автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение долговечности головок блока цилиндров дизелей при восстановлении путем применения деконцентраторов напряжений

I,

¡1

к

{ На правах рукописи

!

Захаров Александр Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕКОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Межецкий Геннадий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Цыпцын Валерий Иванович

кандидат технических наук Михайлов Александр Викторович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Саратовский государ-

ственный технический университет»

Защита диссертации состоится г. в 12.00

на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И.Вавилова» по адресу: 410056, г.Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » года

Ученый секретарь ¡а |

диссертационного совета о^в-***^*] Н.П. Волосевич

15416

ох-

отная ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важнейших направлений в развитии сельского хозяйства является механизация сельскохозяйственных работ, основой которой служат мощные высокопроизводительные тракторы.

В настоящее время более 80 % всех сельскохозяйственных операций выполняется тракторами и сельскохозяйственными машинами, энергетическим элементом которых является двигатель внутреннего сгорания. Наиболее эффективными двигателями внутреннего сгорания являются дизели. В сельском хозяйстве широко используются высокофорсированные дизели ЯМЗ-240Б, ЯМЗ-238НБ. Основные требования, которым должен удовлетворять современный дизель, — повышенная мощность и надежность, малая металлоемкость и малый удельный расход топлива.

Тенденции повышения мощности и снижения металлоемкости приводят к перегреву отдельных деталей, образующих камеру сгорания, в частности головок блока цилиндров (ГБЦ). Помимо этого, детали в процессе эксплуатации испытывают большие механические нагрузки, что снижает их долговечность. Обследование ремфонда дизелей показало, что наиболее характерными дефектами ГБЦ являются: термическая деформация (коробление) - до 100%, термоусталостные трещины в головках цилиндров - до 85 %. предельный износ седел клапанов в ГБЦ - до 25 %.

Установлено, что причиной возникновения трещин на тепловос-принимающей поверхности ГБЦ является термическая деформация, которая возникает из-за циклической смены температурных режимов. Эти трещины, получившие название термоусталостных, приводят к потере мощности, снижению работоспособности дизеля и являются причиной выбраковки ГБЦ.

Существующие на данный момент способы восстановления ГБЦ дизелей (пайка, различные способы заварки, постановка фигурных вставок, штифтовой способ) нельзя признать удовлетворительными. Применение их не дает значительного повышения термоусталостной прочности ГБЦ и значительно увеличивает стоимость ремонта. Долговечность деталей, восстановленных вышеперечисленными способами, составляет 50-60 % от ресурса новой ГБЦ. При применении этих способов восстановления не решается основная проблема термоусталостной прочности - неравномерность нагрева поверхности огневого днища в процессе эксплуатации дизеля и, как следствие, релаксационная деформация в межклапанной перемычке. При охла-

ждении в области межклапанной перемычки появляются напряжения растяжения, которые повышаются вместе с увеличением деформаций в процессе эксплуатации дизелей.

Следует отметить такие способы ремонта, как армирование форсуночного отверстия теплопроводной втулкой и замена огневого днища, которые повышают термостойкость ГБ1Однако из-за высокой трудоемкости и сложности технологических операций их реализация существенно ограничена.

В диссертации решалась научная задача теоретического прогнозирования снижения деформаций и напряжений в ГБЦ при эксплуатации и определялись пути повышения долговечности при их ремонте с одновременным снижением трудоемкости выполняемых работ.

Работа выполнялась в соответствии с региональной научно-технической программой развития Саратовской области в рамках научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в Агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года» (№ гос. регистрации 6400052004) и комплексной темы № 5.2.1 НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И. Вавилова» «Повышение долговечности корпусных деталей и деталей газораспределения дизелей».

Цель работы. Повышение долговечности головок блока цилиндров дизелей при восстановлении путем применения деконцентрато-ров напряжений.

Объект исследования - головки цилиндров дизеля ЯМЗ-240Б.

Предмет исследования - теплонапряженность огневого днища головок и крышек цилиндров.

Методика исследований использует современные методы расчета и измерительные приборы. Для измерения глубины трещин применялся электро-потенциальный дефектоскоп ЭПД-6, для измерения деформаций привал очной плоскости - индикатор часового типа со скобой, для контроля температуры при испытании на термоусталостную прочность - прибор «Digital Multimeter DT 838» и хро-мель-алюмелевая термопара. Моделирование температурных напряжений, их оптимизация и обработка результатов эксперимента осуществлялись на современных ПЭВМ.

Научная новизна работы заключается в предложенном автором методе снижения теплонапряженности и поверхностных деформаций огневого днища ГБЦ при эксплуатации на основе новой технологии, повышающей долговечность ГБЦ. Научная новизна подтвер-

ждена положительным решением на выдачу патента по заявке на изобретение конструкции ГБЦ № 2003135826/06(038600).

Практическая ценность работы. На основании проведенных исследований теоретически обоснована и разработана новая технология восстановления ГБЦ методом деконцентраторов напряжений, способствующая снижению деформаций и напряжений ГБЦ, увеличению их долговечности, обоснована экономическая эффективность и целесообразность восстановления головок и крышек блока цилиндров.

Реализация результатов работы. Результаты исследований апробированы в ООО «Агрофирма Весна» Красноармейского района Саратовской области на пяти тракторах К-700А, на дизели которых установлены экспериментальные ГБЦ, что подтверждается актами.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ. Общий объем публикаций составляет 1,18 печ. л., в соавторстве 0,72 печ. л., авторских - 0,49 печ. л., в том числе 1 работа в центральной печати.

На защиту выносятся научные положения:

1. Математическая модель теплонапряженности огневого днища головки цилиндров дизеля для расчета температурных напряжений методом конечных элементов.

2. Результаты математического моделирования температурных напряжений в огневом днище в процессе эксплуатации серийных и экспериментальных головок и крышек цилиндров дизелей.

3. Теоретическое обоснование применения деконцентраторов напряжений для снижения температурных напряжений и деформаций на огневом днище ГБЦ.

4. Экспериментальное подтверждение теоретических расчетов по снижению напряжений и деформаций в головках и крышках цилиндров дизелей при использовании деконцентраторов напряжений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку:

- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СГАУ в 2001-2005 гг.;

- на международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.Ф.Ульянова. Секция «Технический сервис и электрификация сельского хозяйства». ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова». Саратов, 2005;

- на ежегодном международном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания», г. Саратов, 2001-2005 гг.;

- на расширенном заседании кафедры «Сопротивление материалов и стандартизация» ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» 2005 г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, приложений, содержит 190 страниц машинописного текста, 78 рисунков, 12 таблиц, список литературы включает 102 работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» приводится краткая характеристика существующих дефектов ГБЦ, возникающих при эксплуатации дизелей. Проведен анализ факторов, вызывающих напряженное состояние ГБЦ. Рассмотрены природа и механизм образования термической деформации и остаточных напряжений на тепловоспринимающей поверхности ГБЦ, приводящих в к образованию термоусталостных трещин в межклапанных перемычках. Установлено, что появление такого дефекта связано, в первую очередь, с тепловой напряженностью ГБЦ, неравномерностью распределения температуры по тепловоспринимающей поверхности ГБЦ, плохим теплоотводом в области межклапанной перемычки из-за наличия бобышки под форсуночный стакан (увеличение площади поперечного сечения).

Исследованиями в области температурных напряжений, разработкой способов повышения надежности ГБЦ и повышения термоусталостной прочности занимаются такие ученые, как Г.Д. Межецкий, С.П. Косырев, В.В. Чекмарев, A.C. Орлин, Н.Д. Чайнов, Б.А. Взоров, Е.В. Исаев, А.Е. Яковишин, Л.Г. Мильштейн, А.К. Костин и многие другие. Среди зарубежных авторов можно отметить: Р. Бертодо, Т. Картера, И. Алькока, М. Хайлига и других. Большинство работ посвящено оптимизации конструкции головок и крышек цилиндров дизелей, организации системы эффективного охлаждения, используемой в новых головках. Ряд работ посвящен вопросам повышения надежности и термоусталостной прочности в процессе эксплуатации. Проведенный анализ существующих способов повышения надежности и способов восстановления дефектов ГВЦ показал, что они малоэф-

фективны, недостаточно снижают термическую напряженность в огневом днище ГБЦ, не уменьшают их деформацию и не увеличивают их долговечность, имеют высокую трудоемкость при реализации, поэтому создание альтернативных методов повышения надежности ГБЦ дизелей является актуальным. Исходя из результатов анализа и в соответствии с поставленной целью сформулированы задачи исследований:

1. Произвести анализ дефектов головок и крышек цилиндров дизелей и способов их восстановления.

