автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение напряженно-деформированного состояния выпускных клапанов форсированных тракторных дизелей

ХАРЬКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

РГ6 од

На правах рукописи

НОЯ 1995 ..

ТРИНЕВ Александр Владимирович

УЛУЧШЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЫПУСКНЫХ КЛАПАНОВ ФОРСИРОВАННЫХ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

05.04.02 — Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ХАРЬКОВ 1995

Диссертация является рукописью

Работа выполнена на кафедре „Двигатели -внутреннего сгорания" Харьковского государственного политехнического университета

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор АБРАМЧУК Ф. И.

Научный консультант — доктор технических наук, профессор МОЛДАВСКИЙ А. А.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор РОЗЕНБЛИТ Г. Б. кандидат технических наук) доцент ЕРЕМЕНКО С. Б.

Ведущая организация — Харьковский завод тракторных

двигателей

Защита состоится ,, " 1995 г. в часов

в ауд. 3/3 на заседании специализированного совета К 02.15.03 по тепловым двигателям при Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта по адресу: 310050, г. Харьков-50, площадь Фейербаха, 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта

Автореферат разослан ,, " л*^^ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

ПЕЛЕПЕЙЧЕНКО В. И.

- 3,-

ОВЩЛЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ, АКТУАЛЬНОСТИ И СТЕПИ Ш ИССЛ2Д0БДШ0СТЙ ТЕМАТИКИ ДИССЕРТАЦИИ ( Анализ рабйт, посвяя^нных изучению нестационарных тепловых режимов деталей камеры сгорания дизелей показывает, что состояла исследования этих режимов в настоящее время находится в начальной стадам. Сказанное в полной мере можно отнести к выпускным клапанам, работающим в условиях низкочастотных режимных и . высокочастотных цикловых теплосмэн. Трэвдшн термоусталостного характера на поверхности тарел!га клапана свидетельствуют о том большом негативном влиянии, .которое оказывает на работоспособность клапана нестационарные режимы, сопровождающиеся теплосменами.

Обоснованность такого предполокения подтверждается, помимо теоретических исследований, многочисленными испытаниями • тракторных и автомобильных двйгателей в условиях эксплуатации.

Отсутствие информации о характере изменения температурного и напряженно-деформированного состояния-выпускного клапана на переходных режимах сброса и нвброса нагрузки, отсутствие соответствующих математических моделей,, а также в большинстве своем термоусталостшй характер повреждений кла-. панов подтверждают вывод об актуальности исследования нрета-ционврного теплонапряяенного состояния выпускных клапанов на переходных режимах.

ЦЕЛЬ И ОСЙОШШВ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ • Улучшение напряженно-деформированного состояния выпускных клапанов форсированных тракторных дизелей за счет уменьшения динамической составляющей термоупругих напряжений на переходных режимах сброса - 'наброса нагрузки и снижения температуры клапанов за счет использования локального воздушно-

• - к -

го охлаждения является целью исследявания. 'Для ее достижения в настоящей работе поставлены следующие основные задачи:

1. Разработка математической модели нестационарного теплового и напряженно-деформированного состояния выпускного клапана быстроходного дизеля и ее идентификация.

2. Расчетное исследование влияния конструктивах. факторов на температурное поле и термоупругие напряжения в вынус-кчом клапане.

3. •Рпсчвтно-аксперименталыюо исследование влияния локального воздушного охлаждение клапанного узла (клапан, седло, направляющая втулка) на снижение тешганзиряжешюоти вы-пупшого клапана.

4. г «¡¡»работка практических рекомендаций по снижению тзплоняпрпготшости юиускных клапанов Сисгдомдошс дизчлчй.

ОБОСНОВАНИЕ ГЕОтИЧКСКОИ п практической ЦЕННОСТИ ИССЛВДОВАЯИЯ И ЕГО НАУЧНОЙ НОВИЗНЫ

1>з-ц'»г.-1Ч»окач ценное! ь досгертздаониого исследования С!'род»:п9ХСЯ в о'чгсгаон рипраС-лкой адекватной матоматичес -гудели нестационарного -тталонэпряданчого состоят:;! ья-н/стчо клапана быстроходною дна" ля па »«роходдел рем-мп* сброса - ка^роса на! рушш. Нрп эк*» и топе рчсчотнэ-аконо! п~ г:':к7чльнуу наследований птрьт подуют $щ>нвяаня?ю ремонте г{,уг'ЮДо!, зздяивуга моююшя граничим условия н задало годспрсодюсга, уточнен и ходе р>ав(шя на ЭТИ обратной сдт-щ тогданронодюсак грешнике усдаю'я дто утансчлиштхся 'П-тгтгсгх и номинальных реет-ов.

