автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей технологическими методами

На правах рукописи

РАФИКОВ Ринат Мубинович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЦИЛИНДРОВЫХ КРЫШЕК ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (в машиностроении и машиноведении)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Косырев Сергей Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Межецкий Геннадий Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент Михайлов Александр Федорович

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П.Горячкина»

Защита состоится «28» апреля 2005 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета КР 212.242.65 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп.1, ауд.319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан _ марта 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Басков В.Н.

ЩЗ- з ттг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Стремление увеличить производительность машин ведет к повышению удельных мощностных показателей поршневых двигателей, используемых в народном хозяйстве. Но их практическое использование все более затрудняется вследствие возрастания тешюнапряженности их деталей. Теплонапряженность обусловлена тем, что часть тепла, выделяющегося в объемах цилиндров при сгорании топлива, поглощается поверхностями деталей, ограничивающих эти объемы. При повышении мощности двигателей возрастают тепловые нагрузки и градиенты температур теплонапряженных деталей и увеличиваются термические напряжения, что отрицательно влияет на эксплуатационную надежность теплонапряженных деталей и двигателя в целом.

Повышение надежности работы крышек цилиндров связано в первую очередь со снижением температуры и перепадов температур в огневом днище, являющемся нагруженным элементом.

Для повышения усталостной прочности и долговечности цилиндровой крышки применяют технологический метод - поверхностное пластическое деформирование. Повышение долговечности упрочненной таким образом крышки достигается как за счет увеличения числа циклов нагружения до начала зарождения усталостной трещины, так и за счет уменьшения скорости ее развития до критических размеров. Увеличение продолжительности периода зарождения усталостной трещины обеспечивается при поверхностном пластическом деформировании повышением твердости (наклепа), а значит и предела усталостной прочности поверхностного слоя металла, наведением в нем остаточных напряжений сжатия и уменьшением шероховатости поверхности, являющейся концентратором напряжений.

Изложенное позволяет констатировать, что к сложной проблеме повышения эксплуатационной надежности цилиндровой крышки высокофорсированных автомобильных дизелей требуются принципиально новые подходы.

Актуальность еще больше возрастает в связи с разработкой и освоением в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» нового семейства дизелей типа ЧН21/21 рядной и У-образной модификаций. Выполненная работа является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы ЗАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0.13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию машиностроения и автомобильного двигателестроения.

Цель работы: повышение эксплуатационной надежности цилиндровых крышек технологическими методами путем снижения неравномерности результирующих напряжений.

На основании изучения состояния вопроса и предварительного анализа по выбору перспективных путей повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек для достижения поставленной цели необходимо решить

следующие задачи: Р0С р м_пю».'-Льиая

БИГ.!И*01>"КА

С.С1е1ер5^рг

2<»СР!Г

1. Провести теоретические исследования процессов напряженности цилиндровых крышек и остаточных напряжений в условиях поверхностного пластического деформирования гидродробеструйной обработки.

2. Разработать методы и выполнить экспериментальные исследования механической и теплонапряженности, начальных остаточных напряжений в цилиндровых крышках высокофорсированных дизелей.

3. Разработать, внедрить в производство и эксплуатацию технологические методы повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей.

4. Определить технико-экономические показатели применения технологических методов для повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей.

Объектом исследования являются цилиндровые крышки высокофорсированных дизелей ЧН21/21 ЗАО «Волжский дизель имени Маминых».

Предметом исследований являются процессы поверхностного пластического деформирования термонагруженных деталей машин.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования были проведены с использованием расчетно-аналитических методов теории теплопередачи, термоупругости, сопротивления материалов и метода конечных элементов. Экспериментальные методы исследований базировались: на электротензометрии, механических методах и приборе «ИОН-4М» при исследовании начальных остаточных напряжений после дифференцированной гидродробеструйной обработки крышек цилиндров и образцов-свидетелей.

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к достижению поставленной цели, учитывающем:

разработку математической модели напряженного состояния цилиндровых крышек путем моделирования процесса температурного и механического нагружения применением объемных конечных элементов МКЭ;

- апробацию на практике методов поверхностного пластического деформирования крышек цилиндров и образцов-свидетелей дифференцированным гидродробеструйным упрочнением и ультразвуковой обработкой с теоретической оценкой начальных остаточных напряжений в поверхностном слое днища крышек цилиндров после поверхностного пластического деформирования.

Практическая ценность. Предложенный метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности дншца цилиндровой крышки повышает эксплуатационную надежность путем снижения неравномерности результирующих напряжений по сечениям днища в 5-5,5 раз. После обработки цилиндровой крышки ультразвуковыми колебаниями начальные остаточные напряжения в поверхностном слое огневого днища уменьшаются со 180-340 МПа до 0-15 МПа и стабилизируются во времени.

Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом №НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 20002004г., выполняемых на кафедре «Технология и автоматизация

машиностроения» БИТТУ СГТУ по направлению «Разработал научных основ повышения эксплуатационной надежности машиностроительных изделий конструкторско-технологическими методами»

Реализация результатов работы. В ЗЛО «Волжский дизель им. Маминых» и других организациях серийно внедрен комплекс мероприятий но повышению эксплуатационной надежности высокофорсированных автомобильных дизелей технологическими методами.

Результаты выполненных в работе исследований и разработок нашли отражение в нормативных материалах по автомобильному дизелестроению, в технологических отчетах ЗАО «Волжский дизель им. Мамипых». По мере разработки они были применены при проектировании, совершенствовании и эксплуатации нескольких поколений автомобильных высокофорсированных дизелей, созданных в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых», в каждом из которых был достигнут высокий технологический уровень и эксплуатационная надежность, включая модификации, отмеченные государственными премиями, аттестованы на высшую категорию качества и поставлены в ряд зарубежных стран (Иран, Ирак, Алжир, Куба, Йемен, Эфиопия и др.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на V Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Балаково, 19-22.11.2002

г.);

- на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе» (Москва, 1618.12.2002 г.);

- на Межгосударственном научно-техническом семинаре по ДВС (Саратов, 22-23.05.2003 г.)

- на VI Всероссийской научно-практаческой конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 26-27.02.2003 г.);

- на VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 2829.05.2003 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ. Общий объем публикаций составляет 3,6 пл., в том числе 1,5 п.л. принадлежит лично автору.

На защиту выносятся:

- зависимости показателей эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей от наработки;

- результаты теоретических исследований по определению основных закономерностей напряженного состояния огневых днищ цилиндровых крышек от действия механических и температурных нагрузок на основе базового метода конечных элементов;

- результаты экспериментальных исследований по изучению влияния остаточных напряжений от поверхностного пластического деформирования на общее суммарное напряженное состояние огневых днищ цилиндровых крышек;

- технология поверхностного пластического деформирования образцов-свидетелей и деталей дифференцированным гидродробеструйным упрочнением и ультразвуковой обработкой.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы. Диссертационная работа содержит 139 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 32 таблицы, библиографию из 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность новизна темы, дана общая характеристика выполненной работы, сформулированы основные результаты.

В первой главе рассматривается состояние проблемы на основе анализа опубликованных работ по расчетно-экспериментальным методам определения напряженности цилиндровых крышек и технологическим методам повышения их эксплуатационной надежности.

Анализ технологических методов повышения эксплуатационной надежности крышек цилиндров показал, что поверхностное пластическое деформирование (ППД) гидродробеструйной обработкой является одним из наиболее эффективных методов. Применение ППД позволяет уменьшить эффективный коэффициент концентрации напряжений и обеспечить равнопрочность конструкции по всем участкам поверхности. Упрочнение деталей методом ППД базируется на закономерностях упруго пластического деформирования поверхностного слоя твердым телом. Механизм упрочнения ППД состоит в лавинообразном развитии дислокаций, скапливающихся вблизи линии сдвигов, и последующей их остановке различными препятствиями. В первый момент происходит дробление зерен на блоки с образованием мозаической структуры. Далее, из-за развития сдвигов по плоскостям скольжения образуются новые, более мелкие зерна. Кристаллы, теряя первоначальную форму, сплющиваются и вытягиваются в направлении деформирования с формированием волокнистой структуры с анизотропными свойствами. При неправильно выбранных «завышенных» режимах гидродробеструйного упрочнения может произойти перенаклеп металла, который проявляется в образовании микротрещин, снижении начальных статочных напряжениях сжатия, увеличении шероховатости. При этом изменение последней рассматривается как фактор, оказывающий влияние только на момент появления трещин. Перенаклеп снижает эксплуатационные свойства конструкций, не поддающиеся термообработке.

