автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение долговечности головок и крышек цилиндров дизелей путем совершенствования технологии ремонта

саратовский государственный

агроинженерный университет

МЕЖЕЦКИЙ Геннадий Дмитриевич

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК И КРЫШЕК ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА

Специальность 05.20.03 — Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Р Г Б ОД

1 6 пив 1Г

На правах рукописи

УДК 621.436-224.2.004.1

Саратов 1994

Работа выполнена в Саратовском государственном агро-инженерном университете.

Научный консультант—доктор технических наук, профессор Б. П. ЗАГОРОДСКИХ.

Официальные оппоненты — заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В. В. МИХАЙЛОВ, доктор технических наук, профессор В. Я. СКОВОРОД ИН, доктор технических наук, профессор В. В. СТРЕЛЬЦОВ.

Ведущая организация — Российский научно-инновационный центр Министерства сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации.

в ¡2- часов на заседании диссертационного совета Д. 120.04.01 в Саратовском государственном агроинженерном университете по адресу: 410740, г. Саратов, ул. Советская, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять Ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

Защита диссертации состоится « г!

»

Автореферат разослан « »

1994 г.

профессор

Н. П. ВОЛОСЕВИЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Дальнейшая интенсификация сельского хозяйства делает важнейшей проблему повышения долговечности сельскохозяйственной техники, эффективности ее использования, уровня технического обслуживания, ремонта и хранения.

Двигатель как энергетический элемент мобильных сельскохозяйственных машин, на долю которого приходится наибольшее число отказов (35...45 %), определяет в значительной степени срок службы машин.

Стремление увеличить удельную мощность дизелей за счет форсирования их по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала с одновременным снижением удельной металлоемкости приводит к увеличению тепл "»напряженности деталей, образующих камеру сгорания, что обусловливает появление термоусталостных трещин. Из всех этих деталей в наиболее тяжелом состоянии находятся сложные по конструкции и металлоемкие головки и крышки цилиндров.

Большие термомеханические напряжения и циклическая работа приводят к накоплению остаточных деформаций, которые, в свою очередь, являются причиной разрушения. При капитальном ремонте дизелей у 75...90 % головок и крышек цилиндров обнаруживаются трещины.

Способы восстановления головок и крышек цилиндров, состоящие в заварке либо стягивании трещин фигурными вставками, не повышают термоусталостную прочность и долговечность и не гарантируют от появления новых трещин.

Поэтому в диссертации была поставлена и решена проблема, заключающаяся в теоретическом прогнозировании повышения долговечности головок и крышек цилиндров при ремонте с учетом комплексного влияния основных действующих факторов в процессе эксплуатации.

Актуальность работы подтверждается тем, что она является составной частью планов НИР СШСХ (ныне СГАУ), разработанных с учетом государственных научно-технических региональных программ и постановлений 1КНТ и АН СССР и РСФСР.

проблема повышения долговечности головок цилиндров входила в Общесоюзную научно-техническую программу на 1986-1990 гг. под номером 0.51.11, утвержденную Госкомитетом по науке и технике 16 ноля 1УВ7 г., » 187.

Иель работы - повышение долговечности головок и кршвк цилиндров дизелей путей снижения терыомеханических напряжений, разработки новых технологий ремонта и применения качественно нового материала.

Натчные положения и результаты работы, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование увеличения долговечности головок и крышек цилиндров путем снижения температурных и механических напряжений при их восстановлении.

2. Метод определения глубины трещин в головках и крышках цилиндров и динамика их развития неразрушащим контролем при эксплуатации дизелей.

3. Методика лабораторных исследований термомеханических напряжений в головках и крышках цилиндров и способы ,цс снижения.

4 Технологии ремонта головок и крышек цилиндров с различной глубиной трещин и методы снижения тепломеханических напряжений при разработке новых способов их восстановления.

5. Результаты экспериментальных исследований новых способов восстановления и методы прогнозирования увеличения долговечности головок и крышек цилиндров.

Ноучнля новизна диссертации закяотается в комплексном решении проблемы повышения долговечности корпусных деталей дизелей путей теоретического обоснования и разработки новых технологий ремонта головок и крышек цилиндров, в результате чего:

- теоретически обоснован способ расчета долговечности голоног цилиндров с учетом термомеханическкх иапряжоакЗ? и свойств пряыэ-няемого материала;

- предложена математическая модель огневого днипа 2 методика раочета температурных полей в головках и крнзках цилиндров;

- определен метод раочета монтажных напряжений в головках и крышках цилиндров;

- рассчитаны и экспериментально обоснованы конструктивные параметры элементов, обеспечивающие снижение монтажных напряжений

в межклапанных перемычках;

- разработаны технологии ремонта голоьок цилиндров с различной глубиной трещин, обусловливающие повышение их долговечности за счет снижения монтажных я термических напряжений (а.с. 918476, 1792129 в положительное решение о выдаче патента);

- определен химический состав чу Гунов о повышенной тевмоус-талостной прочностью (а.с. 1586252; 994575).

Практическая пенность работа

Результаты исследований являются ооновой для совершенствования существующих технологий ремонта и конструирования новых головок и крышек цилиндров, а также деталей, работающих в тецюцикяическом режиме.

Предложен и внедрен в производство комплеко мероприятий и конструктивных разработок, составляющих основу предлагаемых технологий, которые позволили:

- применять усовершенствованные способы и более точные средства оценки технического состояния головок и крышек цилиндров, позволяющие правильно выбрать способ их восстановления;

- разработать новые технологии ремонта, повышающие термомеханическую прочность головок и крышек цилиндров;

- сконструировать оснастку для выполнения технологических операций при восстановлении;

- предложить для вставных огневых днищ качественно ноше по химическому составу чу1уны, термоусталостная прочность которых в 4...5 раз выше существующих;

- обосновать долговечность головок и крышек цилиндров дизелей

в зависимости от 'способа восстановления и конструктивных изменений.

Разработанные технологии восстановления головок и крышек цилиндров дизелей демонстрировались на международной выставке "Современное оборудование и технологические процессы для восстановления изношенных деталей и машин" стран - членов СЭВ и Югославии ("Ремде-тагь-83", Киев, 1983 г. и "Ремдеталь-88", Пятигорск, 1988 г»).

За разработку технологий восстановления головок цилиндров и внедрение их в производство Главный комитет ВДНХ СССР дважды награждал автора медалями (постановления И 922-Н от I декабря 1982 г. и » 593-Я от 13 августа 1985 г.).

Разработки настоящей работы экспонировались на выставке "Молодые ученые - производству" (Саратов, 1982 г.) и Всесоюзном научно-техническом семинаре специалистов и ученых Агропрома (Саратов, 1988 г.).

Дцробагшя г>абот;ц. Результаты работы были доложены, обсуадепы, экспонировались и получила положительную оценку:

- на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СШСХ (Саратов, 19661994 гг.), КИИСП (Москва, 1979 г.), ЧШЭСХ (Челябинск, 1985 г.), CX1I (Самара, 1991 г.);

- на Всесоюзном научно-техническом совещания "Повышение эффективности исследования машиностроительного парка и обеспечение его сохранности" (Саратов, 1986 г.);

- на научно-технических семинарах СССР и СНГ "Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК" (Саратов, GXCX, 1990, 1991, 1992, 1993, 1994 гг.);

- на Всесоюзной научно-технической конференции ХШСХ (Харьков, 1990 г.);

- ча расширенном совещании отдела главного технолога и главного кинстру*:тора Уштобинского опытно-экспериментального ремонтно-механического завода (г. Уштоба, Казахстан, 1986 г.);

- на расширенном совещании главных специалистов и ведущих конструкторов Ярославского моторного завода (Ярославль, 1988);

- на международных научно-технических конференциях стран -членов СЭВ и СФРЮ "Ремдеталь-83" (Киев, 1983 г.) и "Ремдеталь-88" (Пятигорск, 1988 г.);

- на технических сонетах специалистов специализированных заводов по ремонту дизельных двигателей Саратовской, Самарской, Челябинской, Оренбургской областей (РФ), Днепропетровской области (Украина).

Реализация результатов исследования

Разработаны технологии восстановления головок и крышек цилиндров дизелей Щ3-238Ж, ЯУЗ-240Б, Я.13-24Ш1Д, A-4I, А-01Ы и крышек силового цилиндра 400-140101-1 компрессоров для перекачки природного газа.