Нраотячагеим цоипооп. щччлд^яг.й рг^'ля с»чдишя к

-.¡г-у-игу ■ Га.«роботйшшч матвдгмт юлтюКнэК >гч:гшкжрюЯ 1?ятапроЕо;^'''1тя г ч<»рюуи'ут»»си» взризято»

ГГТ-ч-Щ'ИЯ КЛ'1!1»ПОП могут бить ¡:''У/).'Гг'ПР,г>1;Я г: КОТОСТШ ' "

ментов системы автоматического проектирования ДВС.

. Полученная информация о характера изменения термоупругого состояния выпускного клапана на переходных режшах позволяет наметить пути устранения динамических забросов напряжения. С этой целью может быть, например, рекомендована пустотелая конструкция клапана.

Проведенная расчвтш-эксперименталысая. оценка эффективности системы локальйого воздушного охлаждения клапанного узла для снижения теплоиапрякенности клапана позволяет реко-""""нап указанный способ охлаждения как в случав высоких {»..уоировок дизелей (И & 25 кВт/л), так и при необходимости замены дорогостоящих лагироватшх сталой на дешевые клапанные стали с низкой жаростойкостью.

Нэучнув новизггу исследования составляют следующие положения.

Впервые разработаны математические модели нелинейной нестационарной теплопроводности и термоупругости выпускных ; клапанов различного конструктивного исполнения (сплошной, пустотелый, с. упрочняющей наплавкой на опорной фаске, охлзя-дяемого воздухом), позволяющие выполнить расчетные исслэдо- ■, вания теплового и нэпряженно-дефоргарованногр состояния ула-'занных вариантов клапанов.с учетом их геометрии," свойстг материала, уровня и режимов изменения нагрузки.

Получены количественные значения забросов и просадок ' термоупругих напряжений -в 'наиболее нагруженных участках сечения клапана при набросах и сбросах нагрузки быстроходного двигателя, исследованы условия возникновения забросов термоупругих напряжений для сплошного варианта клапана.

Расчетно-экспг'-мментальннм путем установлено, что выполнение внутренней полости в стержне и тяреяке клапана уст-

раняет динамический заброс тормоупругих напряжений на переходных режимах.

Проведена экспериментальная оценка эффективности локального воздушного охлаждения клапанного увла на стационарных и нестационарных режимах нагрутания.

Проввдона расчетная оценка усталостной прочности выпускных клапанов с учетом динамического характера размахов тсрмоупругш напряжений в цикле сброса и набросэ нагрузки. Наказано, что определяющую роль н разрушении клапана играют «шзкочастотшй апорводаческяв нзгрукешм на переходных ро-

УГОВЕНЬ РШЙЗА15И, ,ШадГШ5Я НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК Длосаргяцня вилолпонэ в еоотвэтстюм с 'государственной «¡•сптаг-аой "Мотокорзм" (постзгмглешю ПШТ СССГ II 609 Г ?тШ.С0.!ШЭ г.). О настояцуе врьмя бзятоеэ направление про-д-ьшмтсн в рамках украинской программ« "Мзтокорам" (прог-рлг-иа "Мотошэрам" ГШГГ Укрпгаш 7.04.01 .ГС.).

Гозультоты 'раочетно-окстримои'галишх исследований по те:и:опа;;ряж'лшому состоянию выпускных клапанов быстроходных ХпяодеЯ па стацвоноршх романах нягрууяния, мутодика термо-чэтркроваивя тшусклого клапана па шрмодеш. режимах сброса - н'У'рооа нагрузки внодревн на нрвдпрлнтии. Х1ЩД НО "Завод ¡м. Ыолыашва", что подтверждается актом внедрения.' •АНГ0БА1Ш И ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНОГО ИССЛЯДОВАШЯ, СТРУКТУРА И ОБЬЕМ ДИССЕРТАЩОШ)» РАБОТЫ ■ -рвбота. Осноигае полокчштя и результаты дяс-

горгицпонной работы дашш на 2-х международных • иаучяо-»чгикч<ни«х хотПярешкяг {"Компьютер: ¡''¡у'а, попика, тезшо-

.т.-!ги.1, ^'уроню" Хар'.-к т - Мликольц 19£0, 1334 г.г.), о так -1 ■ г-<-. <;-<\->«->-".«ттсгих корфорлнияях щ-чтдчщптглй и гот-

рудников ХИИТа (1ЭЭ2, 1994 гг.) и ХШ (1393, 1994 гг.).

