцов конструкции, практически не зависит от граничных условий на другом конце системы. У выполненных конструкций цилиндровых втулок произведение K*L значительно больше 2л.

2. На такте расширения газовая нагрузка на поверхность цилиндровой втулки интенсивно снижается. При перемещении поршня от верхней мертвой точки на одну треть полного хода газовая нагрузка во всех случаях уменьшается примерно в десять раз. С учетом процесса свободного выпуска становится равной нулю до прихода поршня в нижнюю мертвую точку.

3. С целью упрощения определения частного решения W4 непрерывная функция, характеризующая изменение давления на такте расширения, заменяется набором дискретных значений давления в над-поршневой полости, каждое из которых соответствует фиксированным положениям поршня. Посредством этого решение задачи о напряженно-деформированном состоянии цилиндровой втулки от воздействия переменной газовой нагрузки сводится к определению максимальных радиальных перемещений от набора ступенчато изменяющихся давлений, а суммарный эффект определяется как огибающая максимальных значений радиальных перемещений.

С учетом названных предпосылок в последующем предполагается, что напряженное и деформированное состояние верхней части втулки не зависит от граничных условий на нижнем торце, т.е. постоянные Сз и С4 в уравнении (3) равны нулю и решением дифференциального уравнения (1) будет

W(x) = е-ь (Cj sin кх + С2 cos kx) + W4 , (4)

где IVч = í Р(а) - постоянное давление на каждом шаге вычислений.

Для оценки влияний граничных условий на верхнем торце втулки на закономерности изменения напряженного и деформированного состояния вдоль образующей втулки рассмотрены два предельных варианта:

1. жесткая заделка верхнего торца;

2. свободное опирание верхнего торца. Первый вариант. Граничные условия: WMU=0 - отсутствуют радиальные перемещения; И4.-С ~ 0 " отсутствуют повороты сечений. Первое условие дает

С2 + = 0 > С2=-Р(а)

4X*D, ' 2 4K*DU ' Второе условие приводит к равенству

К(С, - С,) = 0; С = С2 = —

2 4K*DU

Следовательно, выражения для оценки закономерностей изменения деформаций и напряжений вдоль образующей втулки при жесткой заделке верхнего торца будут следующими:

Щх) = -^ф- [1 - е^ш кх - собЬ;)] .

4л Д,

от = [l —crfa(sinh"-cosfar)l.

" 4K*Da-BJ J'

(5)

(6)

mx =-Д ■ r7(x)=■ e~b(s\rkx-cosfcr) _ (7)

Вариант второй. Граничные условия: ^WUo = 0 ■ отсутствуют радиальные перемещения; П'"(х)\ы. = 0 - отсутствуют изгибающие моменты.

Первое условие дает С2 = —-, а второе - Ci = 0.

Для второго варианта заделки верхнего торца втулки выражения для оценки закономерностей изменения деформаций и напряжений вдоль образующей будут следующими:

сг=—-(1-е -cosfcx). /чу,

4 4АД ■ Rcp ' (9)

Да) -ь • ,

-smbc. (Ю)

В качестве примера выполнены расчеты закономерностей изменения JFf^ вдоль образующей втулки дизеля ЧН 13/14 для двух вариантов заделки опорного бурта с шагом по углу поворота кривошипа Aip =10°. Результаты расчета представлены графически на рис. 1,2. На рис.3 приведены совмещенные огибающие зависимостей W(x) для двух вариантов заделки. Видно, что переход от варианта жесткой заделки к варианту свободного опирания сопровождается увеличением радиальных перемещений и смещением максимума в сторону верхнего торца втулки. Из выражений (6) и (9) следует, что закономерности изменения окружных напряжений сгДх) повторяют закономерности изменения W(х) в другом масштабе.

Для первого варианта заделки опорного бурта выполнены расчеты закономерностей изменения изгибающих моментов т(х) по зависимости (7). Результаты расчета представлены графически на рис. 4. Максимальных значений моменты достигают непосредственно в за-

делке (х~0), с увеличением X интенсивно уменьшаются и при Х=0,02 практически принимают нулевые значения.

По нашему мнению, полученные аналитические выражения для оценки деформаций и напряжений от воздействия переменных подвижных газовых нагрузок могут быть использованы для обоснования места размещения третей дополнительной опоры с целью снижения напряженно-деформированного состояния верхней части цилиндровых втулок форсированных четырехтактных дизелей.

При оценке теплонапряженности деталей, ограничивающих камеру сгорания, в инженерных расчетах обычно пользуются средней по времени величиной удельного потока теплоты, средними температурами деталей и температурными перепадами в стенках. Для этого необходимо знать величину удельного потока теплоты, определяемую по зависимости,

и зависящих от неё средних по поверхности температурных перепадов в стенках

^Тст=Чср{, (12)

где - тепловые потери в систему охлаждения, кДж/ч\

Ри, - общая охлаждающая поверхность рабочего цилиндра, м7\ <7*. - относительная потеря теплоты в систему охлаждения; От - часовой расход топлива, кг/ч;

- низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг.

Практическое использование формулы (11) возможно при наличии достоверных данных о величине относительных тепловых потерь в охлаждающую воду.

В отличие от известных формул, в данной работе для оценки относительных тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду предлагается использовать трансцендентную зависимость вида

где Рте - среднее эффективное давление, МПа; ^-эффективный кпд;

Са К1 К2 (Сп) - подлежащие определению параметры.

Очевидно, что равенство левой и правой частей уравнения (13) может быть достигнуто только посредством подчинения определенным закономерностям изменения функций К, (7\1У) и (С„). Для определения этих закономерностей использованы обширные статистические данные об относительных потерях теплоты в охлаждающую воду двухтактных (42ед.) и четырехтактных дизелей (27ед.). Вычислительный процесс реализуется последовательно по соотношениям

Закономерности изменения К< (р„) и К? (Сп) для двухтактных дизелей приведены на рис. 5а, б, а для четырехтактных на рис. 6а,б.

1-?. = с0-М -кр^-кАсЛ

(13)

(14)

к2(см)

0,2 -

0,25

в г

0,15

3

!

0,1 -

2

0,05 ~

4,0 6,0

8,0

10,0 12.0

012345678 рэ^тр 11

Ст, м/сек

Рис. 5 а, б.

1

» »г |

; 1 | * 1 : ♦ч •

1 !

9,0

11.0 13,0 Ст, м/сек

Рис. 6. а, б.