Технологии внедрены в производство на 10 ремонтных заводах PCflCP и СНГ; техническая документация выслана по запросам семи ремонтных заводов, а также на Ярославский моторный завод.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс СГАУ при изучении дисциплин "Надежность и ремонт машин" и "Технология сельскохозяйственного машиностроения". Она представлены в учебнике "Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых комбинированных двигателей" (Под ред. A.C. Ор-лина, Ы.Г. Круглова. U.; Машиностроение, I9Ö4).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 55 работ, получено 4 авторских свидетельства и положительное решение на выдачу патента. Подробное изложение материалов по отдельны» разделам работы дано в 8 научных отчетах, прошедших государственную регистрацию.

Структура и объем диссертации. Дисоертация состоит из введения, 6 разделов и выводов, включаетстраницы машинописного текста, z3 таблиц, ¡2.4 рисунков. Список литературы содержит 261 наименование.

В приложения представлены документы о внедрении и производственной проверке результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Кратко охарактеризованы суть проблемы и ее актуальность, сформулированы основные вопросы, выносимые на защиту.

I. Постановка проблемы. Цель и задачи исследования

Ресурс большинства отремонтированных дизелей составляет 30... 40 % к нормативу.

Из всех деталей дизеля в'наиболее тяжелых условиях работы находятся сложные по конструкции и металлоемкие головки и крышки цилиндров. Напряжения, обусловленные температурными перепадами по поверхности и толщине огневого днища, являются причиной коробления и термоусталостных трещин.

Ежегодно в стране подлежит выбраковке по причине термической усталости 40...50 % головок цилиндров тракторных и комбайновых дизелей.

Изучению вопросов тепловой напряженности, о также разработке мер, направленных на снижение вероятности появления термоусталоот-ных трещин, посвящены работы A.C. Орлина, 1.1.Г. Крупова, Ю.С. (Лосина, И.П. Вознесенского, P.A. Дульнева, Г.А. Давыдова, К.А. Ту-ляковр, Н.Д. Чайнова, А.Я. Логвиненко, 5.А. Взорова, B.C. Стофа-новского, И.А. Коваля, B.C. Дьякова, И,В. Исаева и др.

Несмотря на значительное количество исследований, необходимость теоретических расчетов теплонапряженности п долговечности

при восстановлении и конструировании этих деталей, а ть^е термостойкости материалов остается актуальной.

Большие резервы повышения термомеханической прочности головок и крышек цилиндров дизелей открываются в сфере ремонтного производства при разработке рациональных способов восстановления, снижающих термомеханическую напряженность, и применении новых материалов с повышенной термоусталостной прочностью.

Повышение долговечности головок и крышек цилиндров в первую очередь связано со снижением напряженности огневого днища и деформаций.

Напряжения, возникающие в этих деталях, классифицируются на остаточные, монтажные, рабочие и термические.

Максимальные значешш остаточных напряжений при отливке в го-лов1а . цилиндров у различных модификаций дизелей составляют 25...100 Ш1а. Снижение величины остаточных напряжений достигается увеличением длительности охлаждения отливок в форме, применением термической обработки, конструктивными способами. Благодаря работам коллективов лабораторий заводов - Ярославского моторного, Харьковского "Серп и Молот" и др., подбором рационального режима отжига, естественного старения удалось снизить остаточные напряжения на 70...80

Монтажные напряжения в огневом дшице связаны с обеспечением герметичности газового стыка между головкой и блоком цилиндров при затяжке силовых шпилек, установкой деталей форсуночного узла и деталей газораспределения.

Следует отметить, что в опубликованных работах основное впииа-ние уделяется оценке влияния на величину монтажных напряжений затяжки шпилек при креплении головок и крышек цилиндров на блок, и в то же время отсутствуют данные о величине монтажных напряжений, возникающих при установке форсуночного узла, тогда как при этой операции для обеспечения герметичности прикладываются значительные усилия.

Практически отсутствуют исследования по влиянию монтажных напряжений на динамику роста деформаций и трещин в процессе эксплуатация.

Рабочие напряжения появляются от действия газовых сих ори работе двигателя. Эти напряжения имеют циклический характер г достигают в момент сгорания топлива для ряда дизелей 5... 16 ¡¿Да. 6

Термические напряжения в огневом днище головки блока работающего двигателя возникают из-за наличия температурных градиентов по тепловоспринимающей поверхности и по толщине дница. При тепловом расширении вследствие стеснения более нагретых участков менее нагретыми возникают термичеокие напряжения и деформации. Термические напряжения зависят от температурного перепада, тепло-физических я механических свойств материала. Величина термических напряжений для различных модификаций дизелей колеблется в пределах от 100 до 200 МБа и является наибольшей из всех перечне-энных видов напряжений.

По мнению многих авторов, для обычных серых чугунов с пластинчатым графитом опасными с точки зрения трещинообразования являются температуры выше 573...623 К, так как при этих температурах превышается предел текучести чугуна, что приводит к высоким напряжениям растяжения при охлаждении.

Моторные заводы стремятся улучшить свойства чугуна за счет легирования различными металлами, однако исследований и глубокого анализа влияния химических элементов, входящих в чугун, на термоусталостную прочность в литературе нет. В результате головки и крышки цилиндров имеют высокий процент отказов по трещинам, в том числе по доремонтным.

В настоящее-время известны два способа ремонта головок цилиндров дизелей с трещинами.

Первый способ заключается в заварке и последующей механической обработке, а второй в стягивании трещин специальными фигурными вставками.

Способ заварки отличается высокой трудоемкостью. Заварка трещин' проводится в специальном кожухе (термосе) с предварительным подогревом до 873...923 К. После заварки головки и кршки обрабатываются и калибруются все резьбовые и посадочные отверстия.

Более совершенный способ - заварка трещин проволокой 11АКЧ-11 -разработан в инотитуте электросварки им. Е.О. Патона. Здесь заварка производится без предварительного подогрева. Однако, учитывая недостатки, присущие сварке (остаточные сварочные напряжения, коробление деталей, снижение усталостной прочности, высокая трудоемкость) , ремонтные заводы не стремятся к их применению.

В 10СНИ1М разработан способ восстановления головок о трещинами путем их стягивания специальными фигурными вставками. Суть

способа заключается в том, что при наличии несквозной трещины, перпендикулярно к ней в специально подготовленный паз вставляется фигурная вставка с местными утолщениями - "цилиндрами". Стягивание трещин происходит вследствие разницы (порядка ЫСГ4 м) в расстоянии между центрами отверстий паза и центрами цилиндров вставки.

Данный способ может быть применен для головок вюсрекамерных дизелей, у которых имеются межклапанные перемычки достаточной ширины; что самое главное, он не увеличивает термоусталостную прочность восстановленных деталей.

Высокая трудоемкость устранения отказов по головкам и крышкам цилиндров, составляющая 29...30 % от общей трудоемкости устранения отказов по дизелю, низкая надежность требует более глубоки исследований, в частности, расчета температурных полей на поверхности огневого днища и по его толпцше; расчета механических напряжений при сборке головок цилиндров и влияния их на терыоус-талость; изучения динамика роста трещин'от монтажных напряжений и разработки более совершенных способов восстановления, снижающих температурные градиенты.

Способы повышения термомеханической прочности головок и кры-шок цилиндров дизелей могут быть аайдодн при комплексном рассмотрении всох основных факторов, влияющих на долговечность этих сложных деталей.

Основной цель» данной работы является яовшенае долговечности головок и крышок цг-тлидров дизелей путем снижения тепломеханических напряжений, разработки новых технологий ремонта и применения качественно нового материала.

Исходя из указанной цели, поставлены основные задачи исследования:

1. Разработать расчетные методы прогнозирования терыомехани-чеекой прочности головок и крышек цилиндров дизелей.

2. Путем теоретических а зкспзр;;кентальних исследований определить: температурные поля по плоскости и толщине огневого днища; монтажные напряжения и ах влияние на термоусталостяую прочность головок и крышек цилиндров; предложить я обосновать конструктивные и технологические решения, снижающие тепломеханические напряжения.

3. Исследовать влияние химического состава чугунов на термо-

механическую прочность головок и крышек цилиндров и обосновать . возможности прогнозирования их долговечности при изменении состава чугунов.

4. Разработать способы и технологии восстановления головок

и крышек цилиндров дизелей, обеспечивающие повышение их долговечности; разработать инструмент и приспособления для внедрения на ремонтных заводах.

5. Провести эксплуатационные испытания и производственную проверку; осуществить внедрение, дать экономическую оценку внпо~нвн-ннх разработок.

2. Методичеокие вопросы выполнения работы и структура исследования

Общая методика исследований базировалась на ГОСТ 18508-88 и ГОСТ 18509-88. Результаты исследований по динамике роста трещин обрабатывались согласно ТОСТ 17509-72 и ГОСТ 17510-72.