Пубяикр'.Ш- По результатам диссертационного исследоьа-лия опубликовано' 6 печатных работ, получено Б авторских свидетельств СССР и патент Российской Федерации.

Обьеы и структура работа. Диссертация гостоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложения. Работа содержит ^сУ страниц основного текста, таблицы и 52 рисунки.

ЛИЧНЫМ ВКЛАД В РАЗРАБОТКУ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ, ВЫШСШНХ НА ЗАЩИТУ

Автором получены следующие новые теоретические и практические результата, которые наносятся на защиту:

1. Математическая модель нестационарного теплонэпряжен-ного состояния выпускного клапана быстроходного дизеля, позволяющая рассчитывать значения термоупругих напряжений в клапане на переходных режимах сброса - наброса нагрузки.

2. Результаты расчетного исследования влияния конструктивных факторов на нестационарное температурное пол в и нестационарные тэрмоупругие напряжения на переходных рекимах.

3. Результаты расчотно-экспериментального исследования •влияния локального воздушного охлаждения клапанного узла (клапан, седло, направляющая втулка) на улучшение его тепло-напряженного состояния.

4. Технические решения и практические рекомендации, направленные на снижение тэплонапряженности выпускных клапанов быстроходных дизелей на форсированных рекимах и в условиях нестационарных низкочастотных нагружений. Предложенные решения защищены пятью авторскими свидетельствами и патентом.

- 8 -

ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОЛОГИИ, МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДМЕТА И ОБЪЕКТА При выполнении диссертационной работы предполагался системный подход к решению поставленной в исследовании проблемы, что выражается в комплексном анализе условий снижения те-шюнанряетнности выпускных клапанов Троированных дизелей, в разработке новых научных положений,базирующихся на фундаментальных. положениях теории упругости и теплопередачи в дозэ-лях, в использовании апробировашшх численных методов решения пэдэт нестационарной теплопроводности и тврмоупругости.

•Вшшсенные на защиту новые научные положения, а именно математическая модель нестационарного тэшюнапрякенного состояния выпускных клапанов и полученные с ее помощью решения, не противоречат фундаментальны?,! шложокиям теории упругости и теплопередачи. а лишь рэетиряют представления о динамике термоупругих напряжений в теле клапана на переходных режимах.

Метод проведенного исследования шкно охарактеризовать как расчотно-эксперим'энталышй.

Предметом исследования, как следует из вышеизложенного, прллотся нестационарно-.' теплонвпряжетшоэ состояние, в об).°ч-том исследования - выпускнш клапаны быстроходных дизелей тракторного типа, в частности диоелой семейства СМД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ, ШТЕКАМЧИЕ ИЗ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ Текст рукописи диссертационной работа.содержит основнне результаты диссертационного исследования. При атом во введение обоснована тома яиссэртоця'-'ииой работа, двна ее общая ».врактериотккя, офорзулирошш, циль и задачи исследования, т'рл^'-дени ноложнкя, нотоуип и.'чпятся на защиту.

Р. оонову Д»ппарггл.у1"4м рч<5<пн ПОЛОК91Ш Т90р£)ТИЧВ0КИ0

труда и прикладные разработки научных школ и коллективов: ХГГО (ХШ), МГТУ, С-ПГТУ, ХГАЖТ (Ш1Т), ГСКБД, ШТУ.аш HAH Украины, НЛП HAH 'Украины, ШМ 1Ш1 Украины и др. организаций Украины, о также зарубежных стран.

Диссертационная работа явилась результатом сотрудничества автора с коллективом ученых кафедры ДВС ХГПУ и ИГМаш HAH Украины.

В первой гляве приводен анализ известных численных методов, используемых при решении нестационарных задач теплопроводности и упругости при исследовании теплового и напря-жошю-деформировзнного состояния деталей камеры сгорания двигателя. Обоснован выбор метода конечных элементов (МКЭ).

Решения задач теплопроводности и термоупругости осуществляется с использованием программного комплекса ЯРОК, разработанного в ИГМаш HAH Украины и использовавшегося ранее для решения подобных нестационарных задач.

Применительно к осесиммотричной задаче теплопроводности, решаемой с поморю МКЭ, на основе уравнения нестационарной теплопроводности составляется функционал, минимизацией которого находится искомое температурное поле-клапана. Функ- ■ ционал содержит управляющие функции, зависящие от времени п задаваемые для изменения граничных условий по участкам границы расчетной области.