2. Разработать математическую модель теплонапряженности огневого днища ГБЦ и теоретически обосновать способ повышения их долговечности.

3. Обосновать конструктивные параметры деконцентраторов напряжений в ГБЦ, повышающих надежность и эффективность дизеля в эксплуатации.

4. Разработать методику исследования лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний экспериментальных головок и крышек цилиндров дизеля.

5. Обосновать технико-экономическую эффективность предлагаемого способа повышения долговечности головок блока цилиндров дизелей применительно к ремонтному предприятию.

Во второй главе «Разработка математической модели тепло-напряженности огневого днища ГБЦ и теоретическое обоснование способа повышения их долговечности» предложено решение задачи тепловой напряженности ГБЦ в общем виде. Для этого с теп-ловоспринимающей поверхности вырезан стержень по сечению /-/ (рис. 1), проходящий через все изотермы, с бесконечно малым поперечным сечением йА, таким, что изменение температуры (А/) как по высоте рассматриваемого стержня, так и по ширине равно нулю (А/* = 0, А/а = 0), а его длина - прямолинейный участок огневого днища, взятый по наиболее нагретой области огневого днища со стороны гепловоспринимающей поверхности.

Стержень за пределами рассматриваемой области имеет жесткую заделку, поэтому для определения напряжений, деформаций и сил реакции заделки необходимо составить дополнительное уравнение - уравнение совместности деформаций:

Мн=ы„ (1)

где Д/я - деформация от реактивных сил; Д/, - деформация от воздействия термических факторов.

При решении задачи были получены следующие выражения:

H = E^dA'ix{t2-t1), (2)

о = ЕаЬ2-*,), (3)

где Н - сила реакции заделки; Е - модуль Юнга; НА - площадь поперечного сечения стержня; а - коэффициент теплоотдачи; ('2 ~ температурный градиент.

Рис. 1. Распределение температуры по тепловоспринимающсй поверхности ГБЦ

Рис. 2. Распределение температуры по длине стержня

Из (2) и (3) следует что сила реакции заделки, как и напряжение, зависит только от градиента температур, т.к. Е и а принимаются постоянными величинами для заданного материала. На рис. 2 представлено распределение температуры по длине стержня. Чем больше разница температур, тем больше значение силы реакции заделки, с которой она давит на межклапанную перемычку, и, следовательно, больше напряжения. Чтобы снизить напряженное состояние в области межклапанной перемычки, предложено ввести деконцентратор напряжений, ограничивающий воздействие силы Н на межклапанную перемычку. Деконцентратор напряжений представляет собой прорезь в теле объекта. В результате этого задача преобразуется из статически неопределимой в статически определимую. Для более детального расчета автором предложено решить задачу с применением ПЭВМ на основе выбранного численного метода расчета.

Выбранный метод конечных элементов реализуется в программе Ansys Workbench Suite 7.0. Для ее использования разработана математическая модель теплонапряженности огневого днища ГВЦ.

Для задания геометрических параметров использовалась пространственная модель, представляющая собой диск с отверстиями под седла клапанов (впускного и выпускного с установленным в него седлом клапана), а также отверстием под форсунку. В центральной части модели находится бобышка под форсуночный стакан. Со стороны охлаждаемой поверхности подводятся патрубки к впускному и выпускному клапанам. При проектировании геометрии учтена большая часть фасок и галтелей. В модели задействовано три объекта: седло выпускного клапана, форсуночный стакан и тело ГБЦ. При расчете учитывался материал каждого из объектов. При создании математической модели сделаны допущения об идеальном контакте между сопряженными поверхностями стакана форсунки и бобышки днища, а также вставными гнездами клапанов газораспределения и днищем, что позволило значительно ее упростить.

При задании термических граничных условий к каждой поверхности были подобраны виды взаимодействия среды и ГБЦ, наиболее точно передающие условия работы. Учтено давление форсуночного стакана и форсунки.

Граничные условия на тепловоспринимающей поверхности днища ГБЦ - средний по времени коэффициент теплоотдачи и средняя результирующая по теплоотдаче температура газа:

/аЕ(т)/г(т)£г

Граничные условия на охлаждаемых поверхностях днища и стакана форсунки - расчетная формула для определения локальных коэффициентов теплоотдачи носит критериальный характер:

N11у = Сг IРе^ ¥г0/3 К" . (5)

в) )

Уравнение действительно при выполнении следующих ограничений:

7 103 <,ШГ<,2,5 103; 1,5<,Гг/£20, 1<р<245 кПа;

у»

0,75• 10~3 1,4• 10'3 и ц<20,93■ 105кДж/(м2ч). Г

Граничные условия на внутренних поверхностях каналов газораспределения для выпускного и впускного клапанов - коэффициенты конвективной теполоотдачи от воздуха и выпускных газов стенкам газовых каналов при условии стационарности:

N11 = 0,209 Ке0,63(1 - 0,765Аф);

N11 = 2,69 Ке05 (1 - 0,797Аф). (6)

Граничные условия на рабочих фасках гнезд клапанов - средне-интегральные за цикл значения теплоотдачи от клапанов а^ и температуры в проходных сечениях, эквивалентны теплоотдачи :

« _«ктУк + ав(Уц-Ук). , _<ктФк+'в(Фц-Фк)

аКЛ — „ > »КЛ - _ ЛП

Фц Фц

Используемые основные структурные принципы расчета методом конечных элементов для теплонапряженного состояния отражены в соотношениях (8)-{11):

Связь напряжений с деформациями (используемая данной программой):

ю-ми. да

где {а} - вектор напряжения =[алСУуСТгахуакгахг] г (вывод как

51 - матрица жесткости напряжений); [й] - матрица напряжений, для нескольких анизотропных элементов, определенных по полному матричному выражению; {ее/}= {е}~{Е / ~ вектор упругой деформации; {е} - тотальный вектор деформации;

6лте*гехг]Г > {е'А } - тепловой вектор деформации.

Формула тепловой деформации в узле в упрощенной форме:

бл =а(т-Гг<г). (9)

Приведенное выше уравнение предполагает, что параметр а является независимой величиной и, в частности, не зависит от температуры. Если а является функцией температуры, то уравнение (9) примет вид:

(Ю)

где аш(Т) - мгновенный коэффициент теплового расширения. Уравнение равновесия для одного базисного элемента:

(кЬ М){«}-[ме]{ и}+ {гг}+ {г?}, (. о

где - матрица жесткости элемента; [/Г/ ] - матрица жесткости основы элемента; - тепловой вектор нагрузки элемента;

[Ме] - матрица массы элемента; {й} вектор ускорения;

} ~~ вектор давления элемента. Геометрия и граничные условия математической модели наиболее точно передают условия работы серийного образца огневого днища головки блока цилиндров ЯМЗ-240Б.

В третьей главе «Общая методика исследований» изложены программа и методика проведения теоретических и экспериментальных исследований, а также описываются используемые при исследовании приборы.

В программу научно-исследовательских мероприятий включены следующие основные разделы:

1. Методика сбора информации по головкам и крышкам цилиндров и ее статистическая обработка. Проведено обследование рем-фонда дизелей ЯМЗ в Саратовской области в условиях Энгельсского

АРЗ. На основании статистической обработки установлено, что наиболее характерными дефектами деталей, образующих камеру сгорания, являются деформация привалочной плоскости - 100%, термоусталостные трещины в ГБЦ - 85 %.

2. Методика определения температурных напряжений на тепло-воспринимающей поверхности огневого днища. Основой теоретических исследований является предложенная автором математическая модель теплонапряженности объекта исследований (огневое днище ГБЦ ЯМЗ-240Б) и выбранный численный метод расчета, математического моделирования. В нашем случае в качестве метода расчета выбран метод конечных элементов, реализованный в программе Ansys Workbench Suite 7.0. Геометрия математической модели включает три элемента: тело ГБЦ с патрубками и бобышкой под форсуночный стакан, гнездо выпускного клапана, форсуночный стакан. Использованы граничные условия как термические, так и силовые.

3. Методика и результаты экспериментального определения температур огневого днища головки цилиндров. Термометрирование проводилось для определения относительной ошибки теоретических и экспериментальных расчетов на наиболее теплонапряженном режиме работы двигателя ЯМЗ-240Б при Ne = 158 кВт, а стендовые испытания дизелей проводились в соответствии с ГОСТ 18509-88. При этом использовался обкаточно-тормозной стенд КИ-2118А, оборудованный приборами контроля.