Измерение твердости проводилось согласно ГОСТ 9012-79, микротвердости - по ГОСТ 7991-81. Попользовались также методики лабораторий ГОСНИТИ и других институтов, Чаоткые методики исследований включали применение приборов, установок и методов измерений, разработанных автором.

В качестве объектов исследований на термоусталостнув прочность были выбраны головки и крышки цилиндров дизелей ЯМЗ-238НБ, ШЗ-240Б, А-41, ЯМЗ-240Н1Д, которые остаются перспективными на" ближайшие годы.

В основу методики изучения объектов положены системный подход, ,комплексные и сравнительные экспериментальные исследования.

Комплекс экспериментальных исследований включал:

- исследование фактических показателе^ долговечности головок цилиндров дизелей;

- исследование тепловой и механической напряженности огневого днища головок цилиндров дизелей;

- исследование зависимости терыоусталостной прочности чугуна от химического состава и механических свойств;

- лабораторные работы, ыодеяарухсцив условия работы головок ияиндров;

- исследование наяряавний я деформаций, возкикалдях в огне-зом днище головок цилиндров от различных факторов;

- стендовые испытания восстановленных головок цилиндров дизелей;

- исследование экспериментальных головок и крышек цилиндров в условиях реальной эксплуатации.

При проведении экспериментально-теоретических исследований использованы методы физического и математического моделирования о применением Э£Ы. При исследовании характера развития трещин, юс глубины применялся электропотенциальный дефектоскоп ЭПД-4.

При определении монтажных напряжений использовался измеритель статических деформаций ИСД-3. Динамика роста остаточных напряжений в процессе высокотемпературных исследований определялась измерителем остаточных напряжений И0Н-4М.

Результаты экспериментальных исследований обработаны методами мате! гической статистики.

Эксплуатационные испытания восстановленных головок и крышек цилиндров проводились согласно ГОСТ 17510-79.

3. Теоретические предпосылки к расчету долговечности головок и крышек цилиндров дизелей

Теоретические исследования базируются на системном подходе, который характеризуется переходом от рассмотрения каждого фактора, влияющего на долговечность головок и крышек цилиндров, к изучению их в совокупности.

Это позволяет оценить любое технологическое мероприятие с точки зрения достижения цели всей системы.

При работе огневое днище головок и крышек цилиндров испытывает механические (монтажные) и тердические нагрузки. Схема действия сия в опасном сечении представлена на рис. I.

Механические нагрузки вызывают напряжения растяжения, термические деформации по толщине огневого днища вызывают изгиб, а по плоскости - деформацию сжатия. При охлаждении деформации и соответственно напряжения меняют знак.

С каждым циклом (нагрев - охлаждение) накапливаются пластические деформации, которые в итоге приводят к разрушению огневого днища.

Диаграмма упругопластжческой деформации от действующих си« представлена на рио. 2.

Число циклов (нагрев - охлаждение) до образования трещин Neo или Д° полного разрушения Nqq я размах пластической деформации ер можно представить степенным уравнением Ыэнсона-Коф$ина

-С«,; (I)

И™* ер = С№, (2)

где тп , тес , С^, - характеристики материала. Индекс О у величин 1п и С обозначает нагружение с постоянной амплитудой деформации; индекс О -образование трещин; индеко С -разрушение.

Из уравнения (2) количество циклов до разрушения можно определить:

N

"ее

ее

С ее ёр

7Г- . (3)

Суммарная накопленная пластическая деформация определится из выражения:

Neo,

Рис. I. Схема действия сил на огневое днище головок и крышек цилиндров: I - сечение огневого дншца по отверстию форсунки; 2 - плоскость дшцда со стороны камеры сгорания; 3 - форсунка; 4 - стакан форсунки; Рт и Рт - силы, возникающие от температурных градиентов по плоскости и толщине огневого днища при работе дизеля и при его охлаждении; Р.. - силы, возникающие от за-

ш

тяжки форсунки и форсуночного стакана

.=,(* ) = -ри(бы *С''твр

-б,

■м.

-)

Р(*)

(4)

при Оы +Otep«<^ . ер - 0. где <?у - напряжения текучести; Óи - механические напряжения;

б

тер

термические напряжения.

С учетом термических напряжений, возникающих по плоскости

(напряжения сжатия) я толщине огневого днища (напряжения изгиба) в процессе эксплуатация, формулу сравнительной долговечности, выраженную в количестве циклов (I) до появления трещин, можно представить: _;___

где С^ - величина предельной деформации до образования трещин; о(- коэффициент линейного расширения; д Тцл, Д Ттод - температурные градиент по плоскости и толщине огневого днища; Е - модуль упругое-' чу1?на; 1> - коэффициент Пуассона; /■ Р, и Р, -

г2Ег

площадь продольного сечения перемычек к гнездам впускного и выпуо-кного клапанов; Еу •• модуль в неупругоЯ зоне.

Наибольшее влияние на накопление остаточной деформация в роот трещины, как оледует из анализа формулы (5), будут оказывать градиент температур по плоскости Д Тпд и толщине ДТтол огневого

днища; монтажные напряжения м и предельная деформация материала, из которого изготовлена деталь, при данных условиях работы -Сео*

Для определения градиентов температур необходимо рассчитать температурные поля тепловосприпимающих поверхностей серийных а восстановленных головок.Наиболее универсальным методой расчета объемного температурного поля головки и крышки цилиндров, позволяющим достаточно точно учитывать геометрию и условия теплового нагружения, является метод конечных элементов (МКЭ). Для реализация метода проведена диокрьхизация модели огневого днища на конечные элементы, подробно описанная в данном разделе. Цри этом учитывались следующие требования: обеспечение максимального подобия модели и реальной детали, возможности задания локальных уоло-вий теплового нагружения (при разбиении на коночные элементы), технические возможности современных ЭШ.

Суть метода конечных элементов заключается в минимизации функционала, однозначно описывающего процесс теплопередача в модели: • .

шр.. £ лзгШк ш о, (6)

Ш Ь д[ъ)

где функционал для каждого отдельного конечного элемента определяется из выражения: .

ф(в)(Х) у Т(в)ЛуЫТ(е)с/1Г- / Т(в)ЕТ(в)^-2 и«:) ' 2 и®

- / Т<в><М + / + 1 Г/1Т(е)Г(<% _

«(» Ц* ( 2 Цо

- / . (7)

сг

Его частичная производная по температуре в узлах в матричной форме имеет вид

TJtyT и1 11

UM и«*

— J* iNCe>U (8)

c/,(t}

где - соответственно матрицы градиентов температу-

ры в функций формы конечного элемента.

В ..онечном счете мы получаем систему линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных значений температур в узлах конечноэлементной модели.

Решающее значение для точности определения расчетными методами имеет правильность обоснования и назначения граничных условий. С учетом этого был определен состав поверхностей, требующих их задания. Особое внимание уделялось выбору граничных условий на тепло-воопринимащей и охлаждаемой поверхностях огневого днища, в каналах газораспределения, на фасках вставных клапанных гнезд и в зоне контакта новых поверхностей о головкой цилиндров (при восстановлении). На тедяовоспринимпщеЯ в охлаждаемой поверхностях днища коэффициенты теплоотдачи носили локальный характер я определялись

-(в -(Я Г- ls)

где °Сявд определялся из критериальных уравнений для соответствующих тактов рабочего цикла:

для такта сгоранжя-расшжрения

Num С,?6°£{1 + С2К6 ); (10)

для остальных тактов

Nj -CPe45. (II)

Температура газов в цилиндре определялась иэ индикаторной диаграммы.

На охлаждаемой поверхности локальность коэффициента теплоотдачи определялась локальностью теплового потока на тепяовоспринима-пцей поверхности, а также особенностями организации охлаждения в головках цилиндров дизеля ШЗ-23ШБ:

, (12)

где А - 8,22 для теневых зон; А 10,77 для непосредственно омываемых зон.

Зоны контакта при использовании ЫКЭ условно заменялись слоем конечных элементов, для которых задается коэффициент теплопередачи У , пропорциональный тепловой проводииости с<к и толщине слоя S :

(13)

Расчеты проводились с учетом различных теплофизических овойотв (теплопроводности) в конкретных областях огневого днища.

В результате расчетов, проведенных на ЭШ ВС-1053Л, получены температурные поля, позволяющие анализировать распределение температур и температурных градиентов в любом месте огневого днища (рис. 3). Экспериментальная проверка полученных расчетных данных показала, что относительная погрешность определения температур расчетным методом составила не более 6,5 %. Из анализа результатов распределения температур видно, что максимальные значения температур достигаются на тепловослршшмающей поверхности в зоне перемычки между отверстием под форсунку и гнездом выпускного клапана. Величина их ооотавила 620...635 К.