В плане повышения эксплуатационной надежности крышек цилиндров высокофорсированных автомобильных дизелей технологическими методами, например, ППД гидродробеструйной обработкой, имеется ряд публикаций (А.Н. Овсеенко, И.В. Кудрявцев, С.П. Косырев), уделяющих первостепенное внимание вопросам образования начальных остаточных технологических напряжений, возникающих в результате ППД и объемных изменений материала по сечению при обработке. При этом стабилизация физико-технических параметров поверхностного слоя, перераспределение начальных остаточных

напряжений с образованием эпюр, присущих только поверхностному деформированию, эквивалентны снятию внутренних сил от начальных остаточных напряжений.

Эксплуатационная надежность высокофорсированных дизелей зависит от сохранения их базовыми деталями первоначальных размеров и формы. Обычно детали, изготовленные в соответствии с чертежом и установленные на дизель, по истечении некоторого времени изменяют геометрические размеры и форму (эллипсность, овальность, огранка). Причиной указанных явлений является высокий уровень начальных остаточных напряжений. Известен метод динамического нагружения отливок цилиндровых крышек для стабилизации размеров путем принудительной вибрации (О.Ю. Коцюбинский). При этом в отливке возникают затухающие колебания, создающие дополнительные нагружения ее материала дополнительными напряжениями. Так как вибрационная обработка способствует уменьшению коробления отливок цилиндровых крышек, считается, что она вызывает резкое снижение остаточных напряжений. В способе вибрационного старения деталей (K.M. Рагульскис и др.) эффективность вибрационного старения определяется степенью пластической деформации металла, которая зависит от прикладываемой нагрузки при вибрации, определяемой значением и местом приложения вынуждающей силы, создаваемой вибровозбудителем, а также геометрической формой детали. Недостатком известных способов стабилизации остаточных напряжений является невысокая эксплуатационная надежность деталей, обусловленная высоким уровнем остаточных напряжений как после литья, штамповки и механической обработки, так и после стабилизации их различными способами. Наибольшая величина начальных остаточных напряжений, которая допускает стабилизацию размеров огневого днища цилиндровой крышки при вибрационной обработке, составляет

О,350»=78,5МН/м2 (где а„=210МН/м2). Вибрационная обработка отливок

цилиндровых крышек должна производиться при режиме вибрационного старения, когда возникающие в них дополнительные напряжения растяжения (K.M. Рагульскис и др.) составляет 0,15а,,, т.е. 31,5МН/м2. Использовать режимы, создающие вибрационные напряжения больше 31,5МН/м2, опасно, так как возможно разрушение отливок цилиндровых крышек. Следовательно, в известных случаях не обеспечивается полная стабилизация начальных остаточных напряжений в деталях.

Для повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек в предлагаемом методе, включающем вибрационное старение, последнее осуществляют ультразвуковыми колебаниями на устойчивой резонансной частоте. Механизм влияния ультразвуковых колебаний на остаточные напряжения в процессе вибрационного старения цилиндровой крышки предусматривает пластические сдвиги в структуре металла, а ультразвуковые колебания поглощаются преимущественно дислокациями, приводя к дислокационной перестройке структуры металла. Формирование новой структуры последнего после ультразвуковой обработки вызывает изменение механических свойств материала цилиндровой крышки, в результате чего

создаются условия для направленного перемещения потоков точечных дефектов из-за появления градиентов начальных остаточных напряжений.

Во второй главе разрабатываются теоретические и экспериментальные основы динамически нагруженного состояния цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей.

В этой связи наиболее полно учесть особенности теплового и напряженно-деформированного состояния дншца крышки позволяют исследования на основе решения пространственных задач стационарной теплопроводности и термоупругости с использованием метода конечных элементов (МКЭ). При решении объемной задачи МКЭ цилиндровой крышки применяется тетраэдр - элемент с четырьмя узлами в объемной системе координаг.

Дня минимизации полной потенциальной энергии системы применяется метод перемещений, где перемещение любой точки определяется тремя компонентами и, V и лу в направлении координат х, у, г. Таким образом, вектор перемещений имеет вид

и

{/) = ■ V и>

Для трехмерного пространственного характера нагружения цилиндровой крышки транспортного дизеля необходимо задать четыре узловых значения, и их компоненты имеют вид

и = а, Н а2 • х + а} • у + а4 • г. (2)

(1)

Перемещение элемента определяется двенадцатью компонентами перемещений его узлов:

ГА'

8.

(3)

где

{'Н

И т.д.

В трехмерном случае в матрице деформаций учитываются все шесть компонент деформации. Используя извеегпые обозначения Тимошенко, запишем матрицу деформаций в виде

ди

дх

ЭУ

€х ду

е, ду>

е, аГ

V ди Зу

'V — —-

у ду дх

Г у* Эу Зи>

Уа. дг ду

Эн> + ди

.дх дг.

Остальные подматрицы получаются перестановкой индексов.

Кроме того, надо учитывать, что в рассматриваемый момент времени в теле существует некоторые остаточные напряжения.

Начальные деформации, такие как обусловленные тепловым расширением, можно записать обычным образом в виде шестикомпонентного вектора, имеющего, например, для изотропного теплового расширения вид

(5)

ы=

ав' а&' О О О

(6)

где а — коэффициент линейного расширения, а — средняя по элементу температура.

Узловые силы, обусловленные начальной деформацией, записываются в виде, аналогичном

о}и (7)

Аналогичные выражения получаются для сил, обусловленных начальными напряжениями.

Для корректировки схемы идеализации цилиндровой крышки, графического представления о полученной разработке на КЭ и для разумной перенумерации узлов сетки, содержащей элементы с малыми углами, проводится оптимизация координат узлов, улучшается вид сетки элементов. Результатом разработки являются массивы координат узлов и массив, служащий списком элементов. Графическое изображение идеализации цилиндровой крышки позволяет найти ошибки, допущенные при подготовке исходной информации к расчету. Схема машинной дискретизации МКЭ цилиндровой крышки дизеля 6ЧН21/21 представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема машинной дискретизации МКЭ огневого днища цилиндровой крышки дизеля 6ЧН21/21

Согласно этой схеме, число Кэ - тетраэдров - 3208 штук, нагрузка от сил давления газов распространена по всему контуру. В результате расчета цилиндровой крышки МКЭ определяются: вес, координаты центра тяжести, моменты инерции и проекции суммарного вектора сил на прямоугольные оси координат, деформированное состояние цилиндровой крышки, выраженное через перемещения узловых точек, реакция в узловых точках, напряженное состояние конструкции.

Эквивалентные напряжения вычисляотся по гипотезе энергии формоизменения Рихарда Фон Мизиса:

ст ^ +(*, + ^ГУ (8)

где о-, =егп, сгу ~ <хц» сг=о-и, т1у = ап, ху1=а-а, г„ = с,, - компоненты тензора напряжений в рассматриваемой точке тела.

Рассматривая в строгой постановке математические зависимости, которыми описывается поведение твердого тела при совместном воздействии нагрева и внешних нагрузок, нетрудно показать, что эти уравнения взаимосвязаны и должны решаться совместно. Однако доказано, что влияние напряжений и деформаций на распределение температуры достаточно мало и ими можно пренебречь. Это обстоятельство позволяет при исследовании температурных напряжений в качестве первого и независимого шага найти распределение температуры в твердом теле, определяемое заданными тепловыми условиями; вторым шагом исследования будет определение напряжений и деформаций в теле, вызванных данным распределением температуры.