Решение нестационарной задачи теплопроводности осуществляется. с помощью неявной схемы Крэнка-Николсона.

- Для расчета нестационарных термоупругих напряжений используется вариационный принцип Лагранка.

Во второй главе приведет основные результаты экспериментальных исследований на моторном стенде тракторного дизеля ОВД-f8Н, проведянннв для идентификации рчзрэботяяпих. мо-

тематических моделей нестационарного тошюнапряжешюго состояния выпускного клапана, а также для количественной оценки эффективности локального воздушного охлаждения клэпанногс узла и связанных с этим энергетических затрат.

Были проведет сравнительные испытания серийного не охлаждаемого и охлаждаемого воздухом клапанов на установившихся и на переходных режимах, в ходе которых регистрировалась температура клапана в контрольных точках и соответствующие рабочие параметр« охлаздаищего воздуха. Переходные режимы при этом моделировались сбросом и наОросом нагрузки в пределах от режима холостого хода (Н = 0 кВт, п = 800 мин"1, п = 1600 мин"1) и до режима номинальной мощности (И =74 кВт, п = Ш00 мин-1).

Экспериментальная установка нредоханляла собой моторный стенд тракторного дизоля СЗД-18Н (4ЧН12/14), укомплектованный штатными системами и агрегатами. Изменения, внесенные в конструкцию кориусшх деталей, сводились к следующему. При снятой технологической заглушке в тело головки л в предварительна дообряботашгай нпиршлящеС втудко шпускного кладет» 4 го цилиндра било ишюдионо сквозное рэз'-бовое отверстие, у, которое ввинчивала;;», вод.пушюдаододзя втулка.

ииитдчядйй воздух по юяяухогадводда^й втулке поступа-"Г ох кс.'~:рос;сора в полость, образованную внутренне» расточ-к'.ч! н шпрпюгадеб втулке и сторыгеп кмапня, и по сворлош-яч г икчо клапана вытекает в шпуекпэй тракт. Система локального воздушного оммдеипя вк-дачала также рзсширитолыщй с термометром и манометр".',", устш<ит»шшми для контро-.".< ипракээров воздуха па ачод" .в глано», п уцт»иото»ш!чй пе-{•«д рп;:г:ир;:'толь!пш бачком ряп&я-дир воздуха.

13 КПЧЧСТГД ТпрМОГгЛ'нК! р'1Д.'7П ДЛЧ ТПрОПЯр ПШОЛЬаОВШ|>('!1.

пара хромэль-алюмель. Термопары' били установлены в 4-х контрольных точках. . .

Токосъем осуществлялся с помощью прерывистого токосъем- ' 1шка, смонтированного па дообраОотттой для этого тарелке клапана.

Обработка первичных сигналов (тармо-ЭДС) от термопар производилась при помощи тензометрической системы СНИТ-3, доукомплектованной специальной приставкой для термометриро-вания с быстродействием ~ 20 измерений в секунду.

По результатам термометрированип были построены зависимости температуры выпускного клапана от нагрузки для нэох-ловдаемых и охлаждаемых вариантов клапанов, а также динамические температурные кривые для режимов сброса и наброса нагрузки.

Проведена оценка погрешностей измерений,' получены эмпирические'формулы, описывающие законы изменения температура на переходных режимах от времени.

В трогьей глава приводятся результата расчсшю-экслери-мэнталыюго исследования влияния конструктивных и режимных факторов на твплонвггряжвтоо состояние неох-лаждаемо^о вы- , пускного клапана.

Н исследовании рассмотрены влияние материала клапана, наличие, специальной наплавки на опорной фаске и влияние внутршшей полости в клапане на величину тормоупругих напряжений. .

Решению нестационарной задачи теплопроводности предшествовал анализ температурного состояния клапана на стационарных режимах: номинальной мощности, частчпнх и холостого хода. В ходе провопишегопя анализа ставились задачи уточнения корфрицичнтп теплоотдачи г» и реяультррутоцой по топлоот-

Доче температуры. .