Распределение температурных перепадов по тощала огневого днища в радиусе 2-1С-3 м также носит неравномерный характер и составляет II«I0~3...I2«I0~3 К/м.

IIa периферии днища перепады значительно ниже а составляют 6«Ю"3...6,5.10"3 К/и.

Рис. 3. Температурные поля на тенловоспришшающе2 поверхности огнового днища и в сечении А-А серийной госовка цилиндров дизеля ШЗ-ЗЗ&Ш

Установлено также, что перепады до глубине в перемычках между форсуночным отверстием и гнездами клапанов с шиш ют ся с удалением от твпяовоопринимащеа поверхности огневого днища. Здесь, у теп-«овоспришмавдей поверхности перепади температур ооотаваявт

9,5'Ю-3 ...Ю*Ю~3 К/м, на глубине 7-10~3...8'10"3 м они равны 7Л0~3...7,5'10~э К/м, а у опорной плоскости форсуночного стакана - 5-Ю"3...5,5-Ю-3 К/м.

Вместо с термическими напряжениями действуют механические. Наиболее нагружена центральная зона огневого днища вокруг фороуноч-ного отверстия, вследствие усилий, прилагаемых при установке форсунки и форсуночного стакана в головку цилиндров. Поэтому указанную зону можно рассматривать как кольцевую плиту, защемленную по внешнему контуру (рис. 4). В пределах выбранного участка про.ибы и усилия будут одинаковы, и дифференциальное уравнение для этого случая будет иметь вид:

^ 2 с/'ы с/Ъ ¿и

* 777? ~ 757? + — - <14>

где г - текущий радиус; со - прогиб плиты.

Рио. 4. Схема к расчету монтажных напряжений

В результате приложенной нагрузки в плите возникают радиальный момент Ы,>, окружной U,g и поперзчная сила Q.

Последовательным интегрированием уравнения (14) получим:

Ш — С .Спг + С.Г*£пг + С» + Сиг2 +

' * J 64 О '

гда В - цилиндрическая жесткость плиты;

D « SA'/[I2(I - / )J ;

А - толщина плиты.

Определив первую и вторую производные уравнения (15), нозучиа выражения для моментов Ur, >Ja а поперечной сады Q:

"г - С, + 2(1 - V» + (3 1- V ) -Гг 1 * 161)

- С, (3 ♦ V +2 ¿Яг * 2 У/ял); (16)

И* - С,-4---(I + у 2гСи; (17)

г 16Л

Радиальные напряжения и окружные напряжения ££ меняются по толщине плиты по линейному закону, их максимальные значения у лоьирхности определяются из выражения:

6 Ыг

бг - — ; (19)

6 Мр

Определяя значения и по формулам (19) и (20), получим

значения напряжений на различных участках нижне.1 стороны кольцевой

плиты, принятой в качестве расчетной схемы для центральной части

огневого днища головки цилиндров.

Величина эквивалентного напряжения 6 „„„ определяется через

экв

Од И бг1

<21)

где К - ■ Р-В ; <5„_ - предел прочности чугуна при растяжении; О вс вр

бв0 - предел прочности чугуна при сжатии.

иеханичеокие напряжения 6 м, ьозкикаюцие в межкхапанной пере-шчко, определяйтея из выражения:

где к1 - коэффициент концентрации напряжений, учитывающий геометрические параметры меж*лапанной перемычки.

Сопротивление термической усталости N (рис. 5) значительно снижается с увеличением монтажных напряжений ó Интенсивнее

происходит рост термоусталостных трещин в межклапанных перемычках. Н

150 120 90 60 30

О 20 ¥} 60 80 б,та

Рис. 5. Зависимость сопротивления термической усталости N от монтажных напряжений б :

--- - теоретическая;

- - экспериментальная

Для определения значимости факторов, влияющих на величину сопротивления термической усталости, была использована методика планирования факторного эксперимента.

В результате обработки матрицы эксперимента получили уравнения регрессии, адекватно описывающие показатель сопротивления теодической усталости:

У - 55,75 - 22,25Х| - 13,2512 + 2,51^, (23)

где Х^ - температура огневого днища; - монтажные капряженая.

10

Из уравнения (23) видно, что температура нагрева вл.лет на возрастание сопротивления термоусталости в большей степени, чем механические напряжения.

4. Повышение термоусталостной прочности головок цилиндров дизелей путем совершенствования технологий ремонта

Но рис. 3 видно, что самые высокие температуры (620..,635 К) локализуются в центральной части огневого дниша. В этой зоне нагреваемой поверхности проходит Ü изотермических линяй, тогда как на периферии днища в зоне 2- 60'10"3 м - всего 4 (520, 500, 480, 460 К). Это подтверждает, что теплонанряженность центральной части огневого днища в 2 раза выше, чем периферии. Поэтому для повышения термоусталостной прочности необходимы меры, напраьлонные на снижение термического сопротивления центральной зоны огневого днища. Известно, что термическое сопротивление плоской стенки определяется отношением: .

где i>T - термическое сопротивлеки стенка, м2.К/Вт; толщина

стенки, м; А- коэффициент тепл проводности, Вт/(м*К).

Для снижения термического сопротивления в зоне пе;згрова необходимо либо уменьшить толщину огневого днища в этой зоне, либо увеличить теплопроводность данной зоны. Наиболее э&ектииное решо>ше -установка ступенчатой втулки из более теплопроводного металла в форсуночное отверстие. Это приведет к снижению температуры поверхности огневого днища в зоне межклапанной перемычки, в также снизит до минимума перепад температур со толциие днища.

Для определения максимальной глубины трещин, с которыми можно восстанавливать головки цилиндров ступенчатыми втулками, необходимо знать характер и кинетику роста трещин при эксплуатации. С этой целью на контроль между капитальными ремонтами было поставлено 500 головок цилиндров дизеля ШЭ-23ШБ и 30U головок A-4I.

После эксплуатационных испытаний и математической обработки результатов исследований были получены аэрометры теоретических функций распределения глубины термоустолостных трещин в межилапанных перемычках.

По исходным единым в данным повторных измерений определены приросты глубины тровдш за конкретный период эксплуатации. Наибольшей 20

глубиной, после которой необходимо выбракопцьать головки, следуот считать глубину 7,0...7,4 мм при среднем приросте ^,8...5,87 мм межу капитальными ремонтами.

Наибольшее количество термоциклов выдержали и минимальную скорость роста трещин, показали головки и крышки цилиндров, г постановленные втулками из красной меди с толщиной стенки 2,5« Ю-3 м.

При расчете на ЭШ температурных полой огневого днища, восстановленного теплопроводными ступенчатыми втулками, выяснилось, что уровень томператур и центральной его части значительно понизился (рис. 6). Максимальные температуры снизились о 630 К до 535 К (на У5 К), а вокруг втулки температура практически виравнялаоь. Снизились общий уровень температур и количество изотирм на тепло-воспринимающей поверхности. Значительное выравнивание температуры произоило а но толщине огневого днища.

Результаты расчетов показывают, что наилучшее снижение перепадов температуры даот медная втулка, несколько меньшее - люыи-ниевая и латунная. Температуры на нагреваемой поверхности снизились на УЬ, 60, 30 К, а перепады по толщине - в 2,3; 1,5 и 1,2 раза для медной, алткниопой и латунной втулок соответственно.

Стендовые испытания позволяют сделать вывод, что армирование форсуночного отверстия теплопроводной ступенчатой втулкой обеспечивает эффективное снижение температур и теыпоратурных градиентов в огневом дшшо, не ухудшая при этом топливной экономичности дкзолей. Разница находится в пределах погрешности измерения расхода, топлива по 1ЪСТ 11&С9-73.

Учитывая, что наибольшие перепады температур наблюдаются в поверхностных слоях огневого днища :: что предельная глубина трещин, при которой возможно восстановление головок и крышек цилиндров теплопроводными втулками, составляет 7.Ю-3 а. т сочли целесообразным для остальных, имеющих трещины большей глубины, заменить монолитное огневое днище составным (рис. 7).

Вставное огневое днище выполняет функции тепловоспринимапцого элемента. Оптимальная ого толщина вол-хна быть 0,6...0,05 от толщины правалочной плоскости головка ц/.язндров. диаметр вотавного днк^а для обеспечения надежной фиксации должен быть больше диаметра выступающего бурта гильзы цилиндров. При этой одновременно снижается тепловое сопротивление зоны контакта за счет увеличения прижимающей нагрузки.