При определении температуры днища цилиндровой крышки приходится сталкиваться с задачами теплопередачи: теплопроводностью и конвективным теплообменом.

На характер конвективного теплообмена сгораемого газа с днищем цилиндровой крышки сильно влияет процесс микротурбуляции, в частности

вблизи от поверхности теплообмена. Пульсирующий характер теплообмена вызывает соответствующее колебание температуры на тепловоспринимающей поверхности. Но колебания температуры на поверхности крышки малы по сравнению с температурным перепадом, определяющим теплоотдачу от газов к стенкам. Это обстоятельство позволяет при практических расчетах теплового потока от газа к днищу цилиндровой крышки и их температурного состояния пренебрегать внутри цикловыми колебаниями температуры. Поэтому коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности огневого днища примем усредненным aj; = 580 Вт/(м2К), а термическое сопротивление при теплопередачи от газов к огневому днищу l/ar=0,0025.

Для определения коэффициента теплопередачи а^ использовалась следующая критериальная зависимость, предложенная Т. ле Февр: (9)

Nuz= 0.047 ■ Re°'V • Pr°33;

где Nuz - число Нуссельта, Re , - число Рейнольдса, вычисляется исходя из тангенциальной скорости воздуха, Рг - число Прандтля

Nut =az-DIX\

где X - коэффициент теплопроводности (для чугуна А.=58 Вт/(м-К))

Re , =совв'Ггlv\

где со вв - угловая скорость воздушного вихря, v - скорость потока;

Рг = 7/-Ср/Л.

Охлаждение жидкостью днища цилиндровой крышки осуществляется в режиме поверхностного кипения. Коэффициент теплоотдачи ав от охлаждаемой поверхности крышки к воде равен 1800 Вт/(м2К), а термическое сопротивление при теплопередаче от огневого днища к воде l/ar=0,0007.

Nu, = Сr Re"23 Pe°t> Рг;43 К?(р/р6Г\7" 'г'Г 5 (13)

где СГ =18,6 для непосредственно омываемых зон крышек,

и Сг-14,2 для зон в случае неупорядоченного движения теплоносителя,

Кф- критерий фазового превращения,

р/ри - давление в системе и барометрическое давление соответственно,

у" // - соответственно плотность воды и плотность пара;

В уравнении Рейнольдса в качестве определяющей для теплообмена используется условная скорость охлаждающей жидкости, равная частному от деления объемного расхода на произведение диаметра цилиндра и высоты водяной полости.

Рассмотрим основные уравнения, по которым производят расчет конвективного теплообмена. Уравнение сохранения массы движущейся жидкости запишем в виде

^¡¡раг + фл- 0, (14)

где v - скорость потока, V - объем, pv - вектор плотности (ютока жидкости.

Первый интеграл в формуле берем по объему, а второй интеграл - по поверхности, ограничивающей этот объем.

(10)

(П) (12)

Полная система уравнений конвективного теплообмена на поверхности

(15)

где с!Г - элемент площадки.

Тепловой поток от пограничного слоя к стенке вычисляется по формуле

q = a{Tm-TJ> (16)

где Tw, Тт - температуры соответственно стенки и жидкости или газа.

Приведенная выше теория расчета температурного поля днища цилиндровой крышки использовалась для расчета цилиндровой крышки ЧН21/21 при работе на максимальном режиме максимальной мощности (Р=1,68 МПа, п=1500 об/мин) в программе Ansys Design Space 6.

На рис.2 показано действие температур на деталь. В местах подвода воды наблюдается турбуляция, и коэффициент теплоотдачи а достигает 2000Вт/(м2К). В сечениях между патрубками а уменьшается на 25-30%.

На рис.3 представлено расчетное поле распределения температур, где на поверхности днища цилиндровой крышки показаны характерные точки со значением температур.

Рис.2. Граничные условия, используемые в расчете

Деформации, обусловленные тепловым расширением, записываются в виде шестикомпонентного вектора, имеющего для изотропного расширения вид

ав'

к}=

а в' а-в' 0 0

(17)

где а - коэффициент линейного расширения; 0е - средняя по элементу температура.

В общем случае тензор напряжений вычисляется так:

= [Д]фН*0}) + {сг0},

где [Б] - матрица упругости.

Рис.3. Расчетные температурные поля днища цилиндровой крышки

В третьей главе разрабатываются методики и выполняются экспериментальные исследования температурных напряжений в огневых днищах цилиндровых крышек на развернутых работающих дизелях.

Поля деформаций и напряжений в деталях машин являются обычно неоднородными. Они могут быть изучены с применением экспериментальных методов. Поля деформаций и напряжений будут известны, если известно напряженно-деформированное состояние в каждой точке рассматриваемой зоны детали. Под точкой понимают элемент, выделенный из детали шестью взаимно перпендикулярными гранями в виде бесконечно малого параллелепипеда.

Зависимости между деформациями и напряжениями при объемном напряженном состоянии:

е, =[сг, -р{сгг +<т3)]/ Е+а-АТ;

е, = [<т2 -- м(сг3 + <7,)]/ £+а • Л7'; (19)

е1 =[°з-Д(Т1 +о"2)]/.Е+а-АУ.

Термометрирование осуществляется при помощи термопар, а также параметрических преобразователей температуры в электрический сигнал.

На рис. 4 приведена схема установки термопар в цилиндровой крышке со стороны огневого днища. После стабилизации теплового режима каждую величину замеряли 5 раз. Результаты замеров усредняли. Локальные коэффициенты теплоотдачи определяли по соответствующим тепловым потокам и температурам воды, изменение которых в пределах поверхностей охлаждения принимали линейным. При перепаде температур между входом и выходом, равном нескольким градусам, такое допущение не проводило к погрешностям.

Рис.4. Схема установки термопар в цилиндровой крышке

Максимальная температура крышки наблюдается в перемычке между выпускными клапанами и достигает значений 670°К на режимах мощности 883 кВт и температуре воды 390°К, а при предельных условиях: температура воды 390°К, масла в картере дизеля 369°К температура в точке №2 достигает значений 681 °К.

Минимальное значение температуры крышки наблюдается в районе установки стакана форсунки и достигает уровня при вышеуказанных условиях 501 -539°К (точка №4), а также в районе посадочного бурта со стороны выпуска на диаметре 190 мм (точка №1) достигает значений 542°К, при этом перепад температуры между точкой, расположенной на перемычке между выпускными клапанами и точкой №1, составляет 380°К. Данный перепад сохраняется при всех значениях температуры воды на выходе из дизеля. Это указывает на то, что поток охлаждающей жидкости неравномерный, меньше со стороны впуска и больше со стороны выпуска, либо это связано с эффективностью охлаждения.

Температура цилиндровой крышки при температуре охлаждающей жидкости 378°К и масла ЗбЗ°К при мощности дизеля 883 кВт находится на уровне 667°К и не превышает предельной величины 673-683°К для чугуна, из которого изготовлена крышка.

В четвертой главе рассматриваются результаты расчетно-экспериментальных исследований напряженного состояния цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей и разработка на их основе технологических методов повышения эксплуатационной надежности.

По данным расчета МКЭ построена эпюра напряжений, вызванных действием сил давления газов а^". Максимальное значение напряжения сжатия

составило -153МПа, напряжения растяжения 176МПа.

В процессе работы днище цилиндровой крышки испытывает термонапряжения и напряжения, вызванные действием сил давления газов одновременно, и необходимо найти суммарное значение действия напряжений.

<г£=<г?+<?Г (20)

А-А Б-Б

Рис. 5. Эпюра остаточных напряжений в днище цилиндровой крышки в соответствующих плоскостях

Наведение в поверхностном слое напряжений сжатия (рис. 5) при поверхностном пластическом деформировании является следствием разрушения регулярного кристаллического строения металла, приводящего к значительному повышению плотности дислокаций, а следовательно, увеличению объема деформированного материала поверхностного слоя, рост которого сдерживается подповерхностными слоями, в которых наводятся напряжения растяжения, компенсирующие в целом напряжения сжатия поверхностного слоя. Но так как усталостная трещина всегда зарождается в поверхностном слое от приложенных

циклических напряжений растяжения, то разрушительное влияние последних компенсируется остаточными напряжениями сжатия упрочненного поверхностного слоя.