4. Оптимизация математической модели теплонапряженности огневого днища. Проведена оптимизация математической модели по методике, предложенной во второй главе. Оптимизация направлена на снижение теплонапряженного состояния ГБЦ и деформации привалочной плоскости ГБЦ.

5. Методика лабораторных испытаний. Для подтверждения теоретических расчетов выполнены лабораторные испытания на специально разработанной лабораторной установке. Целью испытаний являлось сравнение термостойкости стандартных и опытных образцов. При испытании создавалось условие местного перегрева образцов в области межклапанной перемычки. Метод нагрева, используемый на установке, - метод активного сопротивления.

6. Методика стендовых испытаний. Стендовые испытания проводились с экспериментальными ГБЦ, которые устанавливались на рабочие дизели. Обкатка и испытание дизеля осуществлялись в со-

ответствии с РМТ 10.16.0001.027-87 «Обкатка и испытание тракторных и комбайновых дизелей при капитальном ремонте» и ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний».

Методика эксплуатационных испытаний. Эксплуатационные испытания дизелей ЯМЗ-240Б с экспериментальными ГБЦ проводились в ООО «Агрофирма Весна» Красноармейского района Саратовской области. Они были установлены на пяти тракторах К-700А, которые участвовали во всех сельскохозяйственных работах. В процессе испытаний производился замер термической деформации при-валочной плоскости ГБЦ.

В четвертой главе «Обоснование конструктивных параметров деконцентраторов напряжений в ГБЦ, повышающих надежность и эффективность дизеля в эксплуатации» приводятся результаты расчетов теплонапряженного состояния ГБЦ. Из результатов расчета (рис. 3, 4) следует, что максимальная температура находится в области межклапанной перемычки со стороны выпускного клапана, а максимальные напряжения - в области межклапанной перемычки, на прямых, соединяющих центр форсуночного отверстия с центрами седел клапанов, на кромках форсуночного отверстия. Максимальное расчетное значение напряжений совпадает с точкой зарождения и развития трещин.

Для подтверждения правильности задания граничных условий и определения достоверности расчетов произведено термометрирова-ние ГБЦ по 9 точкам. Максимальная погрешность между результатами расчета и экспериментальными данными составляет 9,34 %, а между расчетными и литературными данными - 6,17 %. На основании рекомендаций, предложенных в главе 2, введен один дсконцен-тратор напряжений (А/ = 0 ). При этом напряжение на тепловоспри-нимающей поверхности снизилось (рис. 5), но возросло у основания деконцентратора напряжений, что крайне нежелательно. Поэтому принято решение о необходимости введения как минимум двух деконцентраторов напряжений с целью изолировать опасную область межклапанной перемычки от силового воздействия поверхностных слоев при тепловом расширении. По результатам исследований получены зависимости напряжений от расположения деконцентраторов (см. рис. 6) и выбрано их оптимальное расположение, максимально снижающее напряжения и деформацию в теле ГБЦ.

Деконцентраторы напряжений 1 и 2 (рис. 7) выполнены перпендикулярно плоскости огневого днища 3 на глубину нерабочей фаски клапана, не превышая при этом 3,5-5 мм, что позволяет не ослаблять посадочные места под гнезда клапанов 4 и 5 и ГБЦ в целом. В сечении по нормали деконцентраторы напряжений 1 и 2 имеют вид прямоугольника, у которого одна из меньших сторон, обращенная к форсуночному стакану, скруглена.

Это позволяет снизить концентрацию напряжений на кромках деконцентраторов напряжений 1 и 2. Деконцентраторы напряжений выполнены прямолинейно, что значительно снижает трудоемкость при их изготовлении. Ширина деконцентраторов составляет 1 мм. Размер получен с учетом технологии изготовления.

Рис. 3. Теплонапряженность огневого дниша: а - поля температур на тепловоспринимающей поверхности огневого днища Т, К; б - поля напряжений на тепловоспринимающей поверхности огневого днища а, МПа

Применение разработанной технологии позволяет снизить общий уровень напряжений на 20 %, термоусталостные напряжения в области перемычек 10 и 11 на 45 %, предотвратить накопление оста-

0 45 0.35 0.25 0 25 0.85

0.25

Рис. 4. Схема полей напряжений математической модели серийного огневого днища в сечении по форсуночному отверстию, о 101 МПа

точных напряжений и деформаций, что значительно продлит срок службы ГБЦ.

Следует отметить, что чугун, из которого выполняются ГБЦ, является анизотропным материалом, который способен выдержать нагрузки на сжатие в 4 раза больше, чем на растяжение. При данном способе нагружения, которому подвержена ГБЦ в процессе эксплуатации, поверхностные слои привалочной плоскости ГБЦ растягиваются, а нижние, начиная с нейтральной линии, сжимаются. Применение деконцентраторов напряжений позволяет снизить напряженное состояние ГБЦ в поверхностных слоях привалочной плоскости, переместить максимум напряжений на уровень нейтральной линии и ниже (рис. 8), т.е. в область, в которой чугун способен выдержать нагрузки в 4 раза больше, чем на поверхности, подвер-

„ „ „ женной растяжению.

Рис. 5. Схема полей напряжений

математической модели огневого днища

с одним деконцентратором в сечении

по форсуночному отверстию, а 103МПа

Рис. 6. Напряжения на тепловоспринимающей поверхности в зависимости от расположения деконцентратора напряжений: а - второго деконцентратора (2 на рис. 7) по мере удаления его от центра форсуночного отверстия; б - первого (1 на рис. 7) по мере удаления его от центра форсуночного отверстия:

—о--зависимость а(/) на тепловоспринимающей поверхности;

—--зависимость о(/) у основания деконцентратора напряжений

Рис. 7. Схема размещения деконцентраторов напряжений на огневом днище ГБЦ ЯМЗ-240Б: 1, 2 - деконцен- .6 траторы напряжений; 3 - ог- 10 невое днище ГБ11,; 4, 5 - седло в выпускпого/впускного клапа- ^ на; 6 - форсуночное отверстие; 7, 8 - впускное/ выпускное клапанное отверстие; 9 - межклапанная перемычка; 10, 11 - перемычки, ограни- д ченные деконцентраторами напряжений, между форсу- 3 ' ночным отверстием и выпускным и впускными клапанами соответственно

В пятой главе «Лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания экспериментальных головок и крышек цилиндров дизелей» представлены исследования термоусталостной прочности ГБЦ с деконцентраторами и без них, а также обоснование технологии ремонта. При этом использована специально разработанная лабораторная установка, на которой имитируется условие местного перегрева в области межклапанной перемычки. Нагрев осуществляется методом активного сопротивления. В результате лабораторных испытаний установлено, что термостойкость образцов с деконцен-

траторами напряжений в 7 раз выше термостойкости образцов без них.

В реальных условиях на ГБЦ действуют не только термические факторы, которые являются определяющими при образовании термоусталостной трещины, но и механические, такие, как затяжка шпилек крепления ГБЦ, сила давления форсунки и форсуночного стакана, и факторы, определяемые условиями эксплуатации. С учетом этого прогнозируется увеличение термоусталостной прочности

Стендовые испытания дизелей ЯМЗ-240Б проводились на ОАО «Энгельсский авторемонтный завод» и показали, что основные параметры (частота вращения коленчатого вала, мощность, давление в системе смазки, удельный расход топлива, температура масла и охлаждающей жидкости) соответствуют техническим требованиям на капитальный ремонт.

Эксплуатационные испытания дизелей ЯМЗ-240Б с экспериментальными ГБЦ проводились в ООО «Агрофирма Весна» Красноармейского района Саратовской области. Деконцентраторы в экспериментальной ГБЦ наносились на поверхность огневого днища через один цилиндр. Они были установлены на пяти тракторах К-700А, которые участвовали во всех сельскохозяйственных работах.

При испытании получены результаты замеров деформации при-валочной плоскости ГБЦ (рис. 9). Из представленной диаграммы следует, что коробление привалочной плоскости в тех цилиндрах, в которых были нанесены деконцентраторы напряжений, в 3 раза меньше, чем в тех цилиндрах, в которых они отсутствуют. Также установлено, что мощностные показатели и расход топлива остались

экспериментальных ГБЦ в 3-4 раза.