Сечение по А-А

Рис. 6. Температурные поля на тегмоЕосаринкматовЯ поверхности и в сечения А-А головки цилиндров гХЗ-23<11Б, пра^рованноЛ теплопроводной втулкой

Расчеты на ЭВЫ температурных полей головок цилиндров, восстановленных предлагаемым способом, показали, что под вставным днищем температура составила 560-570 К. Изменился перепад температур по толщине головки цилиндров. Максимальные значения их не превышают 7.Ю-3.. .7,5'Ю-3 К/м в центральной зоне как головки, так и вставного днища. При этом незначительное повышение температуры на поверхности вставного днища - в пределах 10 К - но окажет существенного влияния на его работоспособность.

Рис. 7. Сборочный чертеж головки цилиндров Ш3-.238НБ, восстановленной способом замены огневого днища: I - головка цилиндров; 2 - блок цилиндров; 3 - вставное огневое днище; 4 -гильза цилиндров; 5 - теплопроводная прокладка; С - теплопроводная втулка; 7 - стакан |орсунки; 8 - гнездо выпускного

клапана

При указанном способе восстановления монтажные напряжения во вставном днище снизились более чем на 70 % и выравнялись для всех зон, где были установлены датчики (рис. В).

При проведении стендовых испытаний использовалась методика ускоренных исследований на термоусталостную прочность головок цилиндров Ярославского моторного завода. Она позволяет более чем в ¿О раз ускорить процесс по/ пленил термоусталостных трещин в меж-клашишых перемычках головок.

Для стендовых испытаний были подготовлены головки цилиндров оо вставными огновими днищами из разных материалов и о различными конструктивными особенностями (см. таблицу).

Исполнение [Конструкция и материал,¡Наработка до появления тре-

головки {пригоняемый при восста-! тин, тыс. мото-ч_

! новлонии !во вставном!в головке

! ! днище ! цилиндров

цилиндров

Серийное

Экспериментальное

Вставное огневое кншце 0,5...0,65 из алюминиевого сплава

Вставное днище из СЧ25 0,8...0,85

Вставное днище из СЧ25 2,0...2,3 с медной прокладкой

Вставное днище из СЧ25 2,7...2,8 с покрытием медью

Вставное дшще из СЧ25 2,85...3,4 с медной прокладкой и упяотнительной втулкой

Гоповка с форсуночным отверстием, ариировак-ным модной втулкой

Вставное огневое днпце 9,5...12,6 из чугуна ВЧ, модифицированного КЙ (У), с медной прокладкой и уплотнит ельной втулкой

1,8...2,4

8,3...10,О

Для сравнения исследовались головки цилиндров дизелей ЯМЗ-238ИБ серий1Ш0 и восстановленные способом армирования форсукочного отверстия медной втулкой.

По результатам теоретических исследований и стендовых испытаний разработан экспериментальный вариант конструктивного оформления гопсаки цилиндров (ркс. 9).

Снижение» монтажных напряжений достигнуто за счет уменьшения удельного дияпенил н частичной разгрузки наиболее напряженных участ-ксо - к;"сяок ^орсучочного отверстия. Для этого под форсуночный стакан устанавливаемся опорная шайба, площадь которой значительно Оошла, чоы пяоа^дь носка форсуночного стакана. Частичная разгруз-

о

2-1

Рис. 8. Монтажные напряжения в головках цилиндров дизеля ЯЫЗ-238НБ: Ь^ - момент затяжка гайки форсуночного стакана (108 Н-м); - момент затяжки силовых шпилек (235 Н-ы); Ы^ - момент затяжки гайки крепления форсунки (61 Н-ы); I - серийное днпце; 2 - вставное; 3 - под вставным огневым дшпцем

го ел

ка кромок форсуночного отверстия под опорной шайбой сделана за счет конической фаски 2 (рис. 9), которая исключает силовое воздействие на поверхность вокруг форсуночного отверстия. Для герметичности и теплопроводности предусмотрены прокладки 3 и 4 (рис. 9).

Основными геометри-

гу-кч---4—----Ш^ГЧ ческими параметрами, од-

I ШУЛ \ л ределяющцми работоспособ-

ность предлагаемой конструкции, являются толщина опорной шайбы Н ш

и угол наклона конусной фаски Лф (рис. 10).

Шайба должна выдерживать давление форсунки и форсуночного стакана, а угол наклона образующей фаски под шайбой должен обеспечить минимальный зазор с учетом прогиба опорной шайбы. Только при таких уело-, виях будет разгружена кромка форсуночного отверстия, Учитывая, что максимальные окружные : напряжения достигают максимума на внутреннем контуре, толщину шайбы следует принять равной- •

Рис. 9. Узол форсунки восстановленной головки цилиндров дизеля ЯЫЗ-ЗЗШБ: I - огневое днище; 2 - опорная шайба; 3 - коническая фаска; 4, 5, 6 - про-квадки; 7 - форсунка; 8 - стакан форсунки; 9 - гайка крепления стакана форсунки; 10 - ступенчатая теплопроводная втулка

¡1

V Г (5.1 '

(25)

ш * Ш

где - коэффициент интенсивности окружных на-о пряжений; - распреде-

ленная нагрузка, О. - радиус отверстия, м; [¿>в] - предел проч-

ности ка растяжение материала шайбы, Ш1а.

>'гол наклона образующей конусной фаски <А ф зависит от величины угла прогиба контура опорной шайбы

(26)

Ф

где

о( и - atity

(27)

oJ

(20)

Прогиб внутреннего контура опорной шайбы «7 , и, равен

£Ь> 4

где - коэффициент прогиба.

3 кончательной форме, с учетом (27) и (20), уравнение (26) примет вид: ^

•'♦■"^йЬг4- ™

где Л - величина угла, обеспечивающая мин;ашышй зазор при сборке форсуночного стакана и форсунки.

На головках с такими конструктивными изменениями были проведены сравнительные исследования влияния монтажных напряжений на динамику роста термоуста постных ТР01ЩН. Эксперименты показали, что предлагаемая конструкция 'форсуночного узла уменьшает монтажные напряжения на 30...40 % и скорость

26

1 1 I* • 2а . » 11

i i 7ГП

Рио. 10. Схема для расчета конструктивных параметров опорной поверхности стакана форсунки

росте трещин - в 1,2...1,3 раза.

При стендовых испытаниях дизелей с опытными головками цилиндров выяснилось, что температура их огневого днища, мощностныв и экономические показатели не изменились по сравнении с серийными.

б. Повышение качества чугуна для вставных огневых днищ головок и крышек цилиндров и деталей, работающих при повышенных температурах

Сопротивление терличеокой усталости является одной из наиболее сложных характеристик материала и зависит не только от характера внешних нагрузок, определяемых параметраш термодеформационного цикла, но а от химического состава чугуна, комплекса его внутренних физических и механических свойств, определяемых структурным состоянием.

Сопротивление термической усталости оценивается как миш^лум по двум критериям: I) по долговечности, т.е. по числу теплосмен А/ до разрушения или появления начальной трещины; 2) по сопротивлении распространению термоусталостной трещины или по коэффициенту интенсивности роста трещин

К„ = М //V', (30)

где (1С - длина микротрещакы; N - количество термоциклов.

Известно, чт^ для головок и крышек цилиндров различные фирмы применяют чугун только со своим химическим составом, причем указывают только механические свойства чугуна и не указывают термоусталостную прочность, хотя бы сравнительную. Ввиду этого нами отавилаоь задача определить влияние основных химических элементов, входящих в состав чугуна (углерода С, кремния Я/ , марганца Мл я легирующих добавок), на его термоусталостную прочность.

Для исследования влияния химических элементов на термоустало'ст- • ную прочность чугуна была сконструирована и изготовлена автоматическая установка, на которую можно задавать любой режим нагрева образцов. Нагрев производился в индукторе высокочастотного генератора ВЧ 10/044, Размеры образцов выбраны с учетом толщины огневого'' . днища головок цилиндров.

В зависимости от химического состава применяемые чугуны можно классифицировать на простые, содержащие углерод С, кремний И , глар-ганец Ил, серу 5 , фосфор Р, и легированные, содержащие более высокие концентрации этих элементов или другие элементы. На рис. II представлены зависимости термоусталостной прочности чугуна от содержания С и $1 при постоянной концентрации марганца, серы и фосфора.

N

I»

1Ю СО 90

<Ю

Я

во

го *> »»

Рис. II. Зависимость термоусталостной прочности чугуна от содержания углерода С, кремния

С изменением содержание в чугунэ углерода до 4 %, а кромния до 2 % укрупняется форма графита. Структура металла становится фарратно-перлитной. Повышается твердость до НБ 130 и тормоусталоо-тшая прочность до А/0О - 130 (у серийного N^ - 90). Анализируя кривые «авясаыостей рис. II, можно заключить, что термоусталост-вая прочность чугуна с хшдическям составом С <■ 3,8...4 ¿7 >

- 1,8...2,1 % более предпочтительна.