В шрвих вариантах расчета тмм»рятурного поля значения сц, я 4 а со стороны кжври сгорания- опдчвались на оинова-нви р/ючитио- экспорамонтллыюх мссмидоазнзй но стационарных руир*.*!, ироводвлннх Ф.И. Абрамчуком и Г.В. Гозенблитом для дичел'.'П семеИства СМД. Значение коэффициента контактного теплообмена, усрсдн'шпш'о оа цикл, определилось но формуле Г.Б. Гиаонблитя, учитывающей ирорыгдотый характер контакта, нер'-даммн!) закон изм»неяия давления к контакте, в точение цш-'.чя, а также ыяроховятость коптактпруицих поверхностей и присутстиио домовых гаи,он в шхштитш промежутке. Граничим-! условия теплообмена в долыюййом уточнялись расчетом НЧ Ь'М-! При РС?Ш>;1Ш11 СН5рЗТНОЙ задача тошшротодиости о ис-цольгдтгйптел т'лп1Г|р'--гп]:;ч);х п'>лиП клачипоп, нолучошшх в

!.:С« »иолззэ ста«воим|й1'>гс> т»11Ж;тч1р«1мш'Л'и состояния

ДЧ'ГСП О .ЧК^'Й с.'«?.1!.;!! ГО 1ГП! "Ч <><">шт1ГШ1М 1'1'1Т-

Т"( п-я ц|!с'ш>»г1и гтетоя Ш<:.'ч» !!>'•-> Н.чи-

["!" 1У.ч;1«ИШ»М (ПТ'-ртча ОЧ|<"Дг'Л>».'Т«,Я 14'!) ЭТОЙ ИДИ «}унн.-ксчи-'пу^щП и 1гк«я,«иа( •»"«••« |<"|*"«,пигс>. При г д-ч-^х; н'*1 1трггч»:> кч!';".и-'л: и-1."_••]!,) оир-'дсля-

•гг-::\ !•'> "у)!'? _ _________________________

- / " - »т.,Я I (п, - п,^' I (о, - и.,»''1 . г,1-': , ¡к, - гг-ч: )■'»•■-ч я-!>р-' •'■•¡ч: !. !;;) г (¡"сть 1Г!-';-м

и:';' п'.кчт.'л 1!,г ч учет'»» («чх, •^чюора тнряюдтй

(-'Н/^.Ч'Гь кшрчячт'ккпл г-, ч иной осме днгали,

■'!-:с> и- ■ дют шгс.тасстп гчшчь г.т«->»|н::3 хлрпктс-р

)!-.>; }•; -к.к ''!' Т>'Л .....П!\|, !-.: ■'■'Я Р"/!!ЧЛ'.\'1 1:Ш|уц и'.Л клтоп,

1! )!:■■ • : 'Л'Л.Ч:' 1' |1.-'|-р.1 '„> иО'ЛОЯЛИН Г!К1-

V) М'-»>!|'ПТ-'>Щ'<!. 1' Ж'Т'[ " 'Г.? ■,'!!'! 1II Х,':рГ(1П>-|) 0|!|>/ЭТЧ«

напряжений позволяет оценить величину размахов напряжений, т.е. амплитуду напряжений в цикле сброс - наороо нагрузки. Поэтому, основываясь па шдаизлсшлисш, анализ паиряжонно-дефорлтроьатюго состояния клапана на стационарных режимах нагружошш проводится по интенсивностям напряжений и окружным пйпря),»!1лям, з анализ не стационарных режимов нагруженпя по величине окружных напряжений.

Для анализа теллонапряженного состояния выпускного клапана 'дивеля СМД-1Ш был выбран режим номинальной мощности с Р = 0,773 Шя и форсированны'! режим с Р =1,2 МПа, соответствующий форсированному по мощности дизелю СМД-23. Температурное поло на форсированном режиме восстанавливается по нагрузочным характеристикам, полученным в ходе эксперимента для серийного клапана, путем экстраполирования в область повышенных Р .

о

Температурное поле серийного (сплошного) клапана на номинальном режиме является типичным по виду изотерм 'для выпускных клапанов быстроходгах дизелей. Уровень температур тарелки клапана достаточно высок (720 750 °С),что свидетельствует о недостаточном теплоотводе через седло серийного клапана.

Термоупругие напряжения, если судить по интенсивности напряжений, далеки от критических на номинальном режиме (о1= 200 МПа при 1;°= 700 °С) и приближаются к ним на форсированном режиме (о - 60 - 81,5 МПа, ов= 100 Ша при 900 °С). Среди компонентов тензора напряжений преобладают окружные и радиальные напряжения.

При сбросах и набросах нагрузки быстроходного дизеля обнаружены заметные забросы и просадки термоупругих напряжете (Гис.1). Например, такие забросы и просадки в зоне кром-

ки серийного клапана превышают уровень напряжений на установившихся режимах в 3 + 5 раз, имеют знакопеременный характер с размахом до 260 Mite.