Для реализации заданных значений начальных остаточных напряжений программируют изменение технологических параметров потока шариков во времели при обработке поверхности днища цилиндровой крышки на установке ГДЭУ - 5. Схема ГШД дншца цилиндровой крышки (рис. 7) на установке содержит рабочую камеру (па рисунке не показана), цилиндровую крышку 1, дробеструйный пистолет 2, установленный с возможностью перемещения по осям X и У с помощью приводов 3, 4. При программировании для выявления зон по реле времени устанавливается текущее значение I ППД участков поверхности днища цилиндровой крышки как функции от перемещений X, У, обеспечивающих достижение заданного уровня начальных остаточных напряжений. Таким образом, поверхность днища цилиндровой крышки предварительно нагружается начальными остаточными напряжениями <т°' в строшм соответствии с уровпем действующих циклических напряжений на различных участках поверхности днища цилиндровой крышки. Результирующие напряжения а^ показаны на рис. 6.

а =ír01+a./«^

рез

(21)

А-А

Б-Б

450 350 250 150 50 -50

иаФ^Дт;1 -250

-350

-450

-550

'«•■^Мр».

-350

1 ¡0 280

Рис. 6. Эпюры результирующих напряжений сг^

Начальные остаточные напряжения <г" в поверхностном слое образцов оценивали на глубине 210"5 м и контролировали посредством метода измерения мапштоупрушети материала прибором ИОН-4М.

Рис.7. Схема дифференцированного ППД цилиндровой крышки высокофорсированных дизелей

Вторым технологическим методом повышения эксплуатационной надежности огневых днищ цилиндровых крышек является вибрационной старение ультразвуковыми колебаниями на устойчивой резонансной частоте в 19-20 кГц с амплитудой колебаний в 50-80 мкм путем увеличения мощности

для снятия внутренних остаточных напряжений

Технологический метод осуществляется следующим образом. Устанавливают цилиндровую крышку 6 на плиту магнитострикционного преобразователя, находящегося в рабочей емкости 5, включают в электросеть питания и управление схемой, после чего устанавливают резонансную частоту работы магнитострикционного преобразователя и ультразвукового преобразователя с помощью ультразвукового генератора 7. Производят

обработку цилиндровой крышки ультразвуковыми колебаниями в течение 10-12 мин. На протяжении всей обработки необходима циркуляция жидкости в системе из верхнего бака 1, поддерживаемый стойками 4, в нижний 2 с помощью насоса 3. Степень стабилизации остаточных напряжений в цилинидровой крышки оценивают по прибору ИОН-4М. При этом контроль качества стабилизации напряжений осуществляют по истечению 24 ч после ультразвуковой обработки цилиндровой крышки.

В пятой главе проведена оценка эксплуатационной надежности цилиндровых крышек после проведения разработанных в данной работе технологических методов. При номинальной работе на номинальном режиме (п=25с"\ Т\Гс=1765кВт) показатели эксплуатационной надежности составляют 26850 час или 1,3410", что соответствует ресурсу дизеля до капитального ремонта.

Определена технико-экономическая эффективность от повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей технологическими методами. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет выше 1000000 рублей.

Основные выводы

1. Разработаны теоретические основы напряженного состояния днища цилиндровой крышки. По данным расчета МКЭ напряженности от действия давления газов максимальное значение напряжения сжатия составило 153МПа, напряжения растяжения 176МПа. Результаты исследования напряженного состояния в эксплуатационных условиях динамического нагружения с применением МКЭ позволяют более верно судить об эксплуатационной надежности конструкции по критерию усталостной прочности.

2. Разработана методика МКЭ определения температурного поля, и как следствие, температурных напряжений в днище цилиндровой крышки. Результат расчета показал существенное значение перепада температуры на поверхности днища-около 170°К. Наиболее напряженными участками в днище цилиндровой крышки являются зоны межклапанных перемычек, где значения 1 эквивалентных напряжений достигают 280МПа. Сопоставление расчетных температурных напряжений в днище цилиндровой крышки с экспериментальными данными показывает, что их разность не превышает 13%, то есть точность расчета МКЭ лежит в пределах погрешности эксперимента.

3. Проведена теоретическая оценка начальных остаточных напряжений в поверхностном слое днища цилиндровой крышки после поверхностного пластического деформирования. При этом рассчитан коэффициент динамичности, равный 1,22. Сравнительный анализ начальных остаточных напряжений дает удовлетворительную сходимость результатов расчета с экспериментальными данными. Сравнительный анализ эпюр показывает, что при дифференцированном ППД гидродробеструйной обработкой неравномерность распределения результирующих напряжений по сечениям днища снижается в 5-5,5 раз и, соответственно, повышается равнопрочность и эксплуатационная надежность цилиндровой крышки.

4. Разработан и освоен на практике метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения днгаца цилиндровой крышки, позволяющий активно управлять ППД различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно понизить неравномерность нагружения смежных объемов металла и повысить равнопрочность конструкции при усталостном нагружении.

5. Результаты экспериментальных исследований напряженного состояния цилиндровых крышек после ультразвуковой обработки показывают, что уровень начальных остаточных напряжений снижается в 8-10 раз, происходит стабилизация геометрических размеров, чем повышается эксплуатационная надежность конструкции.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в производство и народное хозяйство с годовым экономическим эффектом более 1000000 руб.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Рафиков P.M. Теплонапряженность цилиндровой крышки высокофорсированного дизеля/ С.П. Косырев, A.B. Разуваев, P.M. Рафиков // Двигателестроение. 2002. №2. С. 17-18 (0,25/0,1 пл.).

2. Рафиков P.M. Особенности применения метода конечных элементов для расчета напряженного состояния высокофорсированных деталей транспортных дизелей/ С.П. Косырев, Л.А. Сорокина, P.M. Рафиков // Повышение эффективности эксплуатации транспорта: Межвуз. научн. сб./ Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов, 2002. С. 112-120 (0,5/0,2 пл.).

3. Рафиков P.M. Определение температурного поля в днище крышки цилиндра, как высоконагруженной детали транспортного двигателя/ С.П. Косырев, P.M. Рафиков, В.В. Петухов // Повышение эффективности эксплуатации транспорта: Межвуз. науч. сб./Сарат. гос. техн. ун-т. Саратов: СГТУ, 2003. С. 21-24 (0,3/0,1 пл.).

4. Рафиков P.M. Определение температурных напряжений в дншце крышки цилиндра как высоконагруженной детали транспортного двигателя / С.П. Косырев, P.M. Рафиков, В.В. Петухов // Двигателестроение. 2004. №2. С. 20-22 (0,25/0,1 пл.).

5. Оценка начальных остаточных напряжений в материалах разнородной упругости нагруженных деталей высокофорсированных дизелей с позиции векторного нагружения/ С.П. Косырев, JI.A. Сорокина, P.M. Рафиков, Е.А. Комиссаренко // Векторная энергетика в технологических, биологических и социальных системах: Матер. V Российской научной конференции/ С ООО АН ВЭ. Балахово, 2002. С. 11-19 (0,5/0,2 пл.).

6. Рафиков P.M. Остаточные напряжения - резерв прочности нагруженных деталей высокофорсированных дизелей/ С.П. Косырев, Л.А. Сорокина, P.M. Рафиков // Современные технологии в машиностроении - 2003: Сб. статей VI Всероссийской научно-практической конференции/ ПДЗ. Пенза, 2003. С. 306-308 (0,25/0,1 пл.).

OS. Of — 2005,4

7. Технологические методы обеспечения работоспособности нагруженных деталей высокофорсированных дизелей/ С.П. Косырев, JI.A. Сорокина, P.M. Рафиков, Е.А. Комиссаренко // Ремонт, восстановление, модернизация. 2004. № 9. С.22-24 (0,25/0,1 пл.).

