Интенсификация масляного охлаждения поршней быстроходных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Михайлов, Юрий Владимирович

• Михайлов, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михайлов, Юрий Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ---------------------------------------------------------------------------

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИЯ ПОРШНЕЙ И РАСЧЕТ МАСЛЯНОГО

10

ОХЛАЖДЕНИЯ

1.1. Типовые конструкции поршней и способы их охлаждения----------

1.2. Особенности систем масляного охлаждения поршней----------------

1.3. Методы расчета масляного охлаждения поршней---------------------

1.4. Способы повышения эффективности охлаждения---------------------

1.4.1. Повышение эффективности галерейного охлаждения------

1.4.2. Повышение эффективности струйного охлаждения----------

1.5. Обзор методов расчета гидродинамики и теплообмена при взаимодействии струй с преградами--------------------------------------------------

1.6. Выводы по главе---------------------------------------------------------------

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА СТРУЙ-

50

НОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЕЙ

2.1. Система уравнений математической модели----------------------------

2.2. Методы определения границы раздела фаз при моделировании течений со свободной поверхностью---------------------------------------------

2.3. Алгоритмы определения температурного поля поршня--------:-------

2.3.1. Моделирование температурного поля с учетом граничных

63

условий со стороны охлаждающего масла----------------------------

2.3.2. Алгоритм решения сопряженной задачи теплообмена-------

ГЛАВА 3. ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

3.1. Оценка погрешности расчетов при численном моделировании------

3.2. Верификация математической модели взаимодействия струи с

преградой на основе тестовых задач-------------------------------------------

стр.

3.2.1. Взаимодействие струи с преградой перпендикулярной потоку-----------------------------------------------------------------------------

3.2.2. Моделирования торможения потока масла в открытом канале--------------------------------------------------------------------------

3.3. Верификация математической модели струи, набегающей на криволинейную перемещающуюся преграду--------------------------------------

3.3.1. Разработка расчетной модели взаимодействии струи с подвижной криволинейной поверхностью----------------------------

3.3.2. Качественная оценка точности модели-------------------------

3.3.3. Количественная оценка точности модели---------------------

3.3.4. Решение сопряженной задачи теплообмена-------------------

3.3.5. Повышение точности численного моделирования взаимо-

102

действия струи с внутренней поверхностью поршня----------------

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ СТРУЙНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

105

ПОРШНЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ГОНОЧНОГО МОТОЦИКЛА

4.1. Разработка системы струйного охлаждения поршня JAWA БТ -500 при помощи методики численного моделирования--------------------

4.1.1. Исходные данные для разработки расчетной модели и по-

107

становка задачи исследования-------------------------------------------

4.1.2. Определение граничных условий по поверхностям поршня

4.2. Анализ результатов расчетов гидродинамики--------------------------

4.3. Моделирование температурного поля поршня--------------------------

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ------------------------------------------------

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ---------------------------------------------------------

ПРИЛОЖЕНИЕ № 1----------------------------------------------------------------

ПРИЛОЖЕНИЕ №2----------------------------------------------------------------

ПРИЛОЖЕНИЕ №3----------------------------------------------------------------

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация масляного охлаждения поршней быстроходных двигателей»

ВВЕДЕНИЕ

К наиболее важным направлениям совершенствования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в настоящее время можно отнести: снижение вредных выбросов отработавших газов, что обуславливается постоянным ужесточением соответствующих норм, повышение удельной мощности и улучшение топливной экономичности. Применение систем впрыска топлива в цилиндр двигателя под высоким давлением и высокого уровня наддува, являющихся неотъемлемой частью концепции современных дизелей, а также высокофорсированных двигателей с искровым зажиганием, способствует улучшению показателей двигателя по всем перечисленным направлениям. Однако использование этих технологий сопровождается интенсификацией рабочего процесса в цилиндре и приводит к увеличению тепловых и механических нагрузок на детали двигателя.

Наиболее сильно подвержены воздействию тепловых нагрузок детали, образующие камеру