При перспективном форсировании дизеля 441112/14 до литровой мощности Кл= 16,3 20,5 кВт/л (дизели СВД-22, СМЛ-31 ) температура таролки клапана достигает 900 + 950 °С, а разма-хи термоупругих напряжений 350 ^ 370 МПа.

Впервые обнаружено, что в пустотелых неохлавдаемых клапанах в цикле сброса - наброса нагрузки динамический размах окружных напряжений уменьшается по сравнению с серийным клапаном для точек на кромка в 10 раз, а для других термически нагрукешшх точек тарелки, в бреднем в 3 раза (Рис.2). Наличие замкнутой полости устраняет опасный с толки зрения усталостных разрушений знакопеременный характер окружных напряжений .

О использованием расчетной методики А.Ф. Шоховцова проведена сравнительная оценка относительной долговечности зоны кромки серийного, охлаждаемого и пустотелого клапанов.

Применение пустотелой конструкции, устраняющей, как отмечалось ранее, опасный размах напряжений, на порядок снижает относительную величину накопленных повреждений (0,04ВЭ пришв 0,81126) но сравнению о серийным клапаном. Как <У)ЗД0Г из проведению; расчетов, пустотелый клзнчи наиболее цияэсообразпо применять на флрспровках, ограниченных величиной N » 20 -г 22 кВт/л. ДэлыюЛяео форсирование рабочего процесса приводит к росту,рабочих температур серийного клапана (3'JO -г- 950 °С), а у пустотелого клапана эта температуры в среднем па 40 - 50° гаке. При %акоч уровне температур прнчп-тЯ рлзруаония могут стать но тодиот тормзусталостншэ, но и етг»циг>я?>|я«нв нпгружоиия, т.к. о„ и п^ заметно снижаются о

- 15 -

ростом температуры от 700 °С и нише.•

В четвертой главе выполнено расчет ю-экспериментальноэ исследование теплового и напряженно-деформированного состояния выпускного клапана, охлаждаемого воздухом.

Для проверки адекватности расчетной модели охлаждаемого клапана выполнено его термометрировашга на моторном стенде для стационарных и нестационарных режимов нэгружения при избыточном давлении охлаждающего воздуха на входе в клапан Рв= 0,1 -5-0,3 МПа и изменяющемся в зависимости от нагрузки давлении за клапаном Рт- Давление Рт (абсолютное) для исследуемых нагрузочных режимов дизеля СМД-18Н изменяется в пределах Рт =0,11 + 0,1 в Ша.

Для режимов с Р = 0,1 Ша и п = 1Б00 мин-1 снижение температуры при нагрузке, близкой к номинальной (Р = 0,783 МПа), Рт= 0,16 МПа) по контрольным точкам составило (Рис.3): точка 1 - 157 °0, точка 2 - 114 °С, точка 3 - 180 °С.

Вследствие интенсивного охлаждения центральной части пустотелой тарелки направленным потоков воздуха, температура в центре (точка 1 на Рис.3) становится ниже, чем на периферии ( точка 3), в среднем на 20 +■ 25 °С, что свидетельствует-о большем влиянии на этот участок поверхности теплоотвода с охлаждающим воздухом, по сравнению с топлоотподом через седло. Дальнейшев повышение давления Ра до значений 0,2 ■>■ 0,3 Ша приводит еще к большему снижении температуры в контрольных точках.

■ В работе проведена одета энергетических затрат дизеля на функционирование системы локального воздушного охлаждения. Предполагается, что источником сжатого воздуха является приводной поршневс/1 -компрессор, создающий на входе в систему локального воздушного охлаждения избыточное давление Рв =

0,1 + 0,3 Ш1а. ¡Значения расходов .охлакдакцего воздуха С5й в пересчете на 4-е выпуклых клапана (дизель СМД-1Ш) определявшиеся в эксперименте, изменяются в зависимости от нагрузки и давлотш Р . Так, нанрнмьр, при наиболее оптимальном значении Р = 0,15 МПа на режиме а п = 1600 м;оГ' в зависимости от нагрузки Gfi= 14,4 + 18 г/с. На тех же режимах расход воздуха через дизель составляет' G = 120 Н40 г/с. ^худ-ионио экономичности, вызванное энергетическими затратами на привод компрессора составит Ag = 1,6 -г 2 г/(кВт-ч). В то же время сшшепие температуры клапана в наиболее нагретых участках тарелки по данным термометрии достигает At°= 1Б0^200с'С.