8. Исследование остаточных напряжений в высоконагруженных деталях форсированных дизелей/ С.П. Косырев, A.B. Разуваев, JI.A. Сорокина, P.M. Рафиков, Е.А. Комиссаренко // Двигателестроение. 2003. №2. С. 21-24. (0,3/0,1 пл.).

9. Рафиков P.M. Особенности поверхностного пластического деформирования высоконагруженных деталей транспортных дизелей/ С.П. Косырев, JI.A. Сорокина, P.M. Рафиков // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: Матер. VIII Международн. науч.-техн. конф./ ПДЗ. Пенза, 2003. С. 35-39 (0,35/0,15 пл.).

10. Рафиков P.M. Методы исследования напряженного состояния цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей/ С.П. Косырев, А.В Разуваев., P.M. Рафиков // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего состояния: Матер. Межгосударств, науч. - техн. семинара. Саратов, 2003. С.177-178 (0,15/0,05 пл.).

11. Рафиков P.M. Поверхностное пластическое деформирование высоконагруженных деталей автомобильных форсированных дизелей P.M. Рафиков, JI.A. Сорокина, С.П. Косырев // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.: Матер. Межгосударств, науч. -техн. семинара, вып. 16. Саратов, 2004. С. 92-94 (0,25/0,2 пл.).

12. Рафиков P.M. Расчетно-экспериментальная методика исследования температурных напряжений в огневом дншце цилиндровой крышки автомобильного дизеля/ P.M. Рафиков, В.В. Петухов, С.П. Косырев // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: Матер. Межгосударств, науч. -техн. семинара. Саратов, 2004. С.94-96 (0,25/0,1 пл.).

Лицензия ИД № 06268 от 14.11.01

Подписано в печать 21 03.05 Бум. тип.

Тираж 100 экз.

Усл. печл. 1,16 Заказ 107

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л. 1,о Бесплатно

Саратовский государственный технический университет ' *

410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77 '

Копипринтер СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77 ?

с

№2

ч

2 ? Auf г005~

•i /

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЦИЛИНДРОВЫХ КРЫШЕК ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ.

1.1 Оценка основных направлений развития методов и средств для определения динамической и температурной напряженности цилиндровых крышек от действия сил давления газов и температуры.

1.2 Обзор и анализ опубликованных работ по применению технологических методов повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек дизелей.

1.3 Объекты исследований.

1.4 Анализ показателей эксплуатационной надежности деталей высокофорсированных дизелей.

1.4.1 Оценка эксплуатационной надежности цилиндровых крышек по критерию «вероятность безотказной работы».

1.4.2 Прогнозирование эксплуатационной надежности цилиндровых крышек по критерию механики разрушения.

1.4.3 Оценка эксплуатационной надежности по критерию вариации концентрации напряжений.

1.5 Постановка задач исследований согласно цели работы и достигнутому уровню развития.

Глава 2 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Структура программы и ее нормативное обеспечение.

2.2 Теоретические основы напряженного состояния цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей.

2.2.1 Расчет напряженного состояния огневого днища цилиндровой крышки высокофорсированного дизеля от сил давления газов

2.2.2 Методика расчета температурных напряжений в огневом днище цилиндровой крышки.

2.3 Оценка виброударного нагружения при гидродробеструйной обработке цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей

Глава 3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОГНЕВОГО ДНИЩА ЦИЛИНДРОВОЙ КРЫШКИ.

3.1 Задачи экспериментальных исследований напряженного состояния огневого днища цилиндровой крышки.

3.2 Определение напряжений в огневом днище цилиндровой крышки от действия сил давления газов и монтажных усилий . 66 3.2.1 Влияние температуры на показания тензодатчиков.

3.3 Экспериментальные исследования теплонапряженности огневого днища цилиндровой крышки.

3.3.1 Подготовка исследований температурных напряжений цилиндровых крышек перед выходом на дизель.

3*3.2 Проведение исследований температурных напряжений цилиндровой крышки на развернутом дизеле.

3.4 Оценка точности экспериментов и погрешности измерений

Глава 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЦИЛИНДРОВЫХ КРЫШЕК ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ.

4.1 Технологический метод упрочнения огневого днища цилиндровой крышки.

4.2 Технологический метод релаксации остаточных напряжений в поверхностном слое огневого днища цилиндровой крышки высокофорсированного дизеля.

4.3 Контроль и измерение уровня остаточных напряжений в днище цилиндровой крышки.

Глава 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ЦИЛИНДРОВЫХ КРЫШЕК ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ.

5.1 Анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований напряженного состояния огневого днища цилиндровой крышки.

5.2 Оценка эксплуатационной надежности огневого днища цилиндровой крышки ППД.

5.3 Технико-экономическое обоснование повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей.

В течение последних лет затраты на ремонт машин, работающих в той или иной области машиностроения, возросли в 2, 3 раза, а наработка на отказ у отремонтированных двигателей снизилась в 2-3 раза. Снижение эксплуатационной надежности техники, занятой в народном хозяйстве, и эксплуатируемой, как правило, круглогодично, приводит к значительному снижению эффективности производства в целом. При этом 40-50% неисправностей, приходится на двигатель как энергетический элемент любых машин, а из них около 60% составляют неисправности деталей цилиндро-поршневой группы и цилиндровых крышек дизеля. И это, несмотря на то, что 75% времени технического обслуживания приходится на двигатель (по данным Ф.Н. Авдонькина, A.C. Денисова и др).

Стремление увеличить производительность машин ведет и к повышению удельных мощностных показателей поршневых двигателей, используемых в данной отрасли хозяйства. Но их практическое использование все более затрудняется вследствие возрастания теплонапряженности их деталей. Теплонапряженность обусловлена тем, что часть тепла, выделяемая в объемах цилиндров при сгораний топлива, поглощается поверхностями деталей, ограничивающих эти объемы. При повышении мощности двигателей возрастают тепловые нагрузки и градиенты температур теплонапряженных деталей и увеличиваются термические напряжения, что отрицательно влияет на эксплуатационную надежность теплонапряженных деталей и двигателя в целом.

Актуальность. Важность улучшения эксплуатационных показателей цилиндровых крышек дизелей определяется тем, что именно от состояния огневых днищ камер сгорания дизелей зависит срок службы двигателя, так как в условиях форсировок последнего по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала главным препятствием их реализации является рост механической напряженности узлов и деталей и как следствие снижение эксплуатационной надежности из-за термоусталостных трещин и начальных остаточных напряжений, являющихся причиной разрушения. Так, например, по данным эксплуатации [39, 37, 11] при капитальном ремонте дизелей у 80-90% цилиндровых крышек обнаруживаются термоусталостные трещины.

Тепловой поток, отводимый в цилиндровую крышку, превосходит поток, отводимый в поршень, а сложность конструкции приводит к большой неравномерности тепловых нагрузок на отдельные элементы цилиндровой крышки и, как следствие, к высоким температурам и, особенно, температурным напряжениям. Последние являются главной причиной того, что выходы из строя цилиндровых крышек двигателей сельскохозяйственного назначения относятся к хроническому дефекту, свойственному многим типам поршневых машин, например, в компрессоростроении. При этом в подавляющем большинстве случаев причиной выхода из строя является появление сквозных трещин в огневом днище цилиндровой крышки.

Способы восстановления цилиндровых крышек, состоящие в заварке или стягивании трещин фигурными вставками, не повышают эксплуатационную надежность и термоусталостную прочность и не препятствуют росту трещин.

Поэтому в диссертации была поставлена и решена проблема, заключающаяся в повышении эксплуатационной надежности цилиндровых крышек при ремонте путем учета комплексного влияния основных действующих факторов в процессе эксплуатации: остаточных, монтажных, рабочих и термических напряжений.

Актуальность работы подтверждается тем, что она является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы ЗАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0.13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию сельскохозяйственного и автомобильного двигателестроения.

Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом №НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 20002004. - выполняемых на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» БИТТУ СГТУ по направлению «Разработка научных основ повышения эксплуатационной надежности машиностроительных изделий конструкторско-технологическими методами»

Цель работы: повышение эксплуатационной надежности цилиндровых крышек технологическими методами путем снижения неравномерности результирующих напряжений.

Объектом исследования являются цилиндровые крышки высокофорсированных дизелей ЧН21/21 ЗАО «Волжский дизель имени Маминых»

Предметом исследований являются процессы поверхностного пластического деформирования термонагруженных деталей машин.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования были проведены с использованием расчетно-аналитических методов теории теплопередачи, термоупругости, сопротивления материалов и метода конечных элементов. Экспериментальные методы исследований базировались: на электротензометрии, механических методах и приборе «ИОН-4М» при исследовании начальных остаточных напряжений после дифференцированной гидродробеструйной обработки крышек цилиндров и образцов-свидетелей.

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к достижению поставленной цели, учитывающем: разработку математической модели напряженного состояния цилиндровых крышек путем моделирования процесса температурного и механического нагружения применением объемных конечных элементов МКЭ;

- апробацию на практике методов поверхностного пластического деформирования крышек цилиндров и образцов-свидетелей дифференцированным гидродробеструйным упрочнением и ультразвуковой обработкой с теоретической оценкой начальных остаточных напряжений в поверхностном слое днища цилиндровых крышек после поверхностного пластического деформирования.

Практическая ценность. Предложенный метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности днища цилиндровой крышка повышает эксплуатационную надежность путем снижения неравномерности результирующих напряжений по сечениям днища в 5-5,5 раз. После обработки цилиндровой крышки ультразвуковыми колебаниями начальные остаточные напряжения в поверхностном слое огневого днища уменьшаются со 180-340 МПа до 0-15 МПа и стабилизируются во времени.

Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом №НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 20002004. - выполняемых на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» БИТТУ СГТУ по направлению «Разработка научных основ повышения эксплуатационной надежности машиностроительных изделий конструкторско-технологическими методами»

Реализация результатов работы. В ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» и других организациях серийно внедрен комплекс мероприятий по повышению эксплуатационной надежности высокофорсированных автомобильных дизелей технологическими методами.

Результаты выполненных в работе исследований и разработок нашли отражение в нормативных материалах по автомобильному дизелестроению, в технологических отчетах ЗАО «Волжский дизель им. Маминых». По мере разработки они были применены при проектировании, совершенствовании и эксплуатации нескольких поколений автомобильных высокофорсированных дизелей, созданных в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых», в каждом из которых был достигнут высокий технологический уровень и эксплуатационная надежность, включая модификации, отмеченные государственными премиями, аттестованы на высшую категорию качества и поставленные в ряд зарубежных стран (Иран, Ирак, Алжир, Куба, Йемен, Эфиопия и др.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на V Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Балаково, 19-22.11.2002 г.);

- на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе» (Москва, 1618.12.2002 г.);

- на Межгосударственном научно-техническом семинаре по ДВС (Саратов, 22-23.05.2003 г.)

- на VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 26-27.02.2003 г.);

- на VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 2829.05.2003 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ. Общий объем публикаций составляет 3,6 п.л., в том числе 1,5 п.л. принадлежит лично автору.

На защиту выносятся:

- зависимости показателей эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей от наработки;

- результаты теоретических исследований по определению основных закономерностей напряженного состояния огневых днищ цилиндровых крышек от действия механических и температурных нагрузок на основе базового метода конечных элементов;

- результаты экспериментальных исследований по изучению влияния остаточных напряжений от поверхностного пластического деформирования на общее суммарное напряженное состояние огневых днищ цилиндровых крышек;

- технология поверхностного пластического деформирования образцов-свидетелей и деталей дифференцированным гидродробеструйным упрочнением и ультразвуковой обработкой.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, включительно 5 страниц приложений, содержит 58 рисунков, 32 таблицы, список используемой литературы включает 107 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны теоретические основы напряженного состояния днища цилиндровой крышки. По данным расчета МКЭ напряженности от действия давления газов максимальное значение напряжение сжатия составило 153МПа, напряжение растяжения 176МПа. Результаты исследования напряженного состояния в эксплуатационных условиях динамического нагружения с применением МКЭ позволяют более верно судить об эксплуатационной надежности конструкции по критерию усталостной прочности.

2. Разработана методика МКЭ определения температурного поля, и как следствие, температурных напряжений, в днище цилиндровой крышки. Результат расчета показал существенное значение перепада температуры на поверхности днища, около 170°К. Наиболее напряженными участками в днище цилиндровой крышки являются зоны межклапанных перемычек, где значение эквивалентных напряжений достигает 280МПа. Сопоставление расчетных температурных напряжений в днище цилиндровой крышки с экспериментальными данными показывает, разность не превышает 13%, то есть точность расчета МКЭ лежит в пределах погрешности эксперимента.

3. Проведена теоретическая оценка начальных остаточных напряжений в поверхностном слое днища цилиндровой крышки после поверхностного пластического деформирования. При этом рассчитан коэффициент динамичности равный 1,22. Сравнительный анализ начальных остаточных напряжений дает удовлетворительную сходимость результатов расчета с экспериментальными данными. Сравнительный анализ эпюр показывает, что при дифференцированном ППД гидродробеструйной обработкой неравномерность распределения результирующих напряжений по сечениям днища снижается в 5-5,5 раз и, соответственно, повышается равнопрочность и эксплуатационная надежность цилиндровой крышки.

4. Разработан и освоен на практике метод дифференцированного гидроробеструйного упрочнения днища цилиндровой крышки, позволяющий активно управлять ППД различных участков поверхности конструкции, что дает возможность существенно понизить неравномерность нагружения смежных объемов металла и повысить равнопрочность конструкции при усталостном нагружении.

5. Результаты экспериментальных исследований напряженного состояния цилиндровых крышек после ультразвуковой обработки показывают, что уровень начальных остаточных напряжений снижается в 8-10 раз, происходит стабилизация геометрических размеров, чем повышается эксплуатационная надежность конструкции.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в производство и народное хозяйство с годовым экономическим эффектом более 1000000 руб.

1. Авиационные поршневые двигатели // Под ред. И. Ш. Неймана / М.: Оборонгиз, 1950.-450 с.

2. Авторское свидетельство СССР № 1656205, кл. Р 16С7/00, 1991.

3. Расчет конструкций на тепловые воздействия // В. Л. Бажанов, И. И. Гольденблат, Н. А. Николаенко, А. М. Синюков / М.: Машиностроение, 1969. -598 с.

4. Биргер И. А. Остаточные напряжения // И. А. Биргер / М.: Машгиз, 1963. -232 с.

5. Биргер И. А. Расчет на прочность деталей машин // И. А. Биргер, Б. Ф. Шарр, Р. М. Шнейдерович / Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1966. - 459 с.

6. Боли Б., Уэтнер Дж. Теория температурных напряжений // Б. Боли, Дж. Уэтнер / М.: Мир, 1964. 494 с.

7. Ваншейдт В.А. Конструирование и расчеты прочности дизелей // В. А. Ваншейдт / Л.: Судостроение, 1969. 639 с.

8. Василевский Б. И. Дискретная модель и граничные условия в расчета шатуна методом конечных элементов / ЦНИДИ, Л.: 1997. № 259.

9. Вихерт М. М. Конструкция и расчет автотракторных двигателей // М. М. Вихерт /М.: Машиностроение, 1964. 552 с.

10. Галлагер Р. Метод конечных элементов / Р. Галлагер // Основы: Перевод с англ. М.: Мир, 1984 428с.

11. Гурвич И. Б., Сыркин П. Э. Эксплуатационная надежность автомобильных двигателей / И. Б. Гурвич, П. Э. Сыркин // М.: Транспорт, 1984. 141 с.

12. Двигатели внутреннего сгорания. Конструкция и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1984. 238 с.

13. Дизели. Справочник. / под общей редакцией В. А. Ваншейдта. М.: Машиностроение, 1977. - 599 с.