Для определения влияния марганца на термоусталостную прочность отливался чугун с химическим составом; С * 3,8...4 %, «• 1,8... 2,1 %, содержание марганца изменялось от 0,2 до 2 %.

По результатам исследований было установлено, что содержание марганца в чугуне не должно превышать 0,2...О,25 %.

В чугуне о составом элементов С ■ 3,8...4 %, 21 » 1,8...2,1 Мп - 0,2...0,25 % термоуоталостная прочность повышается до А/0О »

- 315.

Однако механические свойства подученного чугуна ниже требований ГОСТ 3443-87 на матери"л.

о

т

/ с ш » и

♦ <1 шл аог 0,)

1 ( 3.0 0.3 г 0,07 а»

л ■У.1 Л.И9 ад? а»

>1 м ал а»

Для улучшения механических сеойств данного чугуна в соответствии с требованием ГОСТа был сделан анализ легирующих химических элементов, применяемых вчухунах.

Все легируюдае элементы были разбиты на три группы. К первой группе относятся металлы, которые с углеродом имеют слабую связь и концентрируются в феррите чугуна. К ним относятся никель Ni , кобальт Со, медь Си.

Ко второй группе химических элементов можно отнести хром Сг, молибден Мо, вольфреч W , ванадий V , которые в противоположность первой группе растворяются в аустените и цементите в том или ином соотношении, концентрируясь в основном в цементите. При бо,2ьших содержаниях образуют специальные карбиды.

К третьей группе относятся: титан Ti, церий Се, кальций Са, иттрий У , магний ¡.'^, цирконий 2г , бор Б. Эти элементы обладают настолько высокой химической активностью, что расходуются на образование карбидов, сульфидов, оксидов, нитридов и только в небольшом количестве образуют растворы.

Элементы АС и Sn - промежуточного типа и отличаются признаками всех трех групп.

Для определения влияния каждой группы элементов на термоусталостную и механическую прочность чугуна нами были выбраны из каждой группы по I...2 химических элемента для исследований. Из первой группы - медь Си; из второй - хром Сг; из третьей - иттрий Y и церий Се; из промежуточной - адшиндй кб и олово £п%

В результате исследований для промышленного использования были рекомендованы пять вариантов химического состава чугунов.

4jryic¡ с предложенным соотношением химических элементов имеют . тормоусталостную прочность в 3...5 раз выше серийных чугунов, применяемых для головок цилиндров.

Ниэмш окисляемость и теплорасширеняе чугунов, имеющих в твоём, составе Sn , У , Си, кб и P3J, позволяет рекомендовать их для изготовлении не только вставных огневых днищ, головок цилиндров, но и деталей, работающих при температурах до 700 °С. По термоустапст-uoi прочности при 700 °С они превышают серийный чугун более чем в 10 раз.

6. Разработка технологий ремонта головок и крышек цилиндров предлагаемыми способами восстановления и их технико-экономическое обоснование

Ба основании проведенных исследований разработаны технологии, специальный инструмент и оснастка для восстановления готовок и крышек цилиндров с различной глубиной трещин. Технологии разработаны и внедрены в производство для дизелей ÍI-ДЗ—23В1Ш, A-4I, А—01!.', ШЗ-24СБ и крышек силового цилиндра газовых компрессоров 400-140001-I.

Ibловки и крышки цилиндров, имеющие остаточные деформации и трещины до 7 мм, восстанавливаются способом армирования форсуночного отверстия ступенчатой теплопроюдной втулкой (см. рис. 9). После перпций подготовки отверстия под втулку и запрессовки ее производят зенкование торцевой поверхности втулки под шайбу.

Для голсвок цилиндров, имеющих трещины свыше 7-10~3 м, разработана технология восстановления способом замены монолитного огневого днища на составное (см. рис. 7).

Бставноо днище выполняется в формо диска толщиной G,G...0,65 толщины топловоспринимающеЛ стенки головки цилиндров, а его диаметр составляет 1,15...1,20 диаметра цилиндра. 'Форсуночное отверстие армировано уплотнктельной теплопроводной втулкой с фланцем, толщина стенок которой составляет 0,1...0,15 от диаметра форсуночного отверстия. Толщина теплопроводной прокладки между вставным днищем я телом головки дотана быть 0,035...0,045 от толщины огневого днища.

Эксплуатационные испытания экспериментальных головок цилиндров, восстановленных по разработанным технологиям, проходили в Саратовской, Куйбышовской, Челябинской, Оренбургской областях, в Талды-Курганской области (Казахстан) и в Днепропетровской об.^асти (Украина).

Долговечность головок а крышек цилиндров дизелей, восстановленных по новым технологиям, увеличилась в 4...5 раз по сравнению о серийными.

Технологии внедрены на 8 ремонтных заводах PC5С? и 2 заводах СНГ. íia 7 предприятий arpo л рома выслана технологичеокая документация по их запросам.

Опытно-промышяенняя проверка технологий на ремонтных предприятиях Российской Федерации и ближнего зарубежья обеспечила фактический экономический эффект свыше 1,5 млн руб. (в ценах до 1992 г.).

Общие выводи

1. В диссертационной работе предложено комплексное решение проблемы повышения долговечности корпусных деталей дизелей путем теоретического обоснования и разработки новых технологий ремонта головок и крышек идлш. дров, основанных на снижении температурных градиентов по плоскости и толщине огневого днища; на уменьшении механичеоких напряжений во время сборки; на применении новых чу-гунов с повышьлными термоусталостными свойствами, что в целом увеличивает долговечность этих деталей в 4...5 раз.

2. Разработка математической модели дот расчета температурных полей огневого дншца, напряженна, возникающих в процессе сборки головок и крышек цилиндров, а также учет прочностных свойств чугуна позволили теоретически обосновать способ расчета их долговечности. Это, ь свое очередь, дало возможность оценить влияние различных конструктивных решений при разработке новых технологий ремонта, снижающих сборочные и температурные напряжения при различном остаточном ресурсе.

3. Применение метода конечных элементов при расчете температурных полей огневого днища позволило учесть области с различными теплофчзическими свойствами н проанализировать закономерности изменения температур по радиусу и Толщине огневого днища в любой то^ко сечения, оценить тепловую напряженность головок блока и кры-' шек цилиндров и, учитывая это, предложить новые способы повышения те^.оустокоотной прочности при их восстановлении на ремонтных заводах.

использование разработанной методики определения граничных условий ка поверхностях расчетной модели огневого днища, выполненной с учетом локальности параметров теплообмена и особенностей тепло-пого нйгружония головки цилиндров, позволяет с высокой достоверности} определять объемные температурные поля и давать оценку кон-струхтншшм и технологический роаениям при изготовлении и восстановлен*» этих деталей.

Анализ температурных полей, рассчитанных на ЭНЛ и подтвержденных экспериментально, показывает, что теплонапряжекность в центре огневого днища более чем в 2 раза выше его периферийных зон.

4. Разработанный метод расчета монтажных напряжений в межклапанных перемычках головок цилиндров дизелей дал возможность оценить их влияние на общее напряженное состояние и на сокращение ресурса этих деталей. Экспериментальные исследования подтвердили, что наибольшие монтажные напряжения появляются в процессе установки и крепления форсуночного стакана и форсунки; они постигают 75...80 МПа - более 80 % от общей механической напряженности головок цилиндров - и снижают сопротивление термической усталости центральной зоны огневого днища в 1,5...2 раза.

Применение ыатекаиг.еской модели факторного эксперимента дало возможность оценить влияние механических напряжений на величину сопротивления термической усталости и их общее влияние на долговечность головок цилиндров.

Рассчитаны и экспериментально обоснованы конструктивные параметры элементов, обеспечиваиаих снижение монтажных напряжений в головках и крышках цилиндров на 30...40 при этом уменьшается деформация в 1,3...1,35 раза, сопротивление термической усталооти возрастает на 25...30 %.

Коэффициент интенсивности роста трещин в центральной зоне огневого днища головок цилиндров уменьшился в 1,25...1,3 раза.

Разработан технологический процесс снижения монтажных напряжений в-головках цилиндров дизелей, применимый для ремонтного производства и изготовления.

5. Анализ температурных градиентов по плоскости и по толщине огневого днища, динамики роста остаточных деформаций и трещ н при эксплуатации позволил разработать новые способы восстановления.