Рис. 8. Распределение напряжений по толщине огневого днища ГБЦ, взятых мо образующей форсуночного отверстия, проходящей через максимум напряжений:

—•—экспериментальный образец; -—о—серийный образец

в допустимых пределах. После наработки дизеля в 750-950 мото-ч микротрещин в опытных головках блока цилиндров не обнаружено.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 18 МШП.П.

Рис. 9. Остаточная деформация огневого днища в области межклапанной перемычки при эксплуатации дизеля ЯМЗ-240Б: ——ф серийный образец, наработка 900 мото-ч

_ _ серийный образец, наработка 500 мою-ч

экспериментальный образец, наработка 950 мото-ч экспериментальный образец, наработка 500 мото-ч

В шестой главе «Обоснование технико-экономической эффективности предлагаемого способа повышения долговечности головок и крышек цилиндров дизелей, применительно к ремонтному предприятию» разработан технологический процесс, максимально снижающий трудоемкость работ по нанесению декон-центраторов напряжений. Деконцентраторы напряжений наносятся путем фрезерования за один проход дисковыми фрезами толщиной 1 мм с радиусом закругления зуба 0,5 мм. Операции выполняется без выпрессовки седел клапанов, что снижает трудоемкость выполняемых работ. Себестоимость выполняемой работы составила 80 руб. 75 коп., экономический эффект на одну головку составил 896 руб. 79 коп. Коэффициент целесообразности восстановления показал увеличение экономической эффективности при применения предлагаемого способа в 4 раза.

Применение деконцентраторов напряжений позволит сократить два плановых текущих ремонта ГВЦ в процессе эксплуатации, исключить из структуры ремонтно-обслуживающих воздействий все

возможные неплановые текущие ремонты, а также снизить трудоемкость при капитальном ремонте (рис. 10). Ликвидировать простои, связанные с выполнением текущих ремонтов ГБЦ.

ТО 3 ТО 3 --1 ТО 3

ТО 3 ТРП то 3 ТРП ТО 3 ТО 3 ТРП ТО 3

кхуюм.

0,96

* 1 (19

' - 57 я ТЫС МОТО-Ч

Дн I—I

I КР I

таз то з таз то з таз I I то з то з

тыс мого-ч.

Рис. 10. Структура ремонтно-обелуживающих воздействий'

а - без деконцентраторов б - с деконцентраторами

ТОЗ

(по результатам диагностирования)

Йтоз

-текущий ремонт плановый г-| . третЬе техническое обслуживание

(по результатам диагностирования) 1—1

КР

ДН

- неплановый текущий ремонт ^ . операция по „анесанию

декониен'раторов напряжений

- не плановый текущий ремонт ИХХХХ] - использование по назначению

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ ремонтного фонда головок блока цилиндров дизелей ЯМЗ-240Б, ЯМЗ-238НБ, поступивших на капитальный ремонт, показал. что коробление тепловоспринимающей поверхности огневого днища составляет 100 %; до 85 % головок блока цилиндров имеют термоусталостные трещины в области межклапанной перемычки, развитие которых приводит к выбраковке ГБЦ дизеля. Существующие способы восстановления: заварка трещин, фигурные вставки, штифтовой способ и другие - недостаточно снижают напряжения в огневом днище головок блока цилиндров, не уменьшают их деформаций в процессе эксплуатации.

2. Разработанная математическая модель огневого днища головок цилиндров дизелей ЯМЗ-240Б, ЯМЗ-2Э8НБ и теоретические расчеты температур показали, что наибольшие температуры (Т = 653 К) расположены на прямой, соединяющей центр форсуночного отверстия с центром выпускного клапана.

Согласно теоретическим расчетам максимальные напряжения находятся на прямых, соединяющих центр форсуночного отверстия с центрами седел впускных и выпускных клапанов (значение эквива-

лентного напряжения в этих точках составляет 1105 МПа и 940 МПа соответственно). Максимальные напряжения совпадают с местом зарождения и развития трещин.

3. Теоретически и экспериментально подтверждена необходимость двух деконцентраторов напряжений в области межклапанной перемычки головки блока цилиндров. Выбранная геометрия расположения деконцентраторов напряжений, скругление их кромок позволяют максимально снизить напряжения в области межклапанной перемычки. Глубина деконцентраторов 3,5-5 мм обосновывается технологией их нанесения и показателем максимального снижения напряжений в наиболее опасных местах.

Теоретически рассчитано и экспериментально подтверждено снижение деформации огневого днища, увеличение термоусталостной прочности, а вместе с ней повышение долговечности головок блока цилиндров с деконцентраторами напряжений в 3-4 раза.

Это приводит к повышению надежности дизеля при эксплуатации и обеспечивает эффективную его работу. Применение деконцентраторов напряжений позволит сократить два плановых текущих ремонта ГБЦ в процессе эксплуатации, исключает из структуры ре-монтно-обслуживающих воздействий все возможные неплановые текущие ремонты, а также снижает трудоемкость при капитальном ремонте и простои трактора, связанные с их выполнением.

4. Применение современной методики исследования позволило получить высокую сходимость теоретических и экспериментальных результатов исследования (9,34 %). Стендовые испытания дизелей ЯМЗ-240Б показали, что основные параметры (частота вращения коленчатого вала, мощность, давление в системе смазки, удельный расход топлива, температура масла и охлаждающей жидкости) соответствуют техническим требованиям на капитальный ремонт.

Эксплуатационные испытания дизелей ЯМЗ-240Б показали:

-применение деконцентраторов напряжений не отразилось на эксплуатационных показателях дизеля, работающего в реальных полевых условиях (мощностные показатели, расход топлива остались в допустимых пределах);

- после наработки дизеля 750-950 мото-ч микротрещин в опытных головках блока цилиндров не обнаружено.

5. Себестоимость восстановления одной ГБЦ С = 80,75 руб. Коэффициент целесообразности восстановления показал увеличение экономической эффективности при применении предлагаемого способа в 4 раза.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В следующих РАБОТАХ:

1. Захаров, А. А. Разработка технологии повышающей долговечность головок цилиндров дизелей / А. А. Захаров // Тезисы докладов научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 115-летию со дня рождения академика Н. И. Вавилова / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2002. - С. 27-28 (0,06 печ. л.).

2. Захаров, А. А. Анализ напряженного состояния и способы повышения надежности головок блока цилиндров дизелей /' А. А. Захаров // Молодые ученые ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» - агропромышленному комплексу Поволжского региона: сб. науч. тр./ ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2003. - С. 458-462 (0,25 печ. л.).

3. Захаров, А. А. Методика определения теплонапряженного состояния головки блока цилиндров дизельного двигателя / Г. Д. Ме-жецкий, В. В. Чекмарев, А. А. Захаров // Совершенствование технологий и организации обеспечения работоспособности машин: межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 2004. - С. 88-93 (0,33 печ. л., авторские 0,11 печ. л.).

4. Захаров, А. А. Теоретические основы повышения долговечности головок и крышек цилиндров дизелей / Г. Д. Межецкий,

B. В. Чекмарев, А. А. Захаров // Вестник СГАУ. - 2005. - № 2. -

C. 55-58 (0,36 печ. л., авторские 0,12 печ. л.).

5. Захаров А. А. Технология восстановления головок блока цилиндров / А. А. Захаров // Ульяновские чтения - 2005: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Алексея Федоровича Ульянова. Секция «Технический сервис и электрификация сельского хозяйства». Часть 1 / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2005. -С. 88-91 (0,18 печ. л.).

Подписано в печать 26 09 2005. Формат 60*84 1 '/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times _Печ л 1,0 Тираж 100. Заказ 15/15_

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им Н И Вавилова» 410600, Саратов, Театральная пл., 1

РНБ Русский фонд

2006-4 15416

Ш 1/2 W

ф стр.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Анализ напряженного состояния головок блоков цилиндров дизелей.

1.1.1. Остаточные напряжения.

1.1.2. Монтажные напряжения.

1.1.3. Рабочие напряжения.

1.1.4. Термические напряжения.

1.2. Механизм образования трещин в огневом днище.

1.3. Способы повышения надежности головок блоков цилиндров.

1.3.1. Остаточные напряжения и монтажные напряжения.

1.3.2. Термические напряжения.

1.4. Способы восстановления головок блоков цилиндров дизелей.

1.5. Цель и задачи исследования.

Выводы по разделу.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ ОГНЕВОГО ДНИЩА ГБЦ И

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА

ПОВЫШЕНИЯ ИХ ДОЛГОВЕЧНОСТИ.