14. Докукин Г. И., Косырев С. П. Исследование процессов отделочно-упрочняющей обработки изделий методами ППД / Г. И. Докукин, С. П. Косырев // Саратов: СПИ, 1989. 26 с.

15. Долецкий В. А. Увеличение ресурса машин технологическими методами / В. А. Долецкий//М.: Машиностроение, 1978. 215 с.

16. Дьяченко Н. X., Дашков С. Н. Теплообмен в двигателях и теплонапряженность их деталей / Н. X. Дьяченко, С. Н. Дашков // Л.: Наука, 1969.- 140с.

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

18. Исаев А. И., Овсеенко А. Н. Выбор оптимальной толщины образца при определение остаточных напряжений в поверхностном слое / А. И. Исаев, А. Н. Овсеенко // Вестник машиностроения, 1967. № 8. С. 74-76.

19. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В. П. Когаев // М.: Машиностроение, 1977. 232 с.

20. Костин А. К., Ларинов В. В., Михайлов Л.И. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания / А. К. Костин, В. В. Ларинов, Л.И. Михайлов // М.: Машиностроение, 1979. 222 с.

21. Косырев С. П. Безотходные технологические методы повышения эксплуатационной надежности элементов КШМ высокофорсированных дизелей / С. П. Косырев//Балаково: Вирма, 1997, 48 с.

22. Косырев С. П. Новые производственные технологии нагруженных деталей высокофорсированных дизелей / С. П. Косырев// Наука и технологии в промышленности. 2001, 2002, № 4 (7)-1 (8), 33с.

23. Косырев С. П. Опыт промышленного применения гидродробеструйного упрочнения шатунов высоконагруженных дизелей / С. П. Косырев // Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК: Матер. Всесоюзного науч.-техн. семинара Саратов: СГАУ, 1991.- с. 30-32

24. Косырев С. П. Циклическая долговечность шатунов высокофорсированных дизелей / С. П. Косырев// Надежность и контроль качества. 1987 - № 1.

25. Косырев С. П. Эффект концентрации напряжений в кривошипной головке шатуна высокофорсированного дизеля / С. П. Косырев// Известия вузов, М.: Машиностроение, № 12,1987.

26. Косырев С. П., Разуваев А. В., Рафиков Р. М. Теплонапряженность цилиндровой крышки высокофорсированного дизеля / С. П. Косырев, А. В. Разуваев, Р. М. Рафиков // Двигателестроение. 2002, № 2, с. 17-18.

27. Косырев С. П., Сорокина JI. А., Рафиков Р. М. Исследование остаточных напряжений в высоконагруженных деталях форсированных дизелей / С. П. Косырев, JI. А.Сорокина, Р. М. Рафиков // Двигателестроение. 2003, № 3, с. 2124.

28. Косырев С. П., Сорокина Л. А., Рафиков Р. М. Технологические методы обеспечения работоспособности нагруженных деталей высокофорсированных дизелей / С. П. Косырев, Л. А. Сорокина, Р. М. Рафиков// Ремонт, восстановление, модернизация, 2004. с.22-24.

29. Коцюбинский О. Ю. Стабилизация размеров чугунных отливок / О. Ю. Коцюбинский // М.: Машиностроение, 1974. 295 с.

30. Кугель Р. В. Испытание на надежность машин и их элементов / Р. В. Кугель // М.: Машиностроение, 1982. 280 с.

31. Кудрявцев И. В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом / И. В. Кудрявцев// М.: ЦНИИТМАШ, кн. 108, 1965. С. 57-62.

32. Кудрявцев И. В., Наумченко Н. Е., Саввина Н. М. Усталость крупных деталей машин / И. В. Кудрявцев, Н. Е. Наумченко, Н. М. Саввина // М.: Машиностроение, 1981. 240 с.

33. Кузнецов Н. Д. Обеспечение надежности двигателя для гражданской авиации/ Н. Д. Кузнецов// Основные вопросы теории и практики надежности М.: Советское радио, 1975, с. 27-42.

34. Кузнецов Е. С. Управление технической эксплуатацией автомобилей / Е. С. Кузнецов// М.: Транспорт, 1990. 272 с.

35. Лукинский В. С. Разработка методов обеспечения надежности большегрузных автомобилей на стадии проектирования: Диссертация доктора технических наук. Л.: ЛСХИ, 1985. 413 с.

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

37. Морозов Е. М., Никимов Г. П. Метод конечных элементов в механике разрушения / Е. М. Морозов, Г. П. Никимов// М.: Наука. Главная ред. физико-математической литературы, 1980 — 256с.

38. Нейбер Г. Концентрация напряжений / Е. М. Морозов, Г. П. Никимов // М.-Л.: ОГИЗ, 1947. 204 с.

39. Овсеенко А. Н. Технологические остаточные деформации маложестких деталей и методы их снижения / А. Н. Овсеенко // Тяжелое машиностроение, 1991.- № 2. С. 58.

40. Овсеенко А. Н., Клюшин А. Р. Состояние поверхностного слоя лопаточных материалов после различных видов деформационного упрочнения // А. Н. Овсеенко, А. Р. Клюшин / Тяжелое машиностроение, 1981. С. 23

41. Овсянников М. К., Давыдов Г. А. Тепловая напряженность судовых дизелей / М. К. Овсянников, Г. А. Давыдов// Л., 1975.-230с.

42. Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием / Л. Г. Одинцов // М.: Машиностроение, 1987. 327 с.

43. Орлин А. С., Иващенко Н. А., Тимохин А. В. Расчет напряженно-деформированного состояния поршней / А. С. Орлин, Н. А. Иващенко, А. В. Тимохин// Известия ВУЗов. Машиностроение, 1977. № 5. С. 73-78.

44. Певзнер В. X., Комиссаренко Р. И. Упрочнение инструмента плазменным напылением / В. X. Певзнер, Р. И. Комиссаренко// Технология и организация производства, 1976. № 11. С. 48-49.

45. Петросов В. В. Некоторые основы теории ГДО // Прогрессивные технологические методы повышения надежности и долговечности деталей машин и инструмента / В. В. Петросов // Куйбышев: 1977. С. 104-110.

46. Петросов В. В. Повышение надежности и долговечности деталей гидродробеструйной обработкой / В. В. Петросов // Вестник машиностроения, 1977. № 4. С. 60.

47. Петросов В. В. Теплофизика дробеударного упрочнения // Теплофизика технологических процессов / В. В. Петросов // Саратов: 1975. С. 97-106.

48. Петросов В. В. Гидродробейструйный способ упрочнения деталей машин // Размерно-чистовая и упрочняющая обработка ППД / В. В. Петросов // М.: Машиностроение, 1968. С. 68-74.

49. Петросов В. В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента / В. В. Петросов //М.: Машиностроение, 1977. С. 82-85.

50. Петросов В. В. Новые способы и установки для гидродробейтруйного упрочнения деталей / В. В. Петросов // Экспериментальные исследованияконструкционной прочности материалов и деталей машин М.: Машиностроение, 1967. С. 207-213.

51. Петросов В. В. Повышение надежности и долговечности деталей двигателей ППД / В. В. Петросов // Конструкционная прочность двигателей. Куйбышев: 1970.- С. 21-22.

52. Петросов В. В. Упрочнение лопаток газотурбинного двигателя обработкой дробью / В. В. Петросов // Влияние технологических факторов на качество и надежность лопаток турбин . Материалы совещания. М.: 1962. - С. 138-154.

53. Петросов В. В., Сулима В. И. Гидродробеструйное упрочнение зубчатых колес / В. В. Петросов, В. И. Сулима // Использование методов ППД в машиностроении. Владимир: 1981. - С. 65-66.

54. Повышение износостойкости режущего инструмента из стали Р6М5 / М.С. Борушко, В .Н. Барков // Технология и организация производства, 1978. № 2.

55. Повышение прочности и долговечности деталей машин пластическим деформированием // Сб. докладов на Всесоюзной научно-технической конференции М.: ОНТИ ЦНИИТМАШ, 1970. - вып. 90. С. 262.