Нестационарное состояние охлаждаемого клапана исследовалось на переходных режимах сброса - набросэ нагрузки (Н = 66,3 кВт, п = 1800 мин n = 800 мшг') при давлении

охлаждающего воздуха Pfi- 0,1 !Л1а. П.ри шбранних режимных,параметрах переходного процесса отсутствуют забросы и просадки напряжение по отношению к статической составляющей. Изменение окружных напряжений в наиболее нагружешшх точках имеет плавный характер.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель нестационарного наиряженно-деформировэнного состояния выпускного клапана быстроходного дизеля для переходных процессов сброса - наброса нагрузки.

2. При сбросе и набросе нагрузки быстроходного дизеля обнаружат существенные забросы и просадки термоупругих нэп-ряжений. Например, такие забросы в зоне кромки серийного клапана превышают уровень напряжений на установившемся режиме в 3 - 5 раз, имеют знакопеременный характер с размахом до 260 МПа.

- Г/ -

3. При перспективном г[срсировашш дизеля 441112/14 до литровой мощности 16,3 20,5 кВт/л (дизели СМД-22, СЧД-31) температура тарелки клапана достигает 900 ■=■ 950 °С, а размахи термоупругих напряжений на крепко клапана - 350 -37У М1Т.У.

4. Впервые обнаружено, что в пустотелых, неохлаждаемых клапанах в цикле сброс - нэброс нагрузки динамический размах окружных напряжений уменьшается по сравнению с серийным (сплоиннм) клапаном для точек на кромке клапана в 10 раз, а для других термически нагруженных точек тарелки в среднем н 3 раза. Наличие полости устраняет опасный с точки зрения усталостных разрушений знакопеременный характер окружных напряжений.

5. Впервые разработана и испытана на быстроходном дизеле семейства СМД система локального воздушного охлаждения клапанного узла, получены следующие результаты:

5.1. Обнаружено, что при избыточном давлении сжатого воздуха н системе Г , измонлмцемоя от 0,1 И1э до 0,3 !Ша, (давление зч клапаном изменяется в продолах Рт= 0,11 - 0,1С Ша) епшмико температуры в наиболее термически нагруженные ■ точка;: тарелки соответственно составляет в сродном 160 + • £50 °С. • .

5.2. Как показали расчетные исследования, прнме7!0!Ш0 душного охлаждения расширяет возможности использования

для изготовления выпускных клапанов сталей из числа низколегированных, работоспосбность которых при длительной эксплуатации ограничена температурой 500 •?• КЗО °С.

5.3. Диализ нестационарного .термоупругого состояния показал, что при пчОрашшх параметрах гажг-'.дангх'го воздуха в толе клапана отсутствуют дииампчо'ч-.ио забросы и проезд:*« на

- 18 -

пряжений. Изменение напряжений носит плавный характер.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Шеховцов А.Ф., Абрамчук Ф.И., Тринев A.B. Программа расчета нестационарного теплового и наиряженно-деформироьан-ного состояния клапанов для САПР ДВС Тез. докл. меадуна-

.родной конф. "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье" Харьков - Мишкольц, 1993.

2. Математическая модель расчета нестационарного теплового и напряженно-деформированного состояния выпускного клапана форсированного двигателя / A.B. Тринев, А.Ф, Шеховцов, (D.M. Абрамчук, A.A. Молдавский // Тез. докл. мевдуна-родной конф.' "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье" Харьков - Мишколъц, 1994.

3. Шэховцов А.Ф., Абрамчук 5>.И., Тринев A.B. Экспериментальное исследование теплового состояния ' охлаждаемого воздухом выпускного клапана быстроходного дизеля. Рукопись

• деп. в ГНТБ Украйны N 1244 - Ук 94 Деп. 1994. 12 с.

4. Шеховцов А.Ф., Абрамчук Ф.И., Тринев A.B. Методика термометрирования клапана дизеля на нестационарных режимах. Рукопись деп. в ГНТБ Украины К 1245 - Ук 94 Деп. 1994. 9с.

5: Анализ теплонапряженного состояния выпускного клапана на переходных режимах / А.Ф. Шеховцов, Ф.И. Абрамчук, A.A. Молдавский, А.В. Тринэв // Рукопись, деп. в ГНТБ Украины Л 1225 - Ук 95 Деп. 1995. 17 с.