2.1. Теоретическое обоснование способа повышения долговечности ГБЦ.

2.2. Выбор метода и программы расчета.

2.3. Основные структурные принципы.

2.3.1. Связь напряжений с деформациями.

2.3.2. Температура — связь с коэффициентом теплового расширения.

2.3.3. Вывод структурной матрицы.

Р 2.4. Математическая модель теплонапряженности огневого днища.

2.4.1 Определение граничных условий на основных поверхностях модели.

2.4.2 Состав поверхностей расчетной модели огневого днища, требующих задания граничных условий.

2.4.3. Граничные условия на тепловоспринимающей поверхности днища головки цилиндров.

2.4.4. Граничные условия на охлаждаемых поверхностях днища и стакана форсунки.

2.4.5. Граничные условия на внутренних поверхностях каналов газораспределения.

2.4.6. Граничные условия на рабочих фасках гнезд клапанов.

2.4.7. Граничные условия на торцах газовых каналов.

2.4.8. Силовые граничные условия.

Выводы по разделу.

3. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.;.

3.1. Методика сбора информации по головкам и крышкам цилиндров и их статистическая обработка.

3.2. Методика определения температурных напряжений на тепловоспринимающей поверхности огневого днища.

3.2.1. Методика и результаты экспериментального определения температур огневого днища головки цилиндров.

3.2.2. Оптимизация математической модели огневого днища.

3.3. Методика лабораторных испытаний.

3.4. Методика обработки экспериментальных данных.

3.5. Методика стендовых испытаний.

3.6. Методика эксплуатационных испытаний.

4. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЕКОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ В ГБЦ, ПОВЫШАЮЩИХ

Ш НАДЕЖНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДИЗЕЛЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ.

4.1. Результаты расчетов полей напряжений и температур.

4.2. Анализ результатов расчетного определения температур и напряжений в огневом днище серийной головки цилиндров.

4.3.Оценка сходимости расчетных данных.

4.4. Особенности размещения деконцентраторов напряжений на огневом днище головок блока цилиндров.

Выводы по разделу.

5. ЛАБОРАТОРНЫЕ, СТЕНДОВЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ГОЛОВОК И КРЫШЕК ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЕЙ.

5.1. Лабораторные исследования.

5.2. Результаты стендовых испытаний.

5.3. Результаты эксплуатационных испытаний.

Выводы по разделу.

6. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМОГО СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК И КРЫШЕК ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЕЙ, ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕМОНТНОМУ ПРЕДПРИЯТИЮ

6.1. Технологический процесс.

6.2. Экономическое обоснование.

6.3. Экономическая эффективность ГБЦ с деконцентраторами напряжений при эксплуатации.

Выводы по разделу.

Одним из важнейших направлений в развитии сельского хозяйства является механизация всех видов сельскохозяйственных работ, основой которой служат мощные высокопроизводительные трактора.

Более 80 % всех сельскохозяйственных операций выполняется тракторами и сельскохозяйственными машинами, энергетическим элементом которых является двигатель внутреннего сгорания. Наиболее эффективными двигателями внутреннего сгорания являются дизели. В сельском хозяйстве широко используются А-41, А-01М, а также высокофорсированные дизеля ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240Б. Современный дизель должен удовлетворять следующим основным требованиям: повышенная мощность и надежность, малая металлоемкость, и малый удельный расход топлива.

Однако, как показывает практика, надежность и экономичность сельскохозяйственной техники, находящейся в эксплуатации, не отвечает современным требованиям. За последнее время количество тракторов сократилось более чем на 460 тыс. единиц. Существующий машинотракторный парк лишь на 50-60% удовлетворяет потребности сельского хозяйства в технике. В связи с этим резко возросла нагрузка на технику, находящуюся в эксплуатации. Дефицит запасных частей и их дороговизна привела к сокращению объемов капитальных ремонтов дизелей. В связи с этим большая часть эксплуатируемых дизелей имеет повышенный расход топлива (на 15-25 %), пониженную мощность на (12-27 %). Важным резервом повышения эффективности использования ремонта техники, экономии материальных и сырьевых ресурсов (агрегатов и узлов) является повышение долговечности на основе улучшения существующей технологии ремонта.

Увеличение нагрузки, повышенная мощность, а также снижение металлоемкости приводит к перегреву отдельных деталей камеры сгорания, в частности, к перегреву головок блока цилиндров (ГБЦ), что снижает их долговечность. Обследование ремфонда дизелей ЯМЗ в Саратовской области показало, что наиболее характерным дефектом деталей, образующих камеру сгорания, являются термическая деформация привалчной плоскости (100%), которая приводит к образованию термоусталостных трещины в ГБЦ (85 %).

Актуальность темы. Установлено, что причиной возникновения трещин на тепловоспринимающей поверхности ГБЦ является термическая деформация, которая возникает из-за циклической смены температурных режимов. Эти трещины, получившие название термоусталостных, приводят к потере мощности, снижению работоспособности дизеля и являются причиной выбраковки ГБЦ.

Исследованиями в области температурных напряжений, а так же способами повышения надежности ГБЦ и повышением термоусталостной прочности занимаются такие ученые как Г. Д. Межецкий, С. П. Косырев, В. А. Стрельников, В. В. Чекмарев, А. С. Орлин, Н. Д. Чайнов, Б. А. Взоров, Е. В. Исаев, А. Е. Яковишин, JI. Г. Милыытейн, А. К. Костин и многие другие. Среди зарубежных авторов можно отметить: Р. Бертодо, Т. Картера, И. Алькока, М. Хайлига, и других. Все работы в основном нацелены на оптимизацию конструкции головок и крышек цилиндров дизелей, на организацию системы эффективного охлаждения, используемой в новых головках. Лишь немногие работы посвящены вопросам повышения надежности и термоусталостной прочности ГБЦ в процессе эксплуатации.

Существующие способы восстановления ГБЦ дизелей (пайка, различные способы заварки, постановка фигурных вставок, штифтовой способ) нельзя признать удовлетворительными. Применение их не повышает термоусталостную прочность ГБЦ и значительно увеличивает стоимость ремонта. Долговечность деталей, восстановленных вышеперечисленными способами, составляет 50-60 % от ресурса новой ГБЦ. При применении этих способов восстановления не решается основная проблема термоусталостной прочности — неравномерность нагрева по поверхности огневого днища в процессе эксплуатации дизеля и, как следствие, релаксационная деформация в межклапанной перемычке. При охлаждении в области межклапанной перемычки появляются напряжения растяжения, которые повышаются вместе с увеличением деформаций в процессе эксплуатации дизелей.

Следует также отметить такие способы, как армирование форсуночного отверстия теплопроводной втулкой и замена огневого днища, которые показали повышение термостойкости ГБЦ. В силу своей высокой трудоемкости и сложности операций реализация этих способов ограничена.

В следствии этого, в диссертации решалась научная задача, заключающаяся в теоретическом прогнозировании снижения деформаций и напряжений в ГБЦ при эксплуатации, и определялись пути повышения долговечности при их ремонте с учетом снижения трудоемкости на выполняемые работы.

Актуальность работы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с региональной научно-технической программой развития Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в Агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 го-да»/№ гос. регистрации 6400052004/ и комплексной темы № 5.2.1 НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» имени Н.И. Вавилова «Повышение долговечности корпусных деталей и деталей газораспределения дизелей».

Цель работы. Повышение долговечности головок блока цилиндров дизелей при восстановлении путем применения деконцентраторов напряжений.

Объект исследования - головки цилиндров дизеля ЯМЗ-240Б.

Предмет исследования — теплонапряженность огневого днища головок и крышек цилиндров.

Методика исследований использует современные методы расчета и измерительные приборы. Для измерения глубины трещин применялся элек-тро-потенциальный дефектоскоп ЭПД-6, для измерения деформаций прива-лочной плоскости - индикатор часового типа со скобой, для контроля температуры при испытании на термоусталостную прочность - прибор «Digital Multimeter DT 838» и хромель-алюмелевая термопара. Моделирование температурных напряжений, их оптимизация и обработка результатов эксперимента осуществлялись на современных ПЭВМ.

Научная новизна работы заключается в предложенном автором методе снижения теплонапряженности и поверхностных деформаций огневого днища ГБЦ при эксплуатации на основе новой технологии, повышающей долговечность ГБЦ. Научная новизна подтверждена положительным решением на выдачу патента по заявке на изобретение конструкции ГБЦ № 2003135826/06(038600).