56. Повышение стойкости инструмента вакуумным напылением / Г. П. Богачев, В. П. Гончаренко Технология и организация производства, 1976, № 11, С. 47-48.

57. Полевой С. Н., Евдокимов В. Д. Обработка инструментальных материалов / С. Н. Полевой, В. Д. Евдокимов // Киев: Техника, 1980, 150 с.

58. Полевой С. Н., Евдокимов В. Д. Упрочнение металлов / С. Н. Полевой, В. Д. Евдокимов//М.: Машиностроение, 1986г. 319 с.

59. Применение лазерной закалки для поверхностного упрочнения инструментальных сталей / под ред. Е. В. Бративник Технология и организация производства, 1980, № 1, с. 42.

60. Прочность и долговечность автомобиля. Под ред. Б. В. Гольда. М., Машиностроение, 1974. 43с.

61. Рекомендации по применению процессов поверхностного упрочнения деталей машин. М.: ЦНИИТМАШ, 1981. - 14 с.

62. Розенблит Г. Ю. Теплопередача в дизелях / Г. Ю. Розенблит // М., 1977.130 с.

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

64. Ротенберг Р. В. Основы надежности системы водитель-автомобили дорога-среда / Р. В. Ротенберг // М.: Машиностроение, 1987. 216 с.

65. Рыковский Б. П. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом / Б. П. Рыковский//М.: Машиностроение, 1985. С. 14-16.

66. Саверин М. М. Дробеструйный наклеп / М. М. Саверин// М.: Машгиз, 1955.- 312 с.

67. Серебряков В. И., Овсеенко А. Н., Гоек М. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения / В. И. Серебряков, А. Н. Овсеенко, М. Гоек //М.: МГТУ «Станкин», 1998. 48 с.

68. Серенсен С. В. Несущая способность и расчет деталей на прочность: Руководство и справочное пособие / Серенсен С. В. // М.: Машиностроение, 1985.-488 с.

69. Межгосударственного научно-технического семинара, вып. 16. Саратов: 2004 . -с. 92-94.

70. Стефановский Б. С. Теплонапряженность быстроходных поршневых двигателей / Б. С. Стефановский // М., «Машиностроение», 1978. 126 с.

71. Сухарев И. П. Прочность шарнирных узлов машин / И. П. Сухарев // М.: Машиностроение, 1977. 256 с.

72. Технологические остаточные напряжения / Под ред. А. В. Подзея. М.: Машиностроение, 1973, 156 с.

73. Тимошенко С. П., Дж. Гере Механика материалов / С. П. Тимошенко, Дж. Гере // М.: Мир, 1976. С. 222-223.

74. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника / В. И. Тихонов // М., Советское радио, 1966. 678 с.

75. Туричин А. М. Электрические измерения неэлектрических величин / А. М. Туричин // М.: Энергия, 1966. 575 с.

76. Фиргер И. В. Термическая обработка сплавов / И. В. Фиргер // Л.: Машиностроение, 1982. 304 с.

77. Футорянский Ю. В. Эффективные методы упрочнения стальных изделий / Футорянский Ю. В. // Куйбышев, 1978. 88 с.

78. Хазанов М. С. Влияние обезуглероженного слоя на служебные свойства коррозионной стали 20X1ЗШ / М. С. Хазанов//Энергомашиностроение, 1987. -№ 8. С. 71-78.

79. Цветков В. Т. Двигатели внутреннего сгорания / В. Т. Цветков // ХГУ: i960.- 656с.

80. Чайнов Н. Д. Исследование теплового и напряженного состояния цилиндров двигателей внутреннего состояния / Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра технических наук Москва, 1975, - 32с.

81. Швецов А. В. Базовые детали машин / А. В. Швецов // Л.: Машиностроение, 1967. 252 с.

82. Шорин С. П. Теплопередача / С. П. • Шорин // М.: Высшая школа, 1964. -490 с.

83. Юдин Д. JI. Упрочнение поверхности зубьев тяговой передачи наклепом по всему профилю / Д. JI. Юдин // Сб.: Качество поверхностей деталей. № 5.М.: Изд-во АН СССР, 1961. 47 с.

84. AfFenzeller J., Thien С. Е. Some investigations of the schorter Schank of the big end of a diagonally split connecting rod. Barcelone / J. Affenzeller, С. E. Thien // CJMAC, 1975.-P. 191-192

85. Auswizkung hoher Druckanstiegsgeschwindigkeiten auf die Bouteilbean-spruchung eines Hubkolbenmotor: Diss.Dokt Jng // Wachtmeister G.-Fak. Maschinen Techn. Univ. München, С. 1988. 190 с.

86. Bremi P. Berechnung der Spaungen und wichtigsten Deformation an einem Schubstangenkopf mit Hilfe eines electronishen Rechenautomaten / P. Bremi // Technishe Rundshau Sulzer. 1971. - № i. . p. 59-64.

87. Chan S. K., Tube Y. S. A Finite element method of countact Problems of solid Bodies / S. K. Chan, Y. S. Tube // Part I and II, International Yournal of Machanical Seience, 7, 1971, vol 13.

88. Chapoux B. Mesures des contraintes dynamiques sur les organes moteuret transmission d'un vechicule automobile / B. Chapoux // Sia. 1956. - № 9. - P.5-9.

89. First International Conference on Shot Peening Paris 14-17 September, 1981, A. Niky-Lari

90. Holland J. Beitrog zur Erfassung Schmierver haltnisse in Verbrennungskraft machinen / Holland J. // VDJ. - Forschungen 475, Dusseldorf. - 1959 - S. 33.

91. Holt J. S., Parsons B. High Temperature plasticity analisis of diesel engine components / J. S. Holt, B. Parsons // Non - linear Probl. Stress Anal. - 1978. - P. 437-460.

92. Jrmler C. Warmerspannungen in Zilinderkopf / C. Jrmler // MTZ, 1962, V23, № 10

93. Kleimola M. E., Holmgren H. K. Vervendung der Fimite Element - Metode bei der Entwiclung von Dieselmotoren / M. E. Kleimola, H. K. Holmgren // MTZ, Motorvechnische Zeitschrift. -1976, № 37,6. -S. 231-234.

94. Satoshi O. Afinite Element Analysis of Reinforced Contact Problems / O. Satoshi // Bull of the J.S.M.E., vol 16 № 95, May, 1973, P.74-83.

95. Schutze B. Probleme bei Modelluntersuchungen an Pleuel köpfen / B. Schutze // Machinenbautechnik. 1967. № 16,2. - P. 7-11.

96. Smith T. A., Warwick R. G. Summary of reported vessel defects to nuclear primary circuits / T. A. Smith, R. G. Warwick // Jn: Structural Safety and Reliabilyty / Eds. T. Moan, M.Shinozuka. Amsterdam, Oxford, New York: Elsevier, 1981, p.p. 451-465.

97. Sproless E. S., Duguette D. J. The mechanicm of material removal in fretting / E. S. Sproless, D. J. Duguette // Wear. 1978. - V. 49. - JVb 2. - P. 339-352.1. УТВЕРЖДАЮ:

98. В соответствии с изложенным данным актом подтверждается высокая технико-экономическая эффективность от внедрения выполненных исследований.

99. Дифференцированной гидродробеструйной обработки цилиндровых крышек;

100. Ультразвуковой обработки цилиндровых крышек;

101. Определения технико-экономических показателей применения технологических методов для повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей.

102. Настоящим актом об использовании результатов диссертационной работы подтверждается внедрение в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» технологических разработок с годовым экономическим эффектом не менее 1000000 рублей.

103. При этом неравномерность распределения результирующих напряжений по сечениям огневого днища снижается в 5-5,5 раз.

104. Суммарный экономических эффект от внедрения в производство и эксплуатацию результатов исследований, изложенных в диссертации, составляет свыше 1000000 рублей в год.1. Председатель комиссии1. И.А. Куликов1. Члены комиссии