6. Шеховцов А.Ф., Абрамчук Ф.И.,-Тринев A.B. Возможности улучшения теплонапряженного состояния охлаждаемого воздухом выпускного клапана. Рукопись'деп. в ГНТБ Украины N 1225 - Ук 95 Деп. 1995. 12 с.

7. A.c. N1305423 СССР. ГоловкР цилиндров. / Тринев A.B.

// опубл. Б.И. 1987 N 15.

8. Л.о. N1348553 СССР. Головка цилиндров для двигателя внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом / Тринов A.B., Разлейцев Н.Ф. // опубл. Б.И. 1987 N 40.

9. Патент Н 2005892 Российская <!едерация. Головка цилиндров теплонапряжеиного дизеля /Шеховцов А.Ф., Тринев A.B., Абрамчук Ф.И..Гонтеровокий П.П. //опубл. Б.И. 1994, Н 1.

10. A.c. N1701948 СССР. Охлаждаемый выпускной клапан тбплонапряжонного дизеля. / Тринев A.B., Абрамчук Ф.И. // опубл. Б.И. 1991 N 48.

11. A.c. N1469191 СССР. Выпускной клапан теплонапрякен-ного дизеля. / Тринев A.B., Филипковский А.И. // опубл. Б.И.

N 1S89 N 12. ' .

12. A.c. N12088326 СССР. Головка цилиндров дизельного двигателя. / Тринев A.B. // опубл. Б.И. 1987 N 5.

Изменение температуры Ти окружных напряжений <йв в хаэактеэных точках своиПюго клапана

Т/С

500 300 {СО

о

<о$ МПа

-30 -60 •90 -120 -15Ц

I 1 -1_|

з/ХУА|

2//

I /

/

4 ' 4

—^___3

1

'/ / ¡то ' /7/ /

ш

т] У

II и и. :Ч I А АТ

ж" ! //

|

\ 1

3

> <

1 2

IV /

>

и )

£

—тг

О / 2

Л %мин. .0 1 2 3 %мин

о- нвбрэс нагрузки /7» 900 56 кВт, //= 1300 мин-1;

б- оброс нагрузки /1£х6б кВт, ^ * 1800 = 900 мин-''

Рио. I

Кзменэнич температуры T"v окружных напряяэниИ <с>& d характерных точках пустотелого клвгсзна

,60

-90

420

Л50

а

ЗТ,нин

3 Ъ.нин

а- наброс нагрузки П » 600 66 кВт, П- 1600 ..

б- сброс нагрузки Л£=* 66 кВт, /7 »1800 мин"1— 800 мин'

Рис. 2

-I.

mhj ;

£7

Температура выпускного клонена в зависимости от нагрузки при П - 1800 мин"^

¿•с 700

600

500

4оо

300

200

/00

А . т.2

1 ! 1 чЛ i \ // А * / \ /

У/\/ у/ /У /

А ' // // у /

у у / // / И )/ /■ /

/ / / / / ' / / / >

/ > /

42 & 4* ■

серийный клапан;

охлаждаемый клапан (/в =0ДМПа,

=0 II «■ 0,15 МПа)

Рис. Э

Trlnew A.W. The lnprovement oi tne stress-dlatortet state of exhaust valves In forced tractor diesels. The dissertation for presenting candidate's degree technical sciences on speciality 05.04.02, heat engines, Kharkov state Academy of Hallway Transport, Kharkon, 1995. The гезиИа of a calculation-experimental Investigation of tne non-stationary stress-distorted state of the exhaust valves are presented.

The calculations were made by a developed set-up for simulation the processes of dumping and taking up load.-In order to Improve the heat-release rate of the exhaust vnlvea of forced Internal combustion engines t.be Ljcal air cooling аз one of the main constructive measures is proposed.

Гринев A.D. Улучшение напрякенно-деформгрстнного состояния выпускных клапанов форсированных тракторных дизелей. .

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05-04.02Тепловые дыгготе-ли, Харьковская государственная акад£...тя железнодорсиюго транспорта, Харьков, 1935.

Представлены результаты расчетно-акспэримзн1ального из- . следования нестационарного напряЕеннз-деТиригравзпного состояния выпускных клапанов, использована математическая мо-дплъ, разработанная для рекимов сброса и нзброса нагружи.

В качестве одного из основных конструктивных мероприятий по улучшению теплонапряженного состояния выпускных клапанов форсированных ДВС предлагается т»х локальное воздушное охлаждение-

Клшов! слова: випускняй • кяетпн, .тт.г.ппч гсчИрляе • охолодтоння, перех1дн1 pernor.