Практическая ценность работы. На основании проведенных исследований теоретически обоснована и разработана новая технология восстановления ГБЦ методом деконцентраторов напряжений, способствующая снижению деформаций и напряжений ГБЦ, увеличению их долговечности, обоснована экономическая эффективность и целесообразность восстановления головок и крышек блока цилиндров.

Реализация результатов работы. Результаты исследований апробированы в ООО «Агрофирма Весна» Красноармейского района на пяти тракторах К-700А, на дизели которых установлены экспериментальные ГБЦ, что подтверждается актами.

На защиту выносятся научные положения:

1. Математическая модель теплонапряженности огневого днища головки цилиндров дизеля для расчета температурных напряжений методом конечных элементов.

2. Результаты математического моделирования температурных напряжений в огневом днище в процессе эксплуатации серийных и экспериментальных головок и крышек цилиндров дизелей.

3. Теоретическое обоснование применения деконцентраторов напряжений для снижения температурных напряжений и деформаций на огневом днище ГБЦ.

4. Экспериментальное подтверждение теоретических расчетов по снижению напряжений и деформаций в головках и крышках цилиндров дизелей при использовании деконцентраторов напряжений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СГАУ в 2001-2005 гг.;

-на международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.Ф. Ульянова. Секция «Технический сервис и электрификация сельского хозяйства». ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова». Саратов, 2005; на ежегодном международном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания», г. Саратов, 2001-2005 гг.; на расширенном заседании кафедры «Сопротивление материалов и стандартизация» ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» 2005 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ. Общий объем публикаций составляет 1,18 печ. л., в соавторстве 0,72 печ. л., авторских - 0,49 печ. л., в том числе 1 работа в центральной печати.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, приложений, содержит 190 страниц машинописного текста, 78 рисунков, 12 таблиц, список литературы включает 102 работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ ремонтного фонда головок блока цилиндров дизелей ЯМЗ-240Б, ЯМЭ-238НБ, поступивших на капитальный ремонт, показал, что коробление тепловоспринимающей поверхности огневого днища составляет 100%; до 85 % головок блока цилиндров имеют термоусталостные трещины в области межклапанной перемычки, развитие которых приводит к выбраковке ГБЦ дизеля. Существующие способы восстановления: заварка трещин, фигурные вставки, штифтовой способ и другие не достаточно снижают напряжения в огневом дншце головок блока цилиндров, не уменьшают их деформаций в процессе эксплуатации.

2. Разработанная математическая модель огневого днища головок цилиндров дизелей ЯМЗ-240Б, ЯМЗ-2Э8НБ и теоретические расчеты температур показали, что наибольшие температуры (Т=653 К) расположены на прямой, соединяющей центр форсуночного отверстия с центром выпускного клапана.

Согласно теоретическим расчетам максимальные напряжения находятся на прямых, соединяющих центр форсуночного отверстия с центрами седел впускных и выпускных клапанов (значение эквивалентного напряжения в этих точках составляет 1105 МПа и 940 МПа соответственно). Максимальные напряжения совпадают с местом зарождения и развития трещин.

3. Теоретически и экспериментально подтверждена необходимость двух деконцентраторов напряжений в области межклапанной перемычки головки блока цилиндров. Выбранная геометрия расположения деконцентраторов напряжений, скругление их кромок позволяют максимально снизить напряжения в области межклапанной перемычки. Глубина деконцентраторов 3,5—5 мм обосновывается технологией их нанесения и показателем максимального снижения напряжений в наиболее опасных местах.

Теоретически рассчитано и экспериментально подтверждено снижение деформации огневого днища, увеличение термоусталостной прочности, а вместе с ней повышение долговечности головок блока цилиндров с деконцентраторами напряжений в 3—4 раза.

Это приводит к повышению надежности дизеля при эксплуатации и обеспечивает эффективную его работу. Применение деконцентраторов напряжений позволит сократить два плановых текущих ремонта ГБЦ в процессе эксплуатации, исключает из структуры ремонтно-обслуживающих воздействий все возможные неплановые текущие ремонты, а также снижает трудоемкость при капитальном ремонте и простои трактора, связанные с их выполнением.

4. Применение современной методики исследования позволило получить высокую сходимость теоретических и экспериментальных результатов исследования (9,34 %). Стендовые испытания дизелей ЯМЗ-240Б показали, что основные параметры (частота вращения коленчатого вала, мощность, давление в системе смазки, удельный расход топлива, температура масла и охлаждающей жидкости) соответствуют техническим требованиям на капитальный ремонт.

Эксплуатационные испытания дизелей ЯМЗ-240Б показали: применение деконцентраторов напряжений не отразилось на эксплуатационных показателях дизеля, работающего в реальных полевых условиях (мощностные показатели, расход топлива остались в допустимых пределах);

- после наработки дизеля 750-950 мото-ч микротрещин в опытных головках блока цилиндров не обнаружено.

5. Себестоимость восстановления одной ГБЦ С=80,75 руб. Коэффициент целесообразности восстановления показал увеличение экономической эффективности при применения предлагаемого способа в 4 раза.

181

1. Авдеев М.А. Технология ремонта машин и оборудования / М.А. Авдеев, Е.Л. Воловик, И.Е. Ульман. М.: Агропромиздат, -1986. - 460с.

2. Аду со Л.К. К исследованию возможностей снижения температурного уровня поверхностей цилиндра поршневого двигателя / Л.К. Адусо, Х.Х. Олак, Я.К. Сарв //Сб. науч. труд. Эстонской сельскохозяйственной академии. -1974. №83. - С. 25-29

3. Алегшин НА. Температурное поле в головке форсированного дизеля / Н.А. Алегшин, Ю.С. Козлов, Ю.И Фокин // Двигатели внутреннего сгорания. Реф. сб. 4-78-19 М. -1978

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя/ В.И.Анурьев: в 3-х Т, Т.1, год-е 7 перераб. и доп. М: Машиностроение, 1992. - 816 с.

5. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы: Справочник/Б.Н. Арзамасов, В.А. Бросгрем, Н.А. Буше и др.; Гос. служба стандартных справочных данных- М.: Машиностроение, 1990. 688 с.:ил.

6. Аршинов В.Д. Ремонт двигателей ЯМЗ 240, ЯМЗ - 240 Н, ЯМЗ - 240 Б / В.Д. Аршинов, В.К. Зорин, Г.И. Созинов - М.: Из-во «Транспорт», 1978. - 310 е.: ил. и табл.

7. Беляев Н.М. Сопротивление материалов: Учеб. пособие дня студ. высших учеб. заведений/Н.М. Беляев-М.: Наука, 1976.680с.

8. Биргер НА. Остаточные напряжения / Н.А.Биргер М.: Машгиз, 1963 - 232 с.

9. Билик М.Б. Макрогеометрия деталей машин / М.Б. Блилик. М.: Машиностроение. -1969.-263 с.

10. Русаков П.В. Остаточные напряжения в отливках головок блока цилиндров и способ их уменьшения динамическим нагруженном / П.В.Русаков, О.И.Шинский // Процессы литья. 2000. - №3 - С. 26-30.

11. Вахтель В.Ю. Монтажные напряжения в головке цилиндров / В.Ю. Вахтель, Л.С. Аргунов, Ф.А. Брейман // Тракторы и сельхоз машины. -1971. -№5. С. 6-8.

12. Винокурова А.Ф. Ремонт трещин в чугунных деталях фигурными вставками / А.Ф. Винокурова // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. -1978. №5. -С.44—46.

13. Взоров Б.А. Конструктивные способы повышения термостойкости головок цилиндров / Б.А. Взоров, Е.В. Исаев, А.Е. Яковишин // Тракторы и сельхоз машины. -1970.-№5.-С. 8-11.

14. Власов ЯЛ. Влияние способа смесеобразования и степени форсировки на величину локальных тепловых потоков в крышке 4-х такгных дизелей / ЯЛ. Власов, Н.И. Молодцов // Сб. науч. труд. ЦНИДИ. 1977 - Вып. 72. - С. 86-91

15. Вознесенский Н.П. О причинах разрушения и выбора материалов головок цилиндров дизелей / Н.П. Вознесенский, АЛ. Логвиненко // Тракторы и сельхоз машины. 1971.-№2.-С. 13-14.

16. Гурвич И.Б. Эксплуатационная надежность автомобильных двигателей / И.Б. Гурвич, П.Э. Сыркин, В.И. Чумак. М.: Транспорт, 1994.