Если учесть, что численные значения параметров Рте,г]е заданы с погрешностями, то по расположению точек на рис. 5 аД и 6 а,б можно сделать заключение о том, что зависимости К! и К2 (С^ являются не случайными. Эти закономерности аппроксимированы степенными функциями. В результате для оценки относительных тепловых потерь в охлаждающую воду получены следующие уравнения: - двухтактные дизели

1-^ = 0,7171

■ четырехтактные дизели

1-^ = 0,5739

Че

г0,0261 _ £0,0601 .

'•с!

(15)

(16)

В каждом конкретном случае уравнения (15) и (16) могут быть решены методом последовательных приближений. С учетом того, что у современных дизелей дн. < 0,2, посредством логарифмирования , разложения функции 1п(1-ду,) в степенной ряд и удержанием в разложении только первых двух слагаемых, на основе зависимостей (15) и (16) получены замкнутые расчетные формулы: - для двухтактных дизелей

1 + /„

- 2 • /„ 0,7171 - 0,0522/,Д - 0,1202/„Ся

- для четырехтактных дизелеи

Я,:

-(1 + /„—) +11Ч — I - 2 • /„ 0,5 739 - ОД 242/„^„ - 0,2921„Ст

(17)

Формулы (17) и (18) позволяют оценить удельные потери в охлаждающую воду с погрешностью не превышаюшей ± 30 %.

Дня решения задачи напряженно-деформированного состояния элементов цилиндровой втулки от воздействия переменного по длине осесимметричного температурного ноля использовано уравнение (1) с другой правой частью

4*'.Ж(Х) = (19)

где т0=^~^Ви-1вт{х) (20)

Для определения вида функции ? вт(х) использованы результаты измерения температуры вблизи горячей поверхности гильзы цилиндра дизеля ЧН 13/14 при работе по нагрузочной характеристике, представленные на рис.7а

\Г

i -»—ф

0,1

0,2

0,3

Рис. 7а,б..

С достаточно высокой степенью достоверности (R2 = 0,9967) зависимость tsm = f(X) аппроксимирована полиномом третей степени

ten = -12882X3 + 7447,2Х2 -1431,\Х + 205,96. (21)

В последующем принимается, что напряженное и деформированное состояние верхней части гильзы не зависит от граничных условий на нижнем торце, т.е. постоянные C¡ и С4 принимаются равными нулю и решением уравнения (19) с учетом (20) будет

W(x) = е~ь(с, - sin кх + с2- cos кх) + W4 (22)

где = ^^(14894,4-77292Х). (23)

Поскольку втулке должно быть обеспечено свободное расширение от нагрева как в осевом, так и в радиальном направлениях, то граничные условия для определения постоянных С] и С2 приняты следующими:

I г, ¿г»Чд)| -п I т-. £/'Я'(*)1 п ГЪЛ\

Эти условия дают:

Су

2 к2Фи и 2 2к1.0и . (25)

В результате для оценки полных радиальных перемещений в произвольном сечении втулки вдоль образующей получено выражение:

Пх)=2к2^е~*х • тхо{со$кх-%ткх)+а' ('+<и)(1489,4-77292У). (26)

В качестве примера на рис. 76 приведена закономерность изменения \У(х) рассчитанная по (26). Видно, что от воздействия тепловой нагрузки радиальные перемещения достигают максимальных значений при х = 0, интенсивно уменьшаются и X = 0,06 практически принимают нулевые значения.

В третьей главе исследовано влияние условий закрепления втулки в блоке на её виброактивность.

При несимметричной форме колебаний элементы цилиндровой втулки будет деформироваться в трех направлениях, что сопровождается радиальными \¥(х,(р,л), окружными х(х,(р,1) и продольными и(х,<р,{) смещениями. При наличии указанных смещений выражение для полной потенциальной энергии цилиндровой втулки на единицу её длины имеет вид:

п=|н'X* X (27)

где т9 и Х(р - изгибающие моменты и изменение кривизны в поперечных сечениях втулки.

Закон изменения радиальных перемещений элементов втулки представлен в виде произведения трех функций

м> = цг (х) ■ созп ср ■ зт , (28)

где - ц/(х) неизвестная функция, изменяющаяся по длине втулки; п - 2,3,4 - числа натурального ряда, выражающие число полуволн, укладывающееся в окружности поперечного сечения втулки при её колебаниях.

Принятый закон изменения радиальных перемещений основан на принципе Рэлея, который предложил брать в качестве формы, близкой к первой основной форме колебаний, форму статической деформации системы от нагрузки, приложенной к упругой системе или приблизительно совпадающей с этой нагрузкой.

С учетом выражений (27) и (28), известных из теории упругости зависимостей для окружных и продольных перемещений, на основании теоремы о минимуме потенциальной энергии упругой системы и уравнения Эйлера вариационной задачи, получена расчетная формула для квадрата круговой частоты собственных колебаний цилиндровой

втулки

2 ( ß 4 -(D -n* + 5 -E -Rcp 2)+Dun4 (n2-l)2

/7) — -u-

2S-p-Rcp 4 [( ^ 2 + « 2 (»2 + 1)] -(29)

Для различных условий закрепления втулки в блоке структура формулы (29) сохраняется. Изменяются лишь множители ß, характеризующие формы колебаний вдоль образующей втулки, для определения которых в работе использованы уравнения частот поперечных колебаний балок.

В работе определены значения корней ß, соответствующие первой форме колебаний, для следующих вариантов закрепления втулки в блоке.

Вариант /Втулка крепится на двух шарнирных опорах, (ß = 3,143).

Вариант II. Один конец втулки жестко заделан, а другой - свободно оперт (ß = 3,93).

Вариант III. Один конец жестко заделан, а другой свободен (ß~

1,875).

Вариант IV. Концевые условия приняты следующими: на конце х - 0 - жесткая заделка; конец х = L - свободен; промежуточную опору считаем шарнирной и расположенной на расстоянии х/ = L/2 от начала координат, (ß = 3,143)

Вариант V. Концевые условия приняты следующими: на конце х = 0 - жесткая заделка; конец х = L - свободное опирание; промежуточную опору считаем шарнирной и расположенной посредине пролета ß= 5,235.

Для приближенной оценки радиальных перемещений стенки втулки в процессе колебаний использована зависимость, заимствованная из работ H.H. Иванченко и A.A. Скуридина

■^вт — Днях — ^ст ~Аст{К„ — 1) — . , (30)

со -М„р-т

где А ет - радиальное перемещение массы втулки в процессе колебаний;

Атах -максимальное радиальное перемещение приведенной массы втулки при динамическом воздействии силы Р; А - р

лст ~ ' радиальное перемещение приведенной массы втулки

при статическом воздействии силы Р;

Kq -1 + - коэффициент динамичности нагрузки;

Т = - период колебаний;

Р = 0.0ШД^-)2 • Мх - величина ударной силы, действующей на стенку

втулки при перекладке поршня на такте расширения; <5,- зазор в сопряжении «поршень-втулка»;

(р - угол поворота коленчатого вала, на котором происходит перекладка поршня;

М, - масса кривошипно-шатунного механизма, совершающая возвратно-поступательное движение; _ Ф

т - - время перекладки поршня на такте расширения вблизи ВМТ; ,, _ я-К-Ь-5-р

мпр ~ _ . приведенная масса втулки ;

г-внгС—^-1-)

Кср, Ь, 8 - радиус срединной поверхности, длина и толщина стенки втулки;

т - число полуволн вдоль образующей, характеризующее форму колебаний втулки;

С; = с0 + хв - расстояние от верхней кромки втулки до точки, соответствующей положению оси поршневого пальца при повороте вала на угол <р\

с0 - расстояние между верхней кромкой цилиндровой втулки и осью пальца при положении поршня в ВМТ;

х3 =-|(1-соз^)- расстояние, которое проходит поршень от ВМТ при повороте коленчатого вала на угол (р.

Рис.8. Зависимости Авт =/(со)и а? -/(К/1) для цилиндровой втулки двигателя ЧН13/14 при различных <5.

ЧН19/21

На основании (29) и (30) дана оценка амплитудно-частотных характеристик цилиндровых втулок дизелей 415/18, 419/21 и ЧН 13/14 при различных способах их закрепления в блоке. Результаты расчетов представлены графически на рис.8 и рис.9. Видно, что постановка третей дополнительной опоры является эффективным средством воздействия на амплитудно-частотную характеристику цилиндровой втулки, при этом собственные частоты резко увеличиваются, а амплитуды -уменьшаются.

В четвертой главе разработан метод контроля напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях. В основу метода положены следующие предпосылки.

Совокупность свойств, заложенных в конструкцию двигателя в процессе проектирования и определяющих его способность с заданным качеством вырабатывать механическую энергию, характеризуется полем режимов, допустимых для длительной эксплуатации. Под упомянутым полем понимается часть координатной плоскости Ре - п, ограниченная слева и справа вертикалями птиг=сот1 и пн = сотг, сверху - верхней ограничительной характеристикой; снизу - нижней ограничительной характеристикой или координатной осью п.

Положение границ описанного поля определяется только свойствами двигателя и не зависит от свойств потребителя энергии, т.е. оно обладает свойством инвариантности относительно возможных режимов работы двигателя. Следовательно, для оценки условий функционирования деталей цилиндропоршневой группы в исходном состоянии, на основе входных в рабочий цилиндр и выходных из рабочего

цилиндра параметров (информативные параметры) необходимо сформировать количественную структуру, которая во всех точках поля давала бы постоянное численное значение, т.е. обладала свойством инвариантности относительно возможных возмущений со стороны потребителя.

В такой постановке задача формирования инвариантных количественных структур сводится к установлению явного вида уравнения

^ (аи а2, аз,-, а„;хь х2, хз,...х„) = 0, (31)

где - аи а2, а}< ...а„- определяющие, т.е. независимые переменные; XI, х2, хз, ...х„ - определяемые параметры, т.е. зависимые переменные.

Последовательность вычислительных операций по установлению явного вида уравнения (31) показана на конкретном примере.

В качестве исходной информации использованы результаты стендовых испытаний по серии нагрузочных характеристик двигателя ДРН 45/75 фирмой - изготовителем, представленные в трехмерной координатной системе ^ ~ Ст — п (см рис. 10). В последующих вычислениях использованы относительные значения информативных параметров:

— ^т .Т . ¿г _ П

Я С-= 1 ' ~п~ ■ (32

ит« 1 "н

В данном случае характер зависимостей tg = /(Сот) можно безошибочно определить по рис.10. Каждая из них может быть аппроксимирована полиномом первого порядка

(8=хгит+х2, (33)

а вся серия нагрузочных характеристик аппроксимируется системой полиномов первого порядка:

1- г8 = 0,6055■ Ст + 0,3925; 2. Л, = 0,638• 5т + 0,3742;

3. г?= 0,6732-ат+ 0,3593; 4. =0,713-вт +0,3469; (34)

5. / =0,7625-вт + 0,3319; 6. ¡е = 0,7714-&т +0,3307.

Система уравнений (34) позволяет выявить закономерности изменения параметров X, =/(п) и Х2 = /(я) уравнения (33), которые представлены графически на рис.11 . Эти закономерности аппроксимированы полиномами первого порядка

х, = -0,4409-л +1,0422 ; х2= 0,16-й+О,2295. (35)

После подстановки (35) в (33) получено уравнение поверхности, образованной смещением зависимости = /(Си)

¡^ =(-0,4409-Я +1,0422) Сш+(0,16-п +0,2295). (36)

Рис.11.

Посредством тождественных соотношений

т &Ц ТЫ а • уравнение (36) приводится к виду:

1№= (-0,4409 • п2 +1,0422 • п) — + (0,16 ■ ,7+0,2295). (37)

Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что теплонапряженность деталей, ограничивающих камеру сгорания, не превышает уровень теплонапряженности номинального режима работы, если выполняется условие >1,0 . На этой основе, полагая в (37) -=- = 1,0, получено уравнение ограничительной характеристики по тепловой напряженности первого цилиндра двигателя ДРН 45/75

[г^] = (-0,4409 • и 2 +1,0422 + (ОД 6 • п + 0,2295). (38)

По описанной выше методике, уравнения типа (38) могут быть получены для каждого цилиндра конкретного двигателя и, следова-

тельно, определены предельно допустимые величины температуры отработавших газов по цилиндрам, исключающие их тепловую перегрузку при наблюдаемых значениях параметров и,Pint и Tint.

При практическом использовании уравнений типа (38) следует учитывать, что условием отсутствия тепловой перегрузки цилиндра является выполнение неравенства:

'я^и, (39)

где tg - замеренная относительная величина температуры отработавших газов на контролируемом режиме работы двигателя; [fgp] - предельно допустимая величина температуры отработавших газов, вычисленная по формуле (38).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе методами вариационного исчисления получены математические модели, позволяющие в каждом конкретном случае обосновано решить вопрос о размещении дополнительной промежуточной опоры и величины охлаждения верхней части цилиндровой втулки с целью уменьшения её напряженно-деформированного состояния от воздействия переменных тепловых и газовых нагрузок, снизить энергопотребление в системе охлаждения и её емкость, улучшить тепловые условия протекания рабочего процесса на долевых режимах работы двигателя и экономические показатели.

2. Предложен новый метод расчета относительных тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду, в основу которого положены трансцендентные зависимости, обеспечивающие методу универсальность и приемлемую для практических приложений точность.

3. Результаты расчетов виброактивности цилиндровых втулок при различных способах их закрепления в блоке показывают, что постановка третей дополнительной опоры является эффективным средством изменения амплитудно-частотной характеристики втулки, при этом частоты собственных колебаний увеличиваются, а амплитуды радиальных перемещений уменьшаются, что способствует снижению эффективности протекания кавитационных разрушений охлаждаемой наружной поверхности.

4. Для контроля напряженно-деформированного состояния деталей ЦПГ от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях, предложен говый метод расчета ограничительной по тепловой напряженности характеристики, в основу которого положены инвариантные относительно режимов работы двигателя количественные структуры. Разработанная методика практического применения ограничительной характеристики позволяет оперативно контролировать тепловую напряженность деталей цилиндропоршневой группы по цилиндрам на произвольном режиме работы двигателя.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Алексеев И.Л., Ковальчук Л.И. Трансцендентные зависимости для оценки тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду // Двигате-лестроение. - 2009. № 1. - С. 18 - 20.

2. Ковальчук Л.И., Алексеев И.Л. Аналитический способ задания универсальных характеристик ДВС // Автомобильная промышленность.-2010. №2.-С9-11.

Статьи, опубликованные в прочих научных изданиях:

3. Алексеев И.Л., Ковальчук Л.И. Косвенные зависимости для оценки тепловых потерь в охлаждающую воду // Надежность и эффективность технических систем: Международный сборник научных трудов,- Калининград: КГТУ, 2005.- С.132-139.

4. Алексеев И.Л., Ковальчук Л.И. Теоретическая оценка собственных колебаний цилиндровых втулок дизелей при различных условиях закрепления в блоке // Надежность и эффективность технических систем: Международный сборник научных трудов.- Калининград: КГТУ, 2006,-С. 4-10.

5. Алексеев И.Л., Ковальчук Л.И. Влияние параметров вибрации на интенсивность кавитационных разрушений вибрирующих в жидкостях поверхностей // Технические и другие виды обеспечения охраны государственной границы: Материалы XXIII межвузовской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава «Проблемы и перспективы совершенствования охраны государственной границы и объектов».- Научно-методический сборник № 23. Часть 2. -Для курсантов, адъюнктов и преподавателей. Калининград: КПИ ФСБ России, 2008. - С.107-111.

6. Алексеев И.Л., Ковальчук Л.И. Оценка радиальных перемещений стенки цилиндровой втулки в процессе колебаний .// Технические и другие виды обеспечения охраны государственной границы: Материалы XXIII межвузовской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава «Проблемы и перспективы совершенствования охраны государственной границы и объектов».- Научно-методический сборник № 23. Часть 2. -Для курсантов, адъюнктов и преподавателей. Калининград: КПИ ФСБ России, 2008. - С. 112114.

7.Ковальчук Л.И., Алексеев И.Л. Оценка напряженно-деформированного состояния опорного фланца цилиндровой гильзы дизеля от затяжки силовых шпилек // Научно - технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров: Материалы восьмой межвузовской научно - технической конференции

аспирантов, соискателей и докторантов (20 - 21 апреля 2006 г.). - Калининград: БГАРФ, 2006. - С. 98-103.

8. Ковальчук Л.И., Алексеев И.Л. Теоретическая оценка напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок дизелей от воздействия подвижной переменной нагрузки // Научно - технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров: Материалы восьмой межвузовской научно - технической конференции аспирантов, соискателей и докторантов. - Калининград: БГАРФ, 2006. - С. 103-108.

9. Ковальчук Л.И., Алексеев И.Л. Трансцендентные зависимости для оценки тепловых потерь двухтактных дизелей в охлаждающую воду // Актуальные проблемы развития поршневых ДВС: материалы межотраслевой научно-технической конференции.- СПб.: Издательский центр СПбГМТУ, 2008. - С. 110 - 113.

10. Ковальчук Л.И., Алексеев И.Л. Оценка основных факторов, определяющих тепловую напряженность деталей цилиндропоршневой группы П Научно - технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров: Материалы восьмой межвузовской научно - технической конференции аспирантов, соискателей и докторантов (11-12 ноября 2008 г.). - Калининград: БГАРФ, 2009. -С. 125- 127.

11. Ковальчук Л.И., Алексеев И.Л. Методика расчета ограничительной характеристики дизелей по механической напряженности // Научно - технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров: Материалы девятой межвузовской научно - технической конференции аспирантов, соискателей и докторантов / Сост: М.Ю. Никишин / Под. Ред. Н.А. Костриковой. - Калининград: Издательство БГАРФ, 2010. - С. 152-157.

Издательство БГАРФ

Объем 1,0 уч.изд.л. Заказ № 44 Тираж! 00

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. Условия работы цилиндровых втулок четырехтактных дизелей и способы оценки их напряженно-деформированного состояния. Цель и задачи исследования.

1.1. Общие положения.

1.2. Характеристика конструктивных элементов цилиндровых втулок четырехтактных дизелей.

1.3. Факторы, определяющие механическую напряженность цилиндровых втулок.

1.4. Факторы, определяющие тепловую напряженность цилиндровой втулки.

1.5. Напряжения от температурных колебаний на рабочей поверхности цилиндровой втулки.

1.6. Способы оценки напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки от воздействия тепловых и силовых факторов.

1.7. Методы оценки виброактивности цилиндровых втулок.

1.8. Методы оценки теплоотдачи в зарубашечном контуре двигателя.

1.8.1. Особенности теплообмена в зарубашечном контуре двигателя.

1.8.2. Методика оценки теплоотдачи в охлаждающую жидкость для однофазовых потоков.

1.8.3. Методы оценки теплоотдачи в охлаждающую жидкость при неразвитом поверхностном кипении.

1.9. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА II. Исследование напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок от воздействия механических и тепловых нагрузок.

2.1 .Теоретическая оценка напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки от воздействия подвижной переменной нагрузки.

2.2. Анализ результатов экспериментальных и расчетных исследований по* влиянию- монтажных усилий на напряженно-деформированное состояние цилиндровых втулок.

2.3. Оценка основных факторов, определяющих тепловую • напряженность деталей цилиндропоршневой группы.

2.4. Исследование тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду.

2.5.Оценка напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки от воздействия переменного по длине осесимметричного температурного поля с линейным изменением температуры по толщине стенки.

ГЛАВА III. Исследование виброактивности цилиндровых втулок дизелей при различных способах их закрепления в блоке.

3.1. Влияние параметров вибрации на интенсивность кавитационных разрушений вибрирующих в жидкостях поверхностей.

3.2. Разыскание частот и форм свободных колебаний цилиндровых втулок четырехтактных дизелей без промежуточных опор.

3.3.Теоретическая оценка частот и форм свободных колебаний цилиндровых втулок четырехтактных дизелей с промежуточными опорами.

3.4. Оценка радиальных перемещений стенки цилиндровой втулки в процессе колебаний.

3.5. Примеры расчетов виброактивности цилиндровых втулок четырехтактных дизелей.

ГЛАВА IV. Оценка напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки в эксплуатационных условиях.

4.1. Механическая и тепловая напряженность цилиндровой втулки на эксплуатационных режимах.

4.2. Влияние эксплуатационных факторов на теплонапряженность цилиндровой втулки.

4.2.1. Загрязнение элементов системы газообмена.

4.2.2. Техническое состояние деталей цилиндропоршневой группы.

4.2.3. Техническое состояние и регулировка топливной аппаратуры.

4.3. Методы контроля напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок в эксплуатационных условиях.

4.4. Пример расчета ограничительной характеристики по тепловой напряженности.

Основная- проблема современного дизелестроения - последовательное улучшение удельных энергетических, экономических и экологических показателей двигателей различного назначения - наиболее полно и динамично- разрешается« посредством- форсирования^ рабочих процессов. Возможности этого направления сдерживаются^ все возрастающим, уровнем механических и тепловых нагрузок, неизменно сопутствующих наддуву двигателей.

В этих условиях надежность современных форсированных двигателей в значительной степени ' определяется работоспособностью- деталей, образующих камеру сгорания. Многочисленные случаи отказов, деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей самых различных назначений заставляют все^ более тщательно подходить, к оценке условий работы* этих деталей на стадии проектирования и в эксплуатационных условиях.

Среди деталей ЦПГ втулка цилиндра занимает особое положение,' как по выполняемым функциям, так и по требованиям к ней предъявляемым. Особое значение имеет при этом обеспечение работоспособности верхней части втулки, которая подвержена воздействию монтажных усилий, максимальных механических и тепловых нагрузок. Поэтому" поиск путей форсирования рабочих процессов^ при ограниченном росте механической-и тепловой напряженности цилиндровых втулок составляет одну из основных задач, которую приходится решать конструкторам и исследователям.

Анализ опубликованных подходов к решению задачи напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей показывает, что последовательное форсирование дизелей по среднему эффективному давлению потребовало существенного пересмотра некоторых положений конструирования этой детали. В первую очередь эти изменения относятся к конструктивному оформлению наружной поверхности втулок и в дизелях последних модификаций достигаются посредством применения различных способов их закрепления в блоке.

Способ закрепления^ втулки в блоке является» одним из наиболее эффективных конструктивных факторов, определяющих условия работы, втулки и, следовательно, оказывающий влияние на все показатели, которыми» принято характеризовать её напряженно - деформированное состояние, включая виброактивность и процессы теплоотдачи в охлаждающую воду.

В настоящее время. достаточно отчетливо определилась тенденция, в соответствии с которой, конструктивное оформление полостей охлаждения, форсированных четырехтактных дизелей1 выполняется таким способом, при*, котором исключается охлаждение нижней части цилиндровой втулки.

Такое конструктивное решение обеспечивается постановкой-дополнительных опор и позволяет:

- выровнять температуру цилиндровой втулки по высоте и уменьшить её напряженно-деформированное состояние от воздействия тепловых нагрузок;

- уменьшить энергопотребление в системе охлаждения и-её емкость;

- улучшить тепловые условия протекания рабочего процесса- на долевых режимах работы двигателя и экономические показатели;

-повысить жесткость блок - картера.

Из изложенного следует, что' поиск путей ограничения роста" механической и тепловой напряженности цилиндровых втулок представляет собой комплексную задачу, в которой наряду с проработкой' более рациональных конструктивных форм следует признать целесообразными и практически важными теоретические разработки, призванные дать достаточно ясное представление о закономерностях распределения напряжений и деформаций вдоль образующей втулки и обоснованные рекомендации по размещению дополнительных опор.

Объект исследования. Цилиндровые втулки четырехтактных дизелей различного назначения.

Предмет исследования. Напряженно-деформированное состояние цилиндровых втулок четырехтактных дизелей.

В первой главе дана оценка современного состояния- выполненных исследований напряженно-деформированного состояния элементов, цилиндровых втулок четырехтактных дизелей от воздействия газовых и тепловых нагрузок.

Показано, что создание точных методов-исследования'с учетом-влияния' всевозможных, часто лишенных практического значения факторов, связано' со сложностью расчета и недостаточной очевидностью распределения усилий в. элементах конструкций. Математика до сих пор не располагает методами решения в замкнутой форме сложных дифференциальных уравнений высокого порядка в частных производных. Экспериментальное исследование работы конструкции в каждом отдельном случае практически неосуществимо. Все эти затруднения способствовали появлению прикладных инженерных методов расчета^ базирующихся на рабочих гипотезах, которые обычно основаны на экспериментальных исследованиях. Инженерные методы расчета нашли широкое применение, т.к. дают возможность наглядно представить и объяснить физическую картину силового взаимодействия отдельных частей конструкций и ими сравнительно легко пользоваться.

Большой вклад с современную теорию расчета оболочек внесли С.П. Тимошенко, В.З. Власов, В. Н. Беляев, С.Н. Кан, работы которых положены в основу строительной механики тонкостенных конструкций. Вопросы напряженно-деформированного состояния цилиндрических оболочек рассматривались в работах H.H. Иванченко, A.A. Скуридина, А.П. Пимошенко.

Развитие дизелей за последние годы предопределило появление многочисленных новых проблем. В частности, достаточно отчетливо наметилась тенденция применения в четырехтактных дизелях цилиндровых втулок с укороченными зарубашечными полостями охлаждения. Однако, в опубликованных исследованиях недостаточно полно отражено- влияние на напряженно-деформированное состояние цилиндровых втулок воздействий переменных газовых и тепловых нагрузок и отсутствуют обоснованные рекомендации по размещению дополнительных опор.

На этой основе сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе выполнено исследование напряженнодеформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей от воздействия переменных газовых и тепловых нагрузок.

Поставленные задачи решаются5 методами вариационного исчисления. Такой выбор обусловлен тем, что эти методы позволяют получить сравнительно простые расчетные зависимости, учитывающие основные факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние элементов цилиндровой втулки, включая условия её закрепления в блоке.

Показано, что в такой постановке задача определения напряжений и деформаций цилиндрической оболочки, нагруженной любыми осесимметричными внешними силами, сводится к решению дифференциального уравнения четвёртого порядка с постоянными коэффициентами.

Последующая оценка напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки от воздействия переменной подвижной газовой нагрузки производится с учетом нижеследующих предпосылок.

1. Из теории тонкостенных цилиндрических оболочек следует, что при значениях безразмерного параметра К *Ь > 2%, где Ь — длина оболочки, напряженно-деформированном состояние сечений, расположенных ближе к одному из торцов конструкции, практически не зависит от граничных условий на другом конце системы. У выполненных конструкций цилиндровых втулок произведение К*Ь значительно больше 2тс.

2. На такте расширения газовая нагрузка на поверхность цилиндровой втулки интенсивно снижается. При перемещении поршня от верхней мертвой точки на одну треть полного хода газовая нагрузка во всех случаях уменьшается примерно в десять раз. С учетом процесса свободного выпуска становится равной нулю до прихода поршня в нижнюю мертвую точку.

3. С целью упрощения определения частного решения 1¥ч непрерывная функция, характеризующая изменение давления на такте расширения, заменяется набором дискретных значений давления в надпоршневой полости, каждое из которых соответствует фиксированным положениям поршня. Посредством этого решение задачи о напряженно-деформированном состоянии цилиндровой втулки от воздействия переменной газовой нагрузки сводится к определению максимальных радиальных перемещений от набора ступенчато изменяющихся давлений, а суммарный эффект определяется как огибающая максимальных значений радиальных перемещений.

С учетом названных предпосылок в последующем предполагается, что напряженное и деформированное состояние верхней части втулки не зависит от граничных условий на нижнем торце, что позволяет вдвое уменьшить число постоянных в решении дифференциального уравнения.

Для оценки влияний граничных условий на верхнем торце втулки на закономерности изменения напряженного и деформированного состояния вдоль образующей втулки рассмотрены два предельных варианта:

1. Жесткая заделка верхнего торца.

2. Свободное опирание верхнего торца.

Выполненные расчеты закономерностей изменения ¡¥(х) вдоль образующей втулки показывают, что переход от варианта жесткой заделки к варианту свободного опирания сопровождается увеличением радиальных перемещений и смещением максимума в сторону верхнего торца втулки.

По нашему мнению, полученные аналитические выражения для оценки деформаций и напряжений от воздействия переменных подвижных газовых нагрузок могут быть использованы для обоснования места размещения третей дополнительной опоры с целью снижения напряженно-деформированного состояния верхней части цилиндровых втулок форсированных четырехтактных дизелей.

При оценке теплонапряженности деталей, ограничивающих камеру сгорания, в инженерных расчетах обычно пользуются средней по времени величиной удельного потока теплоты, средними- температурами деталей и температурными перепадами в. стенках. Для этого необходимо знать величину удельного потока теплоты, который в свою очередь зависит от относительных тепловых потерь в охлаждающую воду. В отличие от известных формул, в данной работе для оценки относительных тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду использованы трансцендентные зависимости, на основе которых получены сравнительно простые расчетные зависимости, устанавливающие взаимосвязь этих потерь от основных показателей рабочего процесса, поверхности охлаждения и средней скорости поршня.

Для решения задачи напряженно-деформированного состояния, элементов цилиндровой втулки от воздействия переменного по длине осесимметричного температурного поля использованы- указанные выше предпосылки с учетом закономерностей изменения температурьь вблизи рабочей поверхности втулки. В результате получено выражение, позволяющее в каждом конкретном случае определить закономерности-изменения радиальных перемещений вдоль образующей.

В третьей главе исследовано влияние условий закрепления втулки в» блоке на её виброактивность. Задача решается методами вариационного исчисления. Получена замкнутая расчетная формула для квадрата круговой частоты несимметричных собственных колебаний цилиндровой втулки, учитывающая формы колебаний в окружном и продольном направлениях, геометрические размеры втулки, механические характеристики материала и способы закрепления втулки в блоке. Рассмотрено пять вариантов закрепления, включая два варианта с промежуточными опорами. Для приближенной оценки радиальных перемещений стенки втулки в процессе колебаний использована зависимость, заимствованная'из работ H.H. Иванченко и A.A. Скуридина. На основании этой зависимости и полученной формулы для квадрата круговой частоты собственных колебаний дана оценка амплитудно-частотных характеристик цилиндровых втулок дизелей

415/18, 419/21 и ЧН 13/14 при различных способах их закрепления в блоке. Показано, что постановка третей дополнительной опоры является эффективным средством воздействия на амплитудно-частотную характеристику цилиндровой втулки, при этом собственные частоты резко увеличиваются, а амплитуды — уменьшаются.

В четвертой главе разработан новый метод контроля напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях. В основу метода положены следующие предпосылки.

Совокупность свойств, заложенных в конструкцию двигателя в процессе проектирования и определяющих его способность с заданным качеством вырабатывать механическую энергию, характеризуется полем режимов, допустимых для длительной эксплуатации. Под упомянутым полем понимается часть координатной плоскости Рс - п, ограниченная слева и справа вертикалями nmm=const и пн — const; сверху - верхней ограничительной характеристикой; снизу - нижней ограничительной характеристикой или координатной осью гг. Положение границ описанного поля определяется только свойствами двигателя и не зависит от свойств потребителя энергии, т.е. оно обладает свойством инвариантности относительно возможных режимов работы двигателя. Следовательно, для оценки условий функционирования^ деталей цилиндропоршневой группы в исходном состоянии, на основе входных в рабочий цилиндр и выходных из рабочего цилиндра параметров (информативные параметры) необходимо сформировать количественную структуру, которая во всех точках поля давала бы постоянное численное значение, т.е. обладала свойством инвариантности относительно возможных возмущений со стороны потребителя. В такой постановке задача формирования инвариантных количественных структур сведена к установлению явного вида уравнения поверхности, устанавливающего взаимосвязь между входными в рабочий цилиндр (независимые переменные) и выходными из рабочего цилиндра зависимые переменные) параметрами. В зависимости от технических возможностей контроля параметров в эксплуатационных условиях для построения ограничительной характеристики могут быть использованы различные входные и выходные параметры. В работе для построения ограничительной характеристики использованы параметры воздуха перед впускными органами двигателя, частота вращения коленчатого вала, температура отработавших газов по цилиндрам двигателя. Последовательность выполнения вычислительных операций показано на конкретном примере.

В результате выполненных исследований на защиту выносится:

1. Математические модели для оценки напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырёхтактных дизелей от воздействия переменных газовых и тепловых нагрузок, а также результаты теоретической оценки их виброактивности в зависимости от способов закрепления в блоке.

2. Метод для сравнительной оценки тепловой напряженности деталей ЦПГ дизелей различного назначения.

3. Метод контроля напряженности деталей ЦПГ от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях.

Выводы:

- изложенный в данной главе исследования подход позволяет формировать ограничительные по тепловой напряженности характеристики на основе стендовых испытаний двигателя и традиционно контролируемых параметров рабочего процесса. В каждом конкретном случае может быть установлено максимальное количество подлежащих контролю параметров, на основе которых может быть построена ограничительная характеристика; с использованием стандартных возможностей персональных компьютеров, разработанная форма представления ограничительной характеристики позволяет оперативно оценить допустимость уровня тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы на произвольном режиме работы двигателя в диапазоне изменения частоты вращения п min < п < пн. Важно также отметить, что при этом автоматически учитывается влияние изменения параметров окружающей среды на протекание ограничительной характеристики;

- при наличии аппаратурных средств, позволяющих осуществлять оперативный контроль среднего индикаторного давления в эксплуатационных условиях, могут быть сформированы ограничительные характеристики, в которых tg или Pz замещены средним индикаторным давлением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе результатов выполненных в данной работе исследований напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей сделаны нижеследующие выводы:

1. В работе методами вариационного исчисления получены математические модели, позволяющие в каждом конкретном случае обосновано решить вопрос о размещении дополнительной промежуточной опоры и величины охлаждения верхней части цилиндровой втулки с целью уменьшения её напряженно-деформированного состояния от воздействия переменных тепловых и газовых нагрузок, снизить энергопотребление в системе охлаждения и её емкость, улучшить тепловые условия протекания рабочего процесса на долевых режимах работы двигателя и экономические показатели.

2. Предложен новый метод расчета относительных тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду, в основу которого положены трансцендентные зависимости, обеспечивающие методу универсальность и приемлемую для практических приложений точность.

3. Результаты расчетов виброактивности цилиндровых втулок при различных способах их закрепления в блоке показывают, что постановка третей дополнительной опоры является эффективным средством изменения амплитудно-частотной характеристики втулки, при этом частоты собственных колебаний увеличиваются, а амплитуды радиальных перемещений уменьшаются, что способствует снижению эффективности протекания кавитационных разрушений охлаждаемой наружной поверхности.

4. Для контроля напряженно-деформированного состояния деталей ЦПГ от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях, предложен новый метод расчета ограничительной о тепловой напряженности характеристики, в основу которого положены инвариантные относительно режимов работы двигателя количественные структуры. Разработанная методика практического применения ограничительной характеристики позволяет оперативно контролировать тепловую напряженность деталей цилиндропоршневой группы по цилиндрам на произвольном режиме работы двигателя.

1. Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оболочек. М.: Наука, 1977. -446с.

2. Алексеев И.Л., Ковальчук Л.И. Косвенные зависимости для оценки тепловых потерь в охлаждающую воду // Надежность и эффективность технических систем: Международный сборник научных трудов.-Калининград: КГТУ, 2005.- С.132-139.

3. Алексеев И.Л., Ковальчук Л.И. Трансцендентные зависимости для оценки тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду // Двигателестроение. 2009. № 1. - С. 18 — 20.

4. Аршинов В.Д. О факторах, влияющих на деформацию гильз цилиндров автотракторных дизелей.//Автомобильная промышленность. 1968. - № 7. -С. 9-10.

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

6. Безюков О.К. Основы комплексного совершенствования охлаждения судовых дизелей: Автореферат дис. докт. техн. наук. СПб., 1995. - 48с.

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

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

9. Борщевский Ю.Т., Мирошниченко А.Ф., Погодаев Л.И. Повышение кавитационной стойкости двигателей внутреннего сгорания. Киев: Вища школа, 1980. - 234 с.

10. Брук Л. Новые двигатели серии Е7 компании Маек.// Автомобильная промышленность США.- 1989. № 8. - С. 1-2.

11. Ваншейдт В.А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей. -Л.: Машиностроение, 1983. 256с.

12. Васильев Ю.А. Новое семейство дизельных двигателей для автомобилей -самосвалов особо большой грузоподъемности. // Двигателестроение.-1979.-№ 1.-С.З -7.

13. Вахтель В.Ю., Керчер Б.М. Причины овальности гильз цилиндров при сборке двигателя. // Автомобильная промышленность. 1968. - № 12. - С. 27-29

14. Взоров Б.А., Исаев Е.В., Осокин В.А., Понин А.И. Исследование закономерностей деформации гильз цилиндров при сборке двигателей. // Тракторы и сельхозмашины. 1967. - № 5. - С.З -5, № 12. - С. 13-17

15. Вильямс Д. Дизели Caterpillar серии 3176. // Автомобильная промышленность США. 1988. - № 12. - С.15 - 16.

16. Вибрации в технике. Справочник, том 1. / Под ред. В.В. Болшина. -Машиностроение, 1978. 352с.

17. Вольмир A.C. Устойчивость деформируемых систем.- М.: Наука, 1967.984 с.

18. Волков В.Т., Ягола А. Г. Интегральные уравнения: Вариационное исчисление. Методы решения задач. — КДУ, 2009. — 140с.

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

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

21. Гинзбург М.А. Определение запасов циклической прочности втулок цилиндров подвесного типа. // Двигателестроение. 1979.- № 7.-С.14 -16.

22. Гинзбург М.А., Роенко М.И. Расчет теплового состояния, температурных деформаций и напряжений в элементах втулок цилиндров подвесной конструкции. //Двигателестроение. 1989. - № 4. - С. 5 - 9.

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

24. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. — М.: Высшая школа, 1973. -303с.

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

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

27. Губанищев A.B., Пахолко В.В. Определение температурных напряжений в осесимметричных деталях методом конечных элементов7/Судостроение и судоремонт. М.: Морфлот, 1978. - Вып. X. - С. 39-42.

28. Давылов Г.А., Овсянников М.К. Температурные напряжения в деталях судовых двигателей. JL: Судостроение, 1969. - 276 с.

29. Иванов JI.A. Теплонапряженность и эксплуатационная надежность цилиндропоршневой группы судового дизеля.- Мурманск: Мурманское книжное издательство, 19741 208с.

30. Иванченко H.H., Скуридин A.A., Никитин М.Д. Кавитационные разрушения в дизелях. Л.: Машиностроение.-1970.-151с.

31. Кан С.Н. Строительная механика оболочек. М.Машиностроение.-1966. - 507с.

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

33. Ковальчук Л.И., Алексеев И.Л. Аналитический способ задания универсальных характеристик ДВС // Автомобильная промышленность.-2010. №2. -С 9-11.

34. КозыревиС.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М.: Машиностроение, 1964. 230 с.

35. Камкин C.B., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей. -М.: Транспорт. 1990. -343с.

36. Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов Л.И. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания. Справочное пособие. Л.: Машиностроение. - 1979. - 224с.

37. Костин А.К., Квасов Е.Е. Методика определения тепловой напряженности деталей двигателя при неустановившихся режимах.// Двигателестроение. 1979. - № 7. - С. 11 - 13.

38. Костин А.К., Семенченко М.В., Шабров H.H. Расчетное исследование тепловых напряжений и деформаций цилиндровой втулки. //Двигателестроение. 1979. - №12.- С.12 - 17.

39. Кондратьев H.H. Отказы и дефекты судовых дизелей. М.: Транспорт, 1985.-151 с.

40. Кравчик Н.Э., Никишин H.H. Тепловое расширение гильзы цилиндра дизеля.// Двигателестроение. 1980. - № 6. - С. 11 - 12.

41. Кривов В.Г., Василевский Б.И. Применение метода конечных элементов к расчету прочности деталей ДВС.// Двигателестроение. 1986. - № 11. - С. 21-22.

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

43. Кузькин В.Г., Ковальчук Л.И. Ограничительные характеристики судовых дизелей. // Рыбное хозяйство, 1979. - № 1. - С. 10 - 15.

44. Кутателадзе С.С.Основы теории теплообмена. М.: Наука. 1979. -744 с.

45. Лощаков П.А. Результаты расчетно экспериментальных исследований влияния оребрения охлаждаемой поверхности гильзы на температурное состояние гильз и поршней дизелей ЯМЗ. //Двигателестроение. - 2000. -№ 1.С. 2-3.

46. Лощаков П.А. Результаты расчетно-эсперементальных исследований темрературного состояния гильзы цилиндра двигателя 84 13/14 // Двигателестроение. 1991. - №1. - С.49-51.

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

48. Межерицкий А.Д., Павлутин H.A., Ликин А.Ф. Влияние заноса центрабежного компрессора на параметры двигателя с газотурбинным наддувом. // Судовые силовые установки. Сборник научных трудов КТИ. Калининград. - 1970. - С. 163 - 168.

49. Методика выбора экстлуатационных режимов работы главных судовых дизелей с учетом характеристик гребного винта и условий плавания. М.: В/О «Мортехинформатика». 1985. - 15с.

50. Никольский Н.К., Каган Г.И., Соколов Ю.С. Исследование температурного состояния гильзы цилиндра дизеля Д51// Двигатели внутреннего сгорания.- M, 1978.-С 7-10.

51. Никитин А.Н., Татарников И.Я. Создание тепловозных дизелей семейства ЧН 32/32/Е // Двигателестроение. -1987. -№ 9. С. 13-15.

52. Новеннков А.Л., Елисеев C.B., Богачук В.Н., Ивлев A.A. Улучшение теплового состояния поршня путем совершенствования охлаждения гильзы цилиндра. // Двигателестроение. 1990. - № 5. - С. 3 - 6.

53. Огибалов П.М. Вопросы динамики и устойчивости оболочек. М.: Изд-воМГУ, 1963.-419 с.

54. Павлов Е.П. Оптимизация зазоров в сопряжении поршень-цилиндр дизелей типа 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. Папушу А.Н., Прыгунов А.И: Собственные колебания одно- и многослойных цилиндровых втулок судовых дизелей // Дизелестроение. — 1990. -№ 9. — С. 9-12.

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

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

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

60. Петриченко P.M. Теплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. JI.: Машиностроение, 1978. 128 с.

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

62. Пимошенко А.П., Сиротин А.К. Способ повышения эксплуатационной надежности цилиндровых втулок судовых дизелей // Двигателестроение.- 1990. № 1. - С.43-45.

63. Пимошенко А.П., Валишин А.Г. Комплексные методы повышения надежности цилиндровых втулок судовых дизелей. — М.: Колос, 2007.-168с.

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

65. Розенблит Г.Б. Теплоотдача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977. -212с.

66. Семенов B.C. Теплонапряженность и долговечность цилиндровой группы судового дизеля. М.: Транспорт, 1977. 184 с.

67. Соболенко А.Н. Исследование радиальных колебаний цилиндровых втулок малооборотистых двигателей. // Двигателестроение. 1996. - № 2.- С. 9 11.

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

69. Стефановский Б.С. Теплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. М.: Машиностроение, 1978. - 128 с.

70. Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы. / Под ред. И.Х. Дьяченко. JL: Машиностроение, 1974. - 552с.

71. Техническое использование и диагностика судовых дизелей. /Текст лекций. М.: ЦРИА «Морфлот», 1982. -80 с.

72. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. М.: Наука, 1975,-294 с.

73. Фомин Ю.Я., Никонов Г.В., Ивановский Г.В. Топливная аппаратура дизелей. Справочник. М.:1982. - 168с.

74. Чайнов Н.Д., Заренбин В.Г., Иващенко H.A. Термомеханическая напряженность деталей двигателей. М.: Машиностроение, 1974. - 152 с.

75. Чайнов Н.Д., Заренбин В.Г., Иващенко H.A. Термомеханическая напряженность деталей двигателей. М.: Машиностроение, 1977. - 147 с.

76. Чернина B.C. Статика тонкостенных оболочек вращения. М.: Наука. 1968.- 831с.

77. Чернышев Г.В., Хачиян A.C., Пикус В.И. Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей. М.: Машиностроение. -1986.-217 с.

78. Шихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 744 с.

79. Шихтер Р. Вариационные методы в инженерных расчетах. М.: Мир, 1971.-291 с.

80. Шлыков Ю.П. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977,-321 с.

81. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС: Учебное пособие / Под ред. P.M. Петриченко. Л.: Машиностроение, 1990. - 328 с.