Головки цилиндров, имеющие остаточные деформации и трещины глубиной до 7 мм, предлагается восстанавливать способом армирования форсуночного отверстия ступенчатыми втулками из материала о высокой теплопроводностью, головки с трецинаш глубиной более 7 ш - способом замены огневого днища.

Сба способа восстановления рекомендуются для автотракторных дизелей Ял3-238ПБ, ЯИЗ-24СБ, ЖЗ-24Ш-1Д, А-41, А-01М, а также для крышек силовых цилиндро" компрессорных установок.

6. У головок и крышек цилиндров, восстановленных способом армирования форсуночного отверстия ступенчатой теплопроводной втулкой, температурное поле в центральной зоне огневого днища снизилось на 95 К. Благодаря этому температурное поло в радиальном направлении выравнялось. Температурные перепады между центром и периферийными зонами днища на нагреваемой поверхности уменьшились на 30 %, а по толщине огневого днища - на 32 %.

Терглоу с та ло стная прочность головок, восстановленных этим способом, повышается в 3...4 раза.

7. Результаты рас ;ета температурных полей головок цилиндров, восстановленных способом замены монолитного дя:ща на составное, показали, что градиенты температур по толщине вставного огневого днища снижаются на 40...45 %, под вставным днищем на 25...30 %.

Монтажные напряжения при этом способе восстановления снижаются на 6и...70 %.

8. Разработана методика ускоренных испытаний на термоусталостную прочность чугуна с различным химическим составом.

В результате экспериментальных исследований установлено, что наибольшее влш„ше на тедаоусталостную прочность чугуна оказывает соотношение основных химических элементов, входящих в чугун (С, В/, Ып).

Наилучшие показатели термоусталостной прочности чугуна дает соотношение в нем основных химических элементов: С = 3,8...4,0 %4 51 = 1,8...2,2 %; Мл = 0,2...0,25 % - и легирующих: С«,У ,3п , и и РЗГЛ.

Термоусталостная прочность Ьяти предложенных чуГунов с различным соотношением химических элементов повысилась в 3...5 раз по сравнению с серийными чугунами, применяемыми для голрвок цилиндров диьелеа как в напей стране, так и в странах, наиболее развитых в техническом отношении.

Низкие окисляемость и тепловое расширение, хорошие механические свойства чугунов, приобретаемые ими с вводом химических элементов Си, У , Р3.!,3л , кб, позволяют рекомендовать эти чугуны не только для вставных огневых днищ при ремонте, но и для изготовления ногых головок цилиндров, а также других деталей, работающих ь псшшлеиности при циклических температурах до 973 К.

Ь. Зксп-туатацпок^о испытания головок и крышок цилиндров, восстановленных по разработанным технологиям, показали, что долго-

о ■

вечность головок, восстановленных способом армирования форсуночного отверстия теплопроводными ступенчатыми втулками, увеличивается в 3...4 раза. Применяя технологию, снижающую монтажные напряжения, долговечность головок цилиндров удалось дополнительно повысить на 25...30 %. Восстанавливая головки и крышки цилиндров способом вставных огневых днищ, их долговечность повисите в 1,6...1,7 раза. Применение новых чугунов для вставных огневых днищ позволит дополнительно повысить долговечность головок цилиндров в 3...5 раз.

Предлагаемые технологии и чугуны применимы яа заводах со производству новых головок цилиндров; это увеличит их ресурс и снизит процент ьыпуска в качестве запасных частей.

10. Результаты выполненных исследований использованы в учебнике "^вигзтели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей" под редакцией A.C. Орлика, Ь.Г. Круглова (М.: Машиностроение, IS84).

Разработана конструкторская и технологическая документация на новые технологии для промышленного использования (а.с. 918476; I792129 и положительное решение на выдачу патента).

Чугуны (а.с. I5Ü6252; 994575), предложенные для повышения термоусталостной прочности вставных огневых днищ, могут быть использованы при изготовлении новых головок и крышек цилиндров, а также деталей, работавших при зкакоперегленной термической нагрузке (чугунные поршни, цилиндры двигателей, пресс-формы для цветного лятья под давленном; кокили в литейном производстве и т.д.).

Огытно-прсишлекная проверка технологий на ремонтных предприятиях Российской федерации и ближнего зарубежья обеспечила фактический '«экономический эффект свыше 1,5 млн руб. (по ценам до 1992 г.).

Основное содержание диссертации изложено в слодущпх работах:

1. Межецкяй Г.Д., Гончаренко Б.Г. Повышение долговечности головок цилиндров автотракторных двигателей // Техника в сельском хозяйство. 1970. » 12. С. 59-60.

2. Межецкий Г.Д. Причины выбраковки головок блока цилиндров дизельных двигателей и способы их устранения // Прогрессивные способы восстановления дет лей и организация ремонта машин и обо-

рудования: Тез. обл. семинара / НТО Мапшроы. Саратов, 1972. С. 144-149.

3. Межецкий Г. Д. Восстановление головок блока автотракторных двигателей способом замены рабочих даверхностей // Степные просторы. 1974. № II. С. 37.

4. Стреяышков В.Л., Шаронов Г.П., Межоцкий Г.Д. Исследование дефектов головок блоков цилиндров тракторных двигателей // Повышение долговечности сельскохозяйственных машин при ремонте: Сб. науч. работ. Вып. 91 / Сарат. с.-х. ин-т. Саратов, 1977. С. 8-15.

5. Шаронов Г.П., Межецкий Г.Д., Стрельников В.Л. О повышении термостойкости головок блоков дизельных двигателей // Повнаеняе долговечности сельскохозяйственных машин при ремонте: Сб. науч. работ. Еып. 115 / Сарат, с.-х. ин-т. Саратов, 1978, С. 3-10.

6. Шаронов Г.П., Межецкий Г.Д., Стрельников В.А. Способ повышения термостойкости головок блоков дизельных двигателей // Сб. науч. тр. Саратов: Полиграфист, 1979. С. II—13.

7. Межецкий Г.Д., Шаронов Г.П., Стрельников В.Л. Исследование и разработка способа восстановления головок цилиндров дизелей

А-41 и A-OIM: Ияф. карта по НИР IP № 80008065; Инв. JS 1823702. М., 1979. 29 о.

8. Шаронов Г.П., Межецкий Г.Д., Стрельников В.А. Повышение усталостной прочности головок блока цилиндров // Техника в седьо-коы хозяйстве. 1980. 1* 2. С. 50-53.

9. Ыекецкий Г.Д,, Шаронов Т.П., Стрельников В.А. Исследование термостойкости головок блоков дизельных двигателэй и их восстановление в условиях сельхозтехники; Инф. карта по НИР ГР & 79080186; ■ Инв. й 6986642. М., 1980. 60 с. :

11. Межецкий Г.Д., Стрельников В.А. Восстановление головок блока цилиндров двигателей ШЗ-238НБ с термоусталостными трещинами // Ловьиение долговечности сельскохозяйственной техники: Сб. "ауЧ.. работ / Сарат. с.-х. ин-т им. Н.И. Вавилова. Саратов, IS8I. С. 3038.

12. Чзкмарев В.В., Межецкий Г.Д. Анализ характерных дефект^ з в головках цилиндров двигателей Ш3-23ШШ, A-4I, А-ОШ, О.Щ-14 // Ремонт тракторов к сельскохозяйственных машин: Сб. науч. раббт / Сррят. с.-х. ия-v им. Н.И. Еевилова. Саратов, 1932. С. 94-101.

13. A.c. 5IÖ1/S СССР, Головка цилиндра двигателя внутреннего сгоранм / Г.П. Тронов, Г.Д. Межецкий, В.А. Стрельников (СССР). 36

№ 2993152; Заявлено 21.10.80; Опубл. 7.04.82, Бюл. И 13 // Открытия. Изобретения. 1982. № 13.

14. Можзцкий Г.Д., Стрельников B.Ä. Технология воостановления головок цилиндров дизельных двигателей с повышенной термоусталостной прочностью // Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. стран СЭВ и СФРЮ "Современное оборудование и технологические процессы для воостановления изношенных деталей" ("Ремдеталь-19"). ГЛ., 1983. С. 44-46.

15. A.c. 994575 СССР. Чугун / Г.Д. Межецкий, A.A. Аникин (СССР). № 2966962; Заявлено 23.07.80; Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 8.10.82.

16. Ненецкий Г.Д., Стрельникоь В.А. Повышение термоустолост-ной прочности головок цилиндров дизелей при изготовлении и восстановлении: Пнф. карта по НИР ГР № 0I8I7004429; Инв. Л 283007708. U., 1983. 35 с.