17. Горбань А.М. Расчетное определение температурного поля крышки рабочего цилиндра ДВС / А.М. Горбань, В.А. Прядко // Сб. нау. труд. НКИ. Николаев 1974 Вып. 79. С. 14—30.

18. РМТ 10.16.0001.027-87 Обкатка и испытание тракторных и комбайновых дизелей при капитальном ремонте Текст. Введ. 1987-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1987. IV, 58 с.: ил.

19. Давыдов Г.А. Температурные напряжения в деталях судовых дизелей / Г.А. Давыдов, М.К. Овсянников JL: Судостроение. - 1969. - 268 с.

20. Дизель А-41. Технические требования на капитальный ремонт. М.: ГОСНИТИ, 1978.-180 с.

21. Дорохов А.Ф. Исследование влияния режима работы и способа охлаждения на температурное состояние головки цилиндров вихрекамерного дизеля / А.Ф. Дорохов // Двигателестороение. -1979. -№10. С.9-10.

22. Дьяченко Н.Х. Теплообмен в двигателях и теплонапрряженность их деталей / Н.Х.Дьяченко, С.Н. Дашков, А.К. Костин, М.М. Бурин. JL: Машиностроение. - 1969. 247 с.

23. Ермаков В.Ф.Мешды определения локальных значений удельных потоков и средних за цикл коэффициентов теплоотдачи в цилиндрах ДВС / В.Ф. Ермаков // Двигателестроение. -1979. -№7. С. 69-72

24. Ждановский Н.С. Режимы работы двигателей энергонасыщенных тракторов / Н.С. Ждановский, А.В Николаев, В.С Шкрабак и др. JL: Машиностроение, 1980. - 240 с.

25. Зенкевич О.К. Метод конечных элементов в технике / О.К. Зенкевич М.: Мир, 1975.-541 с.

26. Исаев Е.В. Нагрузочные режимы деталей форсированных тракторных дизелей и пути повышения их надежности / Е.В. Исаев, А.В. Адамович, А.В. Взоров, Г.Б. Гершман и д.р.; Форсирование тракторных дизелей. Сб. науч. тр. Вып. 248. М.: НИТИ, - 1976. С. 13-31.

27. Исаченко В.П. Телопередача. / В.П. Исаченко В.А.Осипова, А.С. Сукомел М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

28. Калашников А.Г. О долговечности головок цилиндров тракторных дизелей / А.Г. Калашников // Тракторы и сельхоз машины. -1964. №2. - С. 7-8.

29. Кошкин В.К. Метод определения граничных условий для органов газораспределения ДВС с учетом их сопротивления теплопередачи и нестационарности истечения / В.К. Кошкин // Двигателесгроение. 1979. - №9 - С. 52 -56.

30. Кузьмичев В.Н. Влияние керамических покрытий на теплонапряженность деталей и эффективные показатели двигателя Д 21 / В.Н. Кузьмичев // Сб. науч. тр. ЧИМЭСХ. Вып. 54.-Челябинск.- 1972.-С. 155-162.

31. Краснощеков ЕА. Задачник по теплопередаче: Учебное пособие для ВУЗов / Е.А. Краснощекое, А.С. Сукомел. -М.: Энергия 1980.-288 с.

32. Крыскин Г.К. Опыт использования тракторов К-700 / Г.К. Крыскин, О.Н. Богвинкин, Н.А. Венченков и д.р. М.:Из-во «Колос», -1969. - 240с.

33. Лукашин В.М. Двигатели внутреннего сгорания. Компьютерный практикум моделирования процессов в ДВС: Учебник для ВУЗов / В.М. Лукашин, М.Г. Шатров, Т.Ю Крическая; под ред. В.М. Лукашин, 3 том. М. Высшая школа, 2005. - 414с.

34. Межецкий Г.Д. Исследование процесса изнашивания клапанных пар и обоснование рационального способа восстановления головок блока цилиндров дизельных двигателей/автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. тех. наук -Саратов,-1969.-25с.

35. Межецкий Г.Д. Сопротивление материалов: Учеб. пособие/ Г.Д. Межецкий, Загребин Г.Г., Решетник Н.Н. и др. Под ред. Г.Д. Межецкий, Загребин Г.Г.; ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» Саратов: СГАУ, 2004. - 416 с.

36. Межецкий Г.Д. Повышение долговечности головок цилиндров автотракторных дизелей / Г.Д. Межецкий, В.Г. Гончаренко // Техника в сельском хозяйстве -1971. №12. -С.59-60.

37. Межецкий Г.Д. Причины выбраковки головок блока цилиндров дизельных двигателей и способы их устранения/ Г.Д. Межецкий //. Прогрессивные способы восстановления деталей машин и оборудования. Саратов, 1972. С. 144-149

38. Межецкий Г.Д. Исследование дефектов головок блоков цилиндров тракторных двигателей/ Г. Д. Межецкий, В А. Стрельников, Г.П. Шаронов // Повышение долговечности сельхозмашин при ремонте. Сб.науч.работ. Вып.91 -Саратов, 1977. С. 8-15.

39. Межецкий Г.Д. О повышении термостойкости головок блока дизельных двигателей/ Г. Д. Межецкий, В А Стрельников, Г.П. Шаронов; Сборник научных трудов. Вып. 115, Из-во. Коммунист Саратов, 1978

40. Межецкий Г.Д. Анализ характерных дефектов в головках цилиндров двигателей ЯМЗ-238НБ, А-41, А-01М, СМД-14/ Г.Д. Межецкий, В.В. Чекмарев// Сборник научных трудов/ СИМСХ. Саратов, 1982. С. 94-101.

41. Межецкий Г.Д. Исследование монтажных напряжений в головках цилиндров тракторных двигателей/ Г.Д. Межецкий, В.В. Чекмарев //Повышение долговечности с.х.машин: Сб. науч. раб./ СИМСХ Саратов, 1984. - С. 18-26.

42. Межецкий Г.Д. Методика исследования термоусталостных трещин в головках цилиндров дизельных двигателей/ Г.Д. Межецкий, В.В. Чекмарев// Двигателе-строение. -1987.-№2.-С. 51-54.

43. Межецкий Г.Д. Анализ термоусталостных трещин в головках блоков цилиндров/ Г.Д. Межецкий, В.В. Чекмарев, ВА. Стрельников// Механизация и электрификация сельского хлз-ва. 1987- №1.- С.54-55.

44. Межецкий Г.Д. Увеличение глубины термоусталостных трещин в головках дизелей при эксплуатации/ Г.Д. Межецкий, А.А. Балдуев, В.А. Кузнецов // Двигателестроение. -1991. №2. -С.35-41.

45. Межецкий Г.Д. Повышение долговечности головок цилиндров дизелей путем снижения монтажных напряжений/ Г.Д. Межецкий, НА. Черкашин// Материалы Межгосуд.научно-техн. семинара, Вып. 5,1993, С. 125-126

46. Межецкий Г.Д. Восстановление головок цилиндров дизелей с трещинами в межклапанной перемычке/ Г.Д. Межецкий, В.В. Чекмарев// Сб.науч.работ./ Саратовский с/х институт им. В.Н.Вавилова Саратов, -1993. С.45-52

47. Межецкий Г.Д. Факторы, повышающие долговечность головок цилиндров дизелей/ Г.Д. Межецкий// Сб. научн. работ: Повышение надежности автотракторных дизелей при их ремонте и эксплуатации. Саратов, 1993, - С. 45-52

48. Межецкий Г.Д. Повышение долговечности головок и цилиндровых крышек дизелей путем совершенствования технологии ремонта / автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра. тех. наук Саратов, -1994. - 40с.

49. Межецкий Г.Д. Анализ деформационного состояния головок цилиндров дизелей, поступивших в капитальный ремонт/ Г.Д. Межецкий, А.А Трифонов// Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК СНГ Саратов, - 1999, - С.56-57

50. Межецкий Г.Д. Обоснование максимально допустимой глубины трещин в головках цилиндров ЯМЗ-2Э8НБ и разработка методов их восстановления/ Г Д. Межецкий,

51. В.В.,Чекмарев// Информационная карта по НИР № Госрегистрации 01817004429 Инв. № 02900013761// СИМСХ Саратов, - 1987.

52. Межецкий Г.Д. Теоретические основы повышения долговечности головок и крышек цилиндров дизелей / Г.Д. Межецкий, В.В. Чекмарев, А.А. Захаров // Вестник СГАУ. 2005.-№2. - С. 55-58.

53. Молодцов Н.И. Теплообмен в полуразделенной камере сгорания форсированного дизеля / Н.И. Молодцов, М.Р. Петриченко // Двигателесгроение. 1980. - №2. -С.5-7.

54. Надежность и ремонт машин: Учеб. пособие для спуд, высших учеб. заведений/ В.В. Курчаткин, Н.Ф. Тельнов, К.А. Ачкасов и д.р.; М-во сельского хоз. и прод. РФ М.: Изд-во «Колос», 2000 - 780 с.

55. Озеров М.А. Некоторые пути повышения прочности крышек цилиндров дизелей от температурных воздействий / М.А. Озеров, В.И. Ляшков // Энергомашиностроение. -1967.-№2.-С. 10-12.

56. Орлин А.С. Температурные напряжения в днище головок цилиндров ДВС / А.С. Орлин, Н.Д. Чайнов, Ю.С. Мосин // Энергомашиностроение. -1972. №1. - С. 9-11.

57. Павличенко А.М. Результаты экспериментального исследования тепловых и механических напряжений в крышке рабочего цилиндра двигателя 6 ЧН 25/34; Сб. науч. трудов НКИ. Вып. 65. Николаев: - 1973. - С. 45-49.

58. Пат. 1820016 ЧССР (CS), МПК7 F 02 F 1/30. Головка цилиндров дизельного двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением Текст. / Йонас Ф., Кроупа

59. П., Поспишил К.; заявитель и патентообладатель «ТАТРА» Н.П. Копривнице 4CCP(CS). -№ 7773028/06; заявл. 24.06.83 ; опубл. 07.06.93, Бюл. №21 3 е.: ил.

60. Пат. 2039881 Российская Федерация, МПК7 F 02 F1/30. Головка блока цилиндров с обработанной под клапан межклапанной перемычкой Текст. / Павлов А.В., Трушин

61. B.Н.; заявитель и патентообладатель Павлов А.В., Трушин В.Н. -№ 84021068/06 ; заявл. 05.04.90; опубл. 20.08.91, -2 е.: ил.

62. Пахомов В.В. Исследование температурного состояния цилиндровой крышки тепловозных двигателей ДН 23/30 / В.В. Пахомов, М.Г. Шифрин, Г.К. Кузнецов, М.О. Крабеолтников. // Двигатели внутреннего сгорания. Реф. сб. НИИИНФОРМИЯЖМАШ. -1969.-С. 10-13.

63. Попов В.Н. Теплонапряженность алюминиевых и чугунных головок цилиндров тракторного дизеля / В.Н. Попов, Н.М. Ашмарин, В.Н. Бугаев //Двигатели внутреннего сгорания. Реф. Сб. НИИИНФОРМТЯЖМАШ М.: -1971. - С. 215-218.

64. Резенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях / Г.Ю. Резенблит М.: 1977. - 130 с.

65. Резенблит Г.Б. Исследование контактного теплообмена между клапаном и седлом крышки цилиндров / Г.Б. Резенблит, Л.Г. Гулянский // Двигателесгроение. -1979. № 91. C. 89-93.

66. Ривкин С.Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара / С.Л. Ривки, А.А. Александров. М.: Энергия, 1980. - 120 с.

67. Розин Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам / Л.А. Розин- М.:Стройиздат, 1977-129 с.

68. Северный Э.С. Технология ремонта трещин в чугунных корпусных деталях тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин фигурными вставками / Э.С. Северный, В.Д. Андриянов, Н.А. Королев и др. М.: ГОСНИТИ. -1977. - 24 с.

69. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов / Л. Сегерлинд: Пер. с англ. Под. ред. Б.Е. Победри. М.: Мир, 1979 - 382 с.

70. Стефановский Б.С. О повышении работоспособности головок цилиндров дизелей с неразделенными камерами сгорания / Б.С. Стефановский, А.Л. Новинников, В.И. Пикус // Автомобильная промышленность. 1976. - №3. - С.9-11.

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

72. Стрельников В.А. Исследование и разработка технологии восстановления головок блоков цилиндров с повышенной термоусталостной прочностью / автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. тех. наук Саратов - 1981. - 24с.

73. Суходольская Е.А. Критерий оценки термической выносливости чугунов, применяемых для головок блока двигателей / Е.А. Суходольская, Е.А. Затолокин; Литейное производство. // Вестник харьковского политехнического института; вып. 5 . -1973.-№80.-С. 19-22.

74. Фомин В.М. Оценка уровня механической и тепловой напряженности днищ крышек малоразмерных дизелей. / В.М. Фомин; Двигатели внутреннего сгорания. Реф. сб. НИИИНФООРМТЯЖМАШ, 4-72-15. -М.: 1972, С. 1-6.

75. Фомин В.М.Исследование термонапряженности крышек цилиндров дизелей внутреннего сгорания / автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. тех. наук-М.,-1973.-24с.

76. Ховах М.С. К вопросу теплонапряженности быстроходных дизелей / М.С. Ховах, Б.С. Стефановский, А.С. Хачиян, В.А. Родинов и др. // Машиностроение. -1971. №10. С. 98-101.

77. Ховах М.С. Исследование теплоотдачи через поверхность головки цилиндра автотракторного дизеля с наддувом / М.С. Ховах, А.С. Хачиян, Н.И. Эсауленко, Б.В. Криленко и др.; Сб. науч. трудов МАДИ. Вып. 71. М.: МАДИ - 1972. - С. 54-57.

78. Чайнов Н.Д. Исследование характера напряженного состояния нижней плиты головки цилиндров / Н.Д. Чайнов, В.М. Фомин // Тракторы и сельхоз машины. 1974. №10.- С. 14-16

79. Чайнов Н.Д. Исследование теплового и напряженного состояния крышек цилиндров двигателей внутреннего сгорания / автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра тех. наук М. -1975. - 32с.

80. Чайнов Н.Д. К расчету температурных напряжений в днище крышек цилиндров двигателей внутреннего сгорания / Н.Д. Чайнов // Машиностроение 1970. - №5 - С. 125-131.

81. Чекмарев В.В. / Повышение долговечности головки цилиндров тракторных дизелей путем совершенствования технологии ремонта / автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. тех. наук Саратов -1987. - 24с.

82. Черепанов С.С. Комплексная система технического обслуживания и ремонта машин в сельском хозяйстве / С.С.Черепанов, А.С. Гальперин, Х.Г. Барам, В.М. Михлин, Л.М.

83. Пылыциков; Огв.ред.С.С.Черепанов, JI.M. Пылыциков, А.С. Гальперин, П.С. Фридрих; ГОСНИТИ-М.:ГОСНИШ, 1985.-216 с.

84. Шабров Н.Н. Метод конечных элементов в расчетах деталей тепловых двигателей / Н.Н. Шабров- JL: Машиностроение, 1983.-212 с.:ил.

85. Экономика ремонта сельскохозяйственной техники: Учеб пособие для высш. с.-х. заведений/ Ю А. Конкин М.: Из-во «Колос», 1983. -414 е., ил.

86. Методика определения экономической эффективности использования в с.х. результатов НИ и ОКР, новой техники, рац. предложений. М: Колос, 1980. -112 с.

87. Методика определения экономической эффективности и применения новой техники в народном хозяйстве// Вопросы экономики. 1984. - №9. - С. 141-152.

88. Яковишин А.Е. Разработка методики измерения термических напряжений в днище головки цилиндров; Сб. науч. трудов Вып. 221. -М.:НАТИ. 1973. - С. 38-46.

89. Bertodo R. Stress analysis of diesel-engine cylinder head / R. Bertodo, T.J. Carter //Strain analysis. Vol. 6. - 1971.-№1. P. 1-12.

90. Gottlieb W. Bohrungsgekuhlte Brennraumteile an Sulzer -Dieselmotoren / W. Gottlieb, B. Alois, M. Alfred // MTZ. -1978. -№9. S. 355 - 364.

91. Heimendahl M. Elektronen-mikroskopische Gefuge Untersuchung in der Ungebung eines Zylinderskopfrisses / M. Heimendahl // Metall. - 1977. - №6. - S. 615-620.

92. Smith L.W. Crackihg in castiron diesel engine cylinder heads / L.W. Smith, H.T. Angus, A.D. Lamb; Institution of mechanical engineers. // Proceedings. 1970-1971. - №58. - P. 807823.

93. Thermal problems Jas and Oil Power, 761. - 1970. - P. 92-94.