автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние системы подшипника кривошипной головки шатуна высокооборотного дизеля

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА ЗНАК ПОЧЕТА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

ГОРБЕНКО Александр Николаевич

УДК 621.43:539.4

На правах рукописи

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ ПОДШИПНИКА КРИВОШИПНОЙ ГОЛОВКИ ШАТУНА ВЫСОКООБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ

Специальность 05.04.02 — тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград 1990

Работа выполнена на кафедре судовых двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок Ленинградского ордена Ленина кораблестроительного института.

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор ИСТОМИН П. А.

Научный консультант кандидат технических наук, старший научный сотрудник МЕЛЕЩЕНКО Н. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ОВСЯННИКОВ М. К; кандидат технических наук, доцент ШАБРОВ Н. Н.

Ведущее предприятие — ПО .Звезда".

Защита, диссертации состоится —•-_1990 г.

в-часов в конференцзале на заседании специализированного

совета К134.02.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Центральном ордена Знак Почета научно-исследовательском дизельном институте по адресу: 196158, Ленинград, Московское шоссе, д. 25, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке института.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять в адрес специализированного сонета.

Автореферат разослан -г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник КРАСОВСКИЙ О. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I985-1990 года и на перспективу до 2000 года" поставлены задачи дальнейшего ускоренного развития отечественного дизелестроения, повышения качества, надежности и экономичности клшин. Современное днзе-лестроение характеризуется тенденцией постоянного форсировавши двигателей внутреннего сгорания, ростом их напряженности, снижением металлоемкости. Одним из путей повышения надежности и долговечности ДВС является совершенствование методик расчета прочности, что дает возможность на стадии проектирования двигателя, а также при его модернизации, получать достоверные оценки функциональных свойстз объекта, обоснованно подходить к проблеме выбора конструктивных и технологических решений.

Современные требования к прочности и металлоемкости узлов и деталей дизелей побуядеют все более глубоко исследовать особенности их напрязешо-деформированного состояния (НДС), полнее учитывать многообразие влиявших факторов.

В процессе работы двигателя кривошипная головка шатуна подвергается воздействия существенных знакопеременных нагрузок. Рост напряженности подшипникового узла кривошипной головки шатунов высокооборотных дизелей (ВОД) обусловливает необходимость его дальнейшего совершенствования. Значительная доля отказов ВОД приходится на потерю функциональных свойств ira разрушение деталей этого узла, что зачастую приводит к выходу из строя всего двигателя.

Подшипниковый узел кривошипной головки шатуна представляет собой предварительно напряженную систему взаимодействуй цпх иегду собой деталей. Затяг шатунных болтов должен обеспечивать силовую заь?кнутость узла во время работы двигателя. Однако в действительности имеют место отноз отельные микроперемещения контактирующих поверхностей деталей системы подиип-ника, что приводит я их износу.

Работоспособность подшипникового узла кривошипной головки шатуна определяется совокупностью конструкторско-техноло-гкческих решений по выбору материалов и геометрии его деталей, уровня затяга шатунных болтов, натяга вкладыша и т.д. Достоверное определение расчетным путем НДС системы подшипника кривошипной головки шатуна является одним из путей повышения качества проектирования и модернизации двигателя, сокращения

времени и затрат на его опытную доводку. При этом необходимая точность расчетной методики может быть достигнута лишь на основе моделирования контактного взаимодействия всех деталей системы подшипника.

Таким образом, настоящая работа.направлена на повышение надежности и долговечности двигателей, а потому является актуальной.

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы состоит в создании методики расчета трехмерного НДС системы под шипникового узла кривошипной головки шатуна ВОД с учетом контактного взаимодействия деталей для повышения работоспособное ти этого узла. Для достижения этой цели решен ряд задач.

1. Разработка специального контактного конечного элемента (ККЭ) для решения пространственных контактных задач, включая задачи с предварительным натягом.

2. Разработка эффективных алгоритма и 'программы решения трехмерной контактной задачи с известной зоной'контакта. Их апробирование на решении тестовых задач.

3. Анализ сил, действующих на систему подшипника кривошипной головки шатуна. Разработка аналитических зависимостей, аппроксимирующих индикаторную диагрелму.

4. Разработка расчетной схемы системы подшипника кривошипной головхи шатуна ВОД.

5. Проведение экспериментального исследования ВДС системы подшипника кривошипной головки шатуна. Сопоставление результатов эксперимента и расчета.

6. Численное исследование ВДС подшипникового узла кривошипной головки шатуна ВОД. Разработка и обоснование критериев его работоспособности. Исследование эффективности мероприятий способствующих повышенна работоспособности узла.

Методика исследования. Численные расчеты посадки вкладыша и исследование ВДС системы подшипника кривошипной головки шатуна выполнены в трехмерной квазистатической постановке на базе МКЭ. При аппроксимации индикаторной диаграммы ДВС использованы математические методы приближенного описания соответствующих зависимостей.

Научная новизна исследования заключается в следующих раг работках, которые защищаются автором:

1. Аналитические зависимости, аппроксимирующие индикаторную диаграмму ДВС различных типов.

2. Способ численного решения пространственной контантно{ задачи с известной зоной контакта на основе разработанногс изопараметрического контактного КЭ, позволяющего моделироват! нелинейные свойства шероховатостей деталей и учитывать воз-

можные условия контактирования.

3. Алгоритмы перенумерации КЭ для уменьшения ширины фронта, позволяпцие повысить эффективность применения расчетных программ МКЭ (в том числе для контактных задач).

4. Методика расчета ВДС системы подшипника кривошипной головки шатуна, которая позволяет моделировать совместную работу всех деталей узла, а также учитывать предварительное ВДС от затяга шатунных болтов и натяга вкладыша.

5. Критерии работоспособности подшипникового узла кривошипной головки шатуна.

Достоверность результатов исследования обосновывается использованием весьма совершенного и неоднократно проверенного при анализе ВДС различных конструкций метода конечных элементов, численным решением тестовых аналитических задач и сопоставлением расчетных и экспериментальных данных о ВДС деталей кривошипной головки шатуна ВОД.

Практическая ценность. Разработанные методика и ее программное обеспечение могут быть использованы в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях машиностроительной и судостроительной продашленности в процессе проектирования, доводки и модернизации ДВС для расчета ВДС кривошипной головки шатунов, а также других предварительно напряженных подшипниковых узлов. Алгоритм и программа численного решения контактной задачи носят универсальный характер и могут применяться для анализа условий контактирования деталей в любых конструкциях.

Реализация работы. Разработанная методика расчета используется в ЦНВДИ. Программное обеспечение методики, реализованное на базе ЭВМ серии ВС, включено в библиотеки программ ЦНИДИ, ЛКИ и Комсомольского-наг-Амуре политехнического института. Отдельные программные модули используются на Клайпед-ском факультете КПИ и во ВНИПИтранспрогресс (г.Брянск). Использование результатов работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на X Дальневосточной научно-технической конференции "Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций" (г.Владивосток, 1987); на научно-технической конференции "Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций" (г.Горький, 1988) и на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛКИ (г.Ленинград, 1988, 1990).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано

шесть статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений; содержит 141 страницу машинописного текста, 91 рисунок, 5 таблиц и список использованной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш диссертации, кратко сформулирована цель работы и указаны пути ее ре-пения.

В первой главе рассматривается условтш работы кривошипной головки шатуна ВОД, нетода исследования этого узла и методы решения контактных задач.

Проведен анализ конструктивнее особенностей кривопкпнол головки шатуна ВОД. Отмечается, что условий, в которых работает кривошипная головка, отличазтея шсокиг^1 знаколералонш~ 1Л1 нагрузками, наряду с предварительным затягом бокового соединения опредеякщкАп: шсоккЛ уровень напрякеш ; и дегормг.-ций. Анализируются характерные повреждения деталей; криво—*::!-ного подшипника шатуна.

Анализ традиционных методов расчета прочности гфпзо^ш-ной головки шатуна (тш^их как ьхч'одц Р.С.Кдаасз'лиии:, Й.Ф.Си-какова, С.С.Носова, Н.Л.Клютааа к др.) показал, что они бн-полняются с бользззд! упро^енкялл к не обладав? достаточной точностью. Это связано» пркзде всего, со слкиостьо геометрической фор13 поддиинккового узла, его ьлогокоггаоненткоетьэ к разнообразней испашЕаегал: нагрузок, вкетчая прздваркгельнаа напряжения. Метод М.А.Салплкова, основывай ка ехгаажизацп! силового контура голов::;: окЕКвалснгной шогостер-тневэй раыоЛ, более точно аппроксимирует упругие свойства узла, однако не позволяет учитывать взаимодействия деталей скстсга подагашка кривопишой головки и носит Бес1-:.п услокпй характер. Отмечается, что для традиционные кетодов характерно отдельное рас-сиотрзннз работа костура головки (ка:: монолитной детали), болтового соединения и посадки вклодыпа в постель подлинника.

Необходимость повышения достоверности расчета ЦДС различных узлов обусловила 'широкое развитие численных методов анализа, презде всего ИКЭ. В последние года ряд авторов успешно применяет МКЭ для исследования шатуна. Точность расчетов НДС шатуна при этом определеяется степенью его дискретизации на конечные элементы и достоверностью определения граничных условий. Отмечается, однако, что в большинстве существующих работ уделяется недостаточное внимание работе криво-

пппной гологки как систеш контактирующих и предварительно н&-прляенных деталей. Кроме того, анализ известных нам работ показал, что в настоящее время отсутствуют попытки расчета НДС Еалздыза з составе системы деталей подшипникового узла, что из позволяет расчетным путем исследовать его поведение при посадке в податливый корпус и при работе двигателя.

Проведенный анализ методов определения характеристик контактного взаимодействия деталей позволил сделать гавод о тем, что наиболее целесообразным для этой цели является применение ЖЭ з сочетании со специальным контактными КЭ, которые кодолтфуэт упругие свойства пероховатостя а способны учитывать контактные граничные условия. Основой описания упругих свойств элемента служат понятия нереальней и касательной контактнлх ,™есткостей.

Вторая глада посвящена разработке контактного конечного элемента и алгоритма числсшюго анализа трехмерных контактны:: задач с известной зоной контакта.

Разработанный ККЭ, который в «одели помечается и езду двумя кэоперашдричесюэя двадцатиузлоЕнки КЭ кентакткрувщгсе деталей, представляет собой две геометрические совпадающие, но относящиеся к разным телам, пространствешше поверхности в виде криволинейных четырехугольников (рис.1). Для построения матрицы жесткости НКЭ нами использовались функции формы Мс , удовлетворяющие условно неразрывности перемещений и деформа^-цкй. На основе этих функций описываатся геометрия и поле перемещений ККЭ. Вектор относительных перемещений пара контак-

■е

Ш г № Щ

Рис.1. Изопараметрический ККЭ

тирующих точек в местной системе координат определяется выражением

где [В]'[-Я,Я] ; Ш]=[ЕзМ,...,ЕМ; [Т] -матрица направляющих косинусов; } - матрица функций формы;

£3 - единичная матрица 3x3; {5}е - вектор перемещений узлов ККЭ в глобальной системе координат.

На основе относительных перемещений вычисляются контакт-

(s} =

\Ksi,o О]

о Kszo

.р J 0 0 К».

мальном направлениях; Кщ , К§2 , Ал - касательные и нормальная контактные жесткости.

Матрица жесткости ККЭ вычисляется путем численного интегрирования выражения, полученного минимизацией потенциальной энергии деформации элемента.

Существенным является вопрос об описании поля контактных жесткостей ККЭ. Численное интегрирование методом Гаусса позволяет аппроксимировать изменение К$[ и Кц в пределах ККЭ кусочно-постоянной функцией. При этом внутри области ККЭ, относящейся к одной точке интегрирования, значения K$i и Кп постоянны и скачкообразно изменяются при переходе в область другой точки интегрирования. С целью повышения точности аппроксимации поля контактных жесткостей, а следовательно, и точности расчета в целом, нами разработана модификация ККЭ, где Ksi и описываются с помощью непрерывных в пределах элемента функций формы. Кроме того, для расчета соединений с натягом разработана процедура моделирования предварительной деформации ККЭ путем приложения вектора фиктивных узловых сил.

Анализ контактирования деталей связан с преодолением физической и геометрической нелинейности задачи. В связи с этим алгоритм конечно-элементного расчета разработан нами на основе итерационного подхода. В процессе расчета путем последовательных приближений корректируются значения контактных жесткостей:

Gsi при р<0 и IrUlpfl, \п при п<0 i pJ/5SLnpup<QuW>\pi\; КпА п Р Н О) .0 при рьО} L=l,Z i [о при р*0 ,

где £ - коэффициент трения; - тангенциальное смещение

ККЭ; , вл - корректирующие зависимости для и Кп »

полученные на основе сферической модели шероховатости.

С целью проверки достоверности алгоритма и программы конечно-элементного расчета контактного взаимодействия были решены две тестовые задачи, имеющие аналитические решения.

Применение программ 1ШЭ ограничивается зозмозгйостями ЗЕМ. По этой причине нами разработан'эффективный алгоритм перенумерации КЭ, позволяющий снижать объем загибаемой оперативной памяти ЭВМ и время счета. Немаловатно при этом, что алгоритм носит универсальный характер и не зависит от типа "р:'.!!сняе:-1х КЭ, физической сущности задачи и ез размерности. Кроме того, реализован алгоритм, ориентированный на итерационное решение контактных задач.

Третья глава посвящена анализу сил, действующих на систему подшипника кривошипной головки шатуна, и разработке расчетной схеги последней.

При работе двигателя в подшипнике кривошипной головки шатуна созшгкает реактивное усилие, величина и направление которого зависят от давления газов в цилиндре, сил ¡яерции де-тгиюЯ крнвешкпно-гзатунного механизма и положения кривошипа колемчатого Еала. Обстоятельством, ограничивающим автематкза-ц!п подготовки исходных данных о нагружающих усилиях и увеличивающим несбходгокй объем оперативной памяти ЭЕ?,1, является то, что для описания изменения давления газов в цилиндре при расчете приходится вводить большое количество ординат ивдика-торней дгиграк.и. В связи с этим па основе анализа общих закономерностей рабочего процесса нами получены аналитические зависимости, аппроксимирующие индикаторную диаграмму ДВС. При этом нами использовался подход, описанный в работах В.Л.Вейца и А.Е.Кочури. Давление газез в цилиндре представляется в виде су:2гл ее компрессионной п пуцпсаторной составляющих:

£>60= Рс * р1 ЗН) , (4)

где а (с'«), (сХ) - безразмерные компрессионная и индикаторная характеристики ДВС; Рс - давление в конце хода сжатия; р1 - среднее индикаторное давление.

Численный анализ выражений для К(Ы.) и , получен-

ных на основе традиционных методов расчета индикаторной диаграммы, показал, что в определяющей мере они зависят от степени с~атия, а влиянием остальных параметров рабочего процесса место пренебречь. Значения последних при проведении проч-

ностных расчетов зачастую неизвестны. Для безразмерных характеристик ДВС нами подобраны хорошо их аппроксимирующие зависимости экспоненциального вида. Проведенный анализ позволил получить необходимые численные данные для аппроксимации индикаторной диаграммы высоко- и среднеоборотных дизелей.

Достоверность расчета ВДС в значительной мере зависит от точности учета граничных условий. В связи с этим в главе подробно рассматриваются вопросы распределения давления в паре вкладыш - шейка вала, а также проблема учета распределенной по объему деталей кривошипной головки инерционной нагрузки, возникающей благодаря движению шатуна как целого. Помимо рабочих нагрузок узел испытывает воздействие внутренних силовых факторов. Для учета посадки вкладыша в постель подшипника нами использовались ККЭ с предварительной деформацией, помещаемые в стыки половинок вкладыша. .Начальный затяг шатунных болтов в расчетной схеме моделируется. приложением фиктивной сжимающей нагрузки к КЗ в серединах болтов.

Рассматривался особенности организации вычислительного процесса в разработанной программе численного расчета НДС системы подшипника кривошипной головки шатуна.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследоваг-нип ВДС системы подшипника кривошипной головки шатуна ВОД.

Экспериментальная оценка напряженного состояния деталей кривошипной головки шатуна производилась методом электротензометрии. В качестве объекта использовался серийный шатун дизеля ДМ-21А (ЧН 21/21). Тенэорезисторы (59 шт.) располагались в плоскости симметрии на боковых поверхностях кривошипной головки, на ее торце вблизи расточки корпуса подшипника, а также на шатунных болтах. Напряжения замерялись при затяге шаг-тунных болтов (вместе с вкладышем) и при статическом, растяжении на нагружающем устройстве. На рис.2 представлены замеренные напряжения при затяге шатунных болтов (напряжение растяжения шатунных болтов 500 МПа). Здесь же даны расчетные значения напряжений. Предварительный затяг обеспечивает относительно высокие сжимающие напряжения в зонах шатунных болтов. Влияние натяга вкладыша обусловливает уменьшение сжатия в стыке, а также появление растягивающих напряжений на ребре крышки и на участке от зоны нижнего стыка до перехода в стержень шатуна. Сравнение расчетных и экспериментально полученных значений при монтаже и растяжении шатуна показывает их удовлетворительное соответствие, так как расхождение не превышает 209а.

Рис.2. Напряжения на контуре кривошипной голошеи от затяга шатунных болтов: расчетные зна-

чения напряжений; в экспериментальные значения напряжений

Работоспособность кривошипного подшипника патуна в значительной мере определяется ЦЦС его вкладыша. В связи с этим было проведено экспериментальное исследование состояния вкладыша при его посадке в постель контрольного приспособления. Объект исследования - половинка серийного вкладыша шатуна дизеля ЧН 12/14. В качестве метода экспериментальной оценки деформаций вкладыша использовалась голографическая интерферометрия. Для получения интерферограмш применялся способ

двойной экспозиции. Результаты голографирования показали, что при посадке в постель вкладыш деформируется приблизительно равномерно по его ширине. Вблизи нагруженной кромки половинки вкладыша интерференционные полосы сгущаются, что сввде-тельствует о повышении здесь градиента перемещений в направлении, фиксируемом интерферограшой.

Определенную сложность представляет собой проблема перехода от полученной интерферограммы к значениям перемещений освещенной поверхности объекта, полное преодоление которой приводит к значительному усложнению технологии эксперимента и обработки результатов. По этой причине для сравнения расчетных и экспериментальных данных нами разработан и реализован шг-горитм расчета на ЭВМ картины интерференционных полос. Исходным для этого алгоритма служит поле перемещений объекта, полученное путем численного анализа его НДС. Сравнение интерфе-рограмм, полученных экспериментальным и расчетным путем, выявило их качественное совпадение.

Таким образом, проведенное экспериментальное исследование ВДС деталей систеш подшипника кривошипной головки шатуна ВОД подтвердило достоверность разработанной расчетной методики. _ .,„

# го р,МПа

I /''

i t.

4

Рис.3. Нормальные контактные давления при различных 0С4 наклона кромки вкладыша: I - о(д = 0,

мкм: 3__- с4д = '50"\ &л= 5 мкм

r№id* íiu^Mcuioruac nunianinac ^aa/ictiru-

углах oía наклона кромки вкладыша: %.= 0; 2 - ot¿ = -Г30» ; &Т-2 i = Т30» , &л = 2 мкм; 4 - о£.д = З'Е

В пятой глазе выполнено расчетное исследование ВДС сис-теш подшипника кривошипной головки шатуна ВОД.

Основное вникание в расчетном исследовании уделяется ЦЦС вкладыша, особенностям его поведения при монтаже и рабочей нагрузке. В связи с этим первоначально проведена систематизация аналитических зависимостей для расчета НДС Екладаша при осадке в жесткий корпус. Отмечается влияние на результаты ана-литтееского расчета учета или неучета трения мезду вкладышем и постелью, а также схемы посадки (симметричное и несимметричное приложение усилия посадки к кромкам половинки вкладыша). Равномерное распределение расчетных величин обеспечивается при симметричной посадке в отсутствии трения, а наиболее неравномерное - при несимметричной фрикционной посадке Екла-дыша.

Проведены конечно-элементные расчеты симметричной посадки в жесткий корпус полувкладаша кривошипной головки шатуна дизеля ДМ-21А. При этом величина натяга Дг; задавалась разной 0,157 мм. Результаты численных расчетов, некоторые из которых приведены на рис.3, 4, выявили существенное влияние сил

учетом трения

трения на ВДС вкладыша. За счет их действия расчетные величины убывает, начиная от кромки, где прилагается усилие посадки. Сравнение расчетных и аналитических кривых выявило, что последние в целом верно показывают уровень НДС вкладыша, нокз полностьо отражает характер распределения напряжений и деформаций.

Численные расчеты посадки вкладыша выявили существенную зависимость его ВДС вблизи стыка от угла оСд наклона кромки стыка вкладыша (рис.3) из-за возникающего там момента сил. При близком к нулю возникает вероятность отрыва вклады-

па от постели вблизи плоскости разъема. Кроме того, в этом случае напряжения на внутренней и внешней поверхностях вкладыша существенно оиргаавтся друг от друга (см.рис.4). Наличие шероховатости на стыках половинок вкладыша несколько снижает указанную зависимость, благодаря компенсирующей деформации шпфонеровностей. Расчеты показали, что равномерное распределение контактных давлений и напряжений (наиболее целесообразное с точки зрения уровня напряжений и замкнутости контакта) достигается при радиальном наклоне кромки половинки вкладыша, когда Помимо симметричной проведены

конечно-элементные расчеты несимметричной посадки в жесткий корпус половинки вкладыша кривошипной головки шатуна дизеля ЧН 12/14.

В главе рассматривается результаты численного исследования НДС системы подшипника кривошипной головки шатуна дизеля ДМ-21А. Конечно-элементная модель узла включает изопаранетри-ческие двадцатиузловые КЭ и шестнадцатиузловые ККЭ. Последние помещены в стыки мевду вкладышем и постелью, половинками вкладыша и между крышкой и телом шатуна. Исследование проводилось для ВДС подшипникового узла от затяга шатунных болтов и натяга вкладыша, а также при осевых растяжениях шатуна силой 100 кН и сжатии силой 326 кН (с учетом инерционной нагрузки).

Расчеты дали возможность оценить влияние податливости корпуса подшипника кривошипной головки на ВДС вкладыша при его посадке. За счет деформации корпуса снижается неравномерность распределения расчетных величин по окружности вкладыша, уменьшается роль трения, в результате чего сокращается зона предварительного смещения поверхностей (рис.5). Кроме того, несколько снижается напряжения во вкладыше, а также контактные давления между ним и постелью.

Рис.5. Контактные давления между вкладышем и постелью от затяга шатунных болтов (Дх" 0,157 км): ——— нормальные контактные давления;-:--касательные контактные давления; А - зоны предаст-рительного смещения

Расчеты кривошипной головки шатуна при растяжении и сжатии позволили впервые количественно оценить ВДС Екладыша при ногрубениях, возникающих в работающем двигателе. Наличие нагрузки со стороны шейки вала приводит к соответствующему увеличению напряжений во вкладыше и контактных давлений между шш и постелью в пределах угла контакта. Существенно, что снижения плотности посадки вкладыша в зонах, свободных от непосредственного воздействия нагрузки, не происходит. Помимо указанного получены распределения относительных перемещений вкладыша и постели в исследованных расчетных положениях механизма. Исследование выявило наличие зон проскальзывания контактирующих поверхностей вкладыша и постели (что способствует развит™ их фреттига^-износа). В исследованных случаях максимальные смещения в зонах проскальзывания составили 29 мкм при растяжении и 27 мкм при сжатии шатуна.

Отмечается, что в исследованных случаях осевого нагруке-ния шатуна имеет место изгиб стержня шатуна. Причиной этого служит асимметрия кривошипной головки. Наибольшие напряжения при растяжении возникают на внутренней поверхности расточки корпуса голоеки и в области шатунных болтов, а при сжатии в стержне шатуна и в местах его перехода в головку. Во всех расчетных случаях, включая предварительное НДС, отмечаются напряжения изгиба шатунных болтов, -достигающие 14% от напряжений растяжения.

Как показал численный анализ, вследствие значительных сил затяга шатунных болтов в кривошипной головке у^е на стадии сборки узла возникает овализация расточки (рис.б). Уменьшение диаметра внутренней поверхности вкладыша при этом составляет 0,018 мм. При осевых растяжении и сжатии эта величина достигает соответственно 0,065 и 0,059 мм. Учитывая, что значение зазора в кривошипной подшипнике исследуемого шатуна находится в пределах 0,1-0,189 мм, можно считать, что жесткость головки достаточна для предотвращения защемления вала. Кроме того, характерно, что при сборке подшипника опорные поверхности под головки шатунных болтов выгибаются наружу, что определяет изгиб болтов.

Учет контактного взаимодействия деталей системы подшипника в разработанной расчетной методике позволил провести расчет, моделирующий проворачивание вкладыша. С этой целью к

Рис.6. Деформация контура кривошипной головки при затяге шатунных болтов: Ц - ориентация наименьшего диаметра расточки подшипника

внутрегшей поверхности вкладыша прилагалась поверхностная касательная нагрузка, создазцая проворачиваний момент. Получена количественная оценка момента проворачивания вкладыша. Анализ показивает, что установка штифта с цельз фиксации его от проворачивания нецелесобразна, так как момента сил трения натяга вкладша достаточно для предотвращения его накропере-мегденкй в постели при нормальной эксплуатации. Несмотря на то, что проворачивание вкладыша возникает только при нарушении нормальных условий работы подшипника, расчетная величина стог о момента момента мохсет быть использована для оценки качества монтага и конструкции всего узла.

Анализ результатов проведенного исследования НДС системы подлинника кривошипной головки шатуна позволяй разработать и обосновать ряд критериев работоспособности этого узла:

- уровень нормальных контактных давлений на поверхностях контакта;

- оЕализация рабочей поверхности расточки подшкпнкса;

- максимальная амплитуда относительных иикропереыещенкй контактирукцнх поверхностей;

- расчетная величина момента проворачивания вкладыша.

Плотность соединений деталей системы подшипника является

необходимы условием надедной работы узла. Минимально необходимый уровень нормальных контактных'давлений мезду вкледпем и постелью исследуемого подшипника следует принять 8...10 Ша.

Величина овализации определяется главным образом податливостью контура головки. Предельной величиной максимального уменьшения диаметра отверстия подшипника молет слушггь его минимальный диаметральный зазор.

Выработка обоснованных пределов значений третьего и четвертого критериев работоспособности возможна лишь на основе обобщения опыта эксплуатации и дополнительных исследований. В связи с этим указанные критерии рекомендуется использовать для сравнения вариантов конструкции подшипникового узла.

Выводы

I. Разработанная методика расчета трехмерного ВДС системы подшипника кривошипной головки шатуна с учетом контактного взаимодействия деталей позволяет, помимо внешних сил, моделировать влияние посадки вкладыша и предварительного затяга

шатунных болтов.

2. Специально разработанный контактный конечный элемент, модеяир/гщпЯ зесткостные свойства контактирующих поверхностей, позволяет выполнять расчеты НДС конструкций с учетом их шероховатостей и десткостей нагружаемых тел, имеющих любую геометрическую форму. Достоверность и эффективность разработанных алгоритма и прогрш?п итерационного решения про-странствсяпоЛ задачи с известной зоной контакта подтверждается решение'.'! тестовых задач, а разработанный унивсрсалыгый алгоритм псрс;:у::ерпц:п: конечных элементов позволяет сояра-гр.ть необходим;."; для решения задачи объем оператпгпсГ. пиотп ЭВ*'. и время сч-уга.

3. Разработанные еналстизеезие зовиспост::, гг.прс::с:г.х— :ждгг{атор!г,"о дг.згра::"у дизеле" с гзбтг: параметрам::

рабочего процесса, поболи"! автоматкзнрог-ать полгетог.!;' rj-хо.-тне': п чястн усмлпЛ, кагруг-ю-:?: нед^гл;:'::.

4. Досторерность предгпгастлсЛ кето,--::ч яо^кергг^еггя резул^'тг.тг.**"! эксперпктататиюго исследовш'н.т, ¡.гтелненкто методом глскттзотсисомотртп!, а гглзз с пемогологрпТ'ЯчесггоЗ п1тср;гро:;отрпи, которая гтляотся слсссбсм коело-дозелмя HJip 1:снстру;:ц;:й :: з нгпем случае "дела кстсстзешюо подтвермдеыпз результатов расчета.

5. Анолгз результатов г:зюлне:пюго расчетного яослэдот:а-пия НДС систем подрспнЕха врпзссшгюЛ гологш смуна постелил установить:

- НДС в гнгдитэльной мере определяется условиями ого контактного взаимодействия с постел'-гэ предварительно затянутого болтг;"п п нггруг:е!П1сго енссикми сгла-п: подг:зшшса}

- существенное влияние на НДС полувкладгл^сй (вблизи мест е: зз^ггюго контакта) оказывает угол наклона соствет-ствугщ;к кроме::; при зтем с целью выравнивания напрялени" з материале вкладка, снижения контактных давлений в стыках полувкладылеЛ и уменьшения вероятности их отрыва от постели рекомендуется выполнять стыкующиеся крксск половинок вкладыша так, чтобы после установки в постель без натяга, но при полном контактировании с последней, они лежали в плоскостях, проходящих через ось расточки подшипника;

- при действии рабочих нагрузок на подшипник кривошипной головки возникает существенное шжропроскальзывание частей спинки вкладыша относительно постели (до 29 мкм в двигателе

ЧН 21/21), что свидетельствует о возможности возникновения фреттинг-коррозни контактирующих поверхностей;

- при затяге шатунных болтов двигателя ЧН 21/21 (ДМ-21А) в них возникают напряжения изгиба, достигающие 11% от напряжений растяжения, которые после приложения внешней нагрузки (в исследованных случаях) возрастают до 14%;

- наибольшая овализадия расточки подшипника кривошипной головки дизеля ЧН 2I/2Í возникает при его растяжении силами инерции; при этой диаметр расточки в направлении, перпендикулярном оси шатуна, уменьшается на 65 мкм;

- характер изменения давления масла вдоль образующей расточки подшипника оказывает влияние только на НДС вкладыша и шатуна вблизи зоны контакта с ним; для оценки НДС шатуна достаточно ограничиться конечно-элементным расчетом в двумерной постановке.

6. Установлено, что для оценки качества конструкции подшипникового узла кривошипной головки шатуна могут быть использованы критерии: уровень нормальных контактных давлений на поверхностях контакта; овализация рабочей поверхности расточки подшипника; максимальная амплитуда относительных микроперемещений контактирующих поверхностей; расчетная величина момента проворачивания вкладыша.

7. Предлагаемая методика позволяет уточнить расчет и повысить надежность разрабатываемой кривошипной головки шатуна ВОД на стадиях проектирования, а также при модернизации, с достаточной точностью исследовать пространственное НДС узла (с учетом характеристик контактного взаимодействия деталей).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. ГОРБЕНКО А.Н, Аналитическая аппроксимация индикаторной

диаграммы судовых средне- и высокооборотных дизелей. JI., 1987. 20 с. (Рукопись депонирована в ЦНИИ "Румб". ДР-2763).

2. ГОРБЕНКО А.Н., ИСТОМИН П.А. Применение метода конечных

элементов к решению контактных задач. JI., 1987. 15 с (Рукопись депонирована в ЦНИИ "Румб". ДР-2809).

3. ГОРБЕНКО А.Н., КОЧЕРИН С.А. Контактные конечные элемента

в расчетах судовых конструкций: Тезисы докл. X Дальневосточной науч.-техн.конф. "Повреждения и эксплуа-

тационная надежность судовых конструкций". Владивосток: Изд.ДВПИ, 1987. С.210-213.

4. ГОРБЕНКО А.Н., ИСТОМИН П.А. Расчет стыковых соединений

дизелей с учетом контактных деформаций: Сборник НТО им.акад.А.Н.Крылова. 1988. Вып.452. С.38-43.

5. ГОРБЕНКО А.Н., МЕЛЕЩЕНКО Н.Г. Контактный конечный племент

для решения пространственных контактных задач: Тезисы докл.науч.-техн.конф. "Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций. Горький: Изд.ГПИ, 1988. С.31-32.

6. ГОРБЕНКО А.Н., ШМЕЛЕВ С.Х. Алгоритм уменьшения ширины фрон-

та при решении задач методом конечных элементов. Л., 1988. II с. (Рукопись депонирована в ЦНИИ "Румб". ДР-2975).

Зак. Р-35. Тир.100. Уч.-изд.л.1. M-I5554. 20.03.1990. Бесплатно. Тип.ЛКИ, Лоцманская, 10.