17. Цежоцкий Г.Д. Увеличение надежности:работы фасок клапанных пар газораспределения двигателя. Саратов, 1984. 24 с. / Рукопись представлена Сарат. ин-том мех. сел. х-ва. Деп. в ЩЙИТЭИ-тракторсельхозмаш. СССР. 1984. il 4Ö5TC.

18. Ыежецкий Г.Д., Шаронов Г.П., Стрельников В.А. Снижение тепловой напряженности головок цилиндров дизельного двигателя. Саратов, 1984. 13 с. / Рукопись представлена Сарат. ин-том мех. сел. х-ва. Деп. в йШ'.ТЭЯтракторсельхозмаш. № 485ТС. Опубл. в Библ. указат. В1ШШ, 1984. а 10. С. 124.

19.'Цежецкий Г.Д., Стрельников В.А. Разработка и исследование способов восстановления головок цилиндров дизельных двигателей: Инф. карта по КОР ГР Ii 0I8I7004429; Кнв. X 028500-13956. Ы., 1984. 45 с.

20. Ыежецкий Г.Д., Чекмарев В.В. Исследование моатжных напряжений в головках блока цилиндров тракторных двигателей // Повышение долговечности сельскохозяйственных машин: Сб. науч. работ / Сарат. с.-х. ин-т им. И.И. Вавилова. Саратов, 1984. С. 18-26.

21. Межецкий Г.Д,, Чекмарев В.В. Восстановление головок цилиндров дизельных двигателей с термоусталостными трещинами: У.нф. корта по IC!P IP -'5 0I8I7004429; Кнв. 020G0026739. Li., 1985. 88 о.

22. Межецкий Г.Д., Чекмарев В.В., Стрельников В.А. Технология восстановления головок лдинаров дизельных двигателей, увеличивающая долговечность при оксплуатации // Повышенно э[фоктяв-

ности использования машинно-тракторного парка и обеспечение его сохранности: Тез. докл. на Всес. науч.-техн. совещании. М., 1986. С. 32-34.

23. Межецкий Г.Д., Чекмарев В.В. Методика исследования термо-уоталостных трещин в головках цилиндров дизеля // Двигателестрое-няе. 1987. JÉ 2. С. 51-54.

24. Иахецкяй Г.Д., Чекмарев В.В. Анализ термоусталостннх трещин и обоснование ресурса головок цилиндров двигателя ЯМЗ-2Э811Б при восстановлении: Чнф. карта по НИР IP № 01817004429; Инв.

& 02880052099. М., 1987. 89 с.

25. Межецкий Г.Д., Стрельников В.А., Чекмарев В.В. Анализ термоусталостных трещин в головках блоков цилиндров // Механизация

и электрификация сельского хозяйства. 1987. К I. С. 54-55.

26. Мэжоцкий Г.Д., Чекмарев В.В. Технология восстановления, повышавшая надежность в эксплуатации головок дизельных двигателей // Тез. докл. Мездунар. науч.-техн. конф. стран-членов СЭВ "Современное оборудование и технологические процесса для восстановления и упрочнения деталей машин" ("Ремдвталь-1988"). Ы., 1988. С. 89-90.

27. Межецкий Г.Д., Чекмарев В.В. Обоснование максимально допустимой глубины трещин в головках цилиндров' Ш3-238НБ и разработка методов их восстановления: Инф. карта по КИР ГР № 01817004429; Инв. № 029000I376I. М., 1988. 38 с.

28. Межецкий Г.Д. Технология, повышающая качество восстановления головок цилиндров дизельных двигателей // Технология формирования качества деталей при капитальном ремонте: Ыеявуз. науч. сб. • / Сарат. политех, ин-т. Саратов, 1989. С. 67-73.

29. Цекецкий Г.Д., Чекмарев В.В., Балдувв A.A. Анализ глубины трещин в головках цилиндров и разработка технологии восстановления: Инф. карта по НИР ГР X 0181700429; Инв. Я 029000I576I. Ы.,' ' I9S9. 05 с.

30. Ь!ежецкий Г.Д. Влияние химического состава, свойств и структуры материала на сопротивление термической усталости головок v :-ишдроэ £LС // Проблеьы экономичности а эксплуатации двигателей виу?ронл91>> сгорания в АПК СССР: Материалы Всес. науч.-тех. семинара. Jíun. 2. / Сарат. ин-т механизации сел. х-ва. Саратов: Иэд-во Сирот, ун-та, I0SG. С. 83-87.

31. A.c. 1586252 СССР. Чугун / Г.Д. Межецкий, A.A. Аникин (СССР). № 4625602; Заявлено 26.12.88; Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 15.04.90.

32. Ыежецкий Г.Д. Технология, повышающая качество восстановления головок цилиндров и надежность их в эксплуатации // Теь. докл. на Всес. науч.-техн. совещании "Пути повышения уровня эксплуатации и эксплуатационной технологичности машин в новых условиях экономического развития агропромышленного комплекса". Харьков, 1990. С. I30-I3I.

33.^Межешшй Т.Д., Чекмарев В.В. Разработка техпроцесса восстановления головок цилиндров дизеля ШЗ-240: Пнф. карта по ПИР IP № 0I8I70C429; Кнв. Л 029000735. М., 1990. 17 с.

34. Межецкий Г.Д., "екмарев В.В. Разработка техпроцесса восстановления крышки силового цилиндра: Инф. карта по КИР IP

* 0I857C05530; Г.нв. » 030C0I6760. Ы., 1990. 29 с.

35. Межецкий Г.Д. и др. Увеличение глубины термоустало^гных трещин в головках дизелей при эксплуатации // Двигателестроение. 1991. № 2. С. 35-41.

36. Межецкий Г.Д., Черкашия ¡I.A. Методика исследования остаточных напряжений я деформаций в головках блока дяэелой ШЗ-230!Ш // Совершенствование технологии ремонта отдельна узлов тракторных и комбайновых дизелей: Сб. науч. работ / Сарэт. с.-х. ин-т им. Н.П. Вавилова. Саратов, 1991. С. I05-II0.

37. Мелецкий Г.Д. Обоснование .'.".аксиальной глубани тг-"'"."" в гопсвках го'гп'идров дзкгате.таЗ ЯУЗ-ЗЗЗ'ш прд зксалуаташл // Проблемы экономичности я эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СССР: Материалы Всес. науч.-техн. семинара. Выл. 3 / Сарзт, ин-т механизации сея. х-ва". Саратов: Пзд-во Са-рат. ун-та, 1991. С. 17-19.

38. Межецкий Г.Д,, Черкашин H.A. Головка цилиндров дизеля

с увеличенным сроком службы // Степные просторы. I9S2. ß 7-8-9. С. 40-41.

39. A.c. I7S2I29 СССР. Головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания / Г.Д. Межецкий, В.В. Чекмарев (СССР). & 4766II9; Заявлено 06.12.89; Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР. I.10.92.

40. Цежецкий Г.Д. Поэыгчше надежности головок цилиндров дизелей при эксплуатации путем снижения тепловой напряженности //

Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ: Материалы Ыежгосуд. науч.-техн. семинара. Вып. 4 / Сарат. ин-т механизации сел. х-ва. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та.

41. Мелецкий Г.Д., Черкашин H.A. Повышение долговечности головок цилиндров дизелей путем снижения монтажных напряжений // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ: Материалы Мекгосуд. науч.-техн. семинара. Вып.5 / Сарат. ин-т механизации сел. х-ва. Саратоь; Изд-во Сарат. ун-та, 19ЭЗ. С. 125-126.

42. Ыекецкий Г.Д., Чекмарев В.В. Восстановление головок цилинд-роЕ дизелей с трещинами в межклапаннои перемычке // Повышение надежности автотракторных дизелей при их ремонте и эксплуатации:

Сб. науч. работ / Сарат. о.-х. ин-т им. H.H. Вавилова. Саратов, 1993. С. 45-52.

43. Мелецкий Г.Д. Факторы, повышающие долговечность головок цилиндров дизелей // Повышение надежности автотракторных дизелей при их ремонте и эксплуатации: Сб. науч. работ / Сарат. с.-х. ин-т им. Н.И. Вавилова. Саратов, 1993. С. 45-52.

44. Головка цилиндров дизеля о жидкостным охлаждением / Г.Д. Ые-жецкий, lt.A. Черкашин. № 5025384/06/005488. Заявлено 3.02.92; Положительное решение о выдаче патента 30.03.94.-

Подл, в печать 6. iZ.94 г. Печ. л.

Формат 60x84 х/16.

Тираж ЮО. Заказ331

Ротапранг Саратовской сельскохозяйственной академии

им. H.H. Вавилова 3-й Пролетарский нос. Экспериментальное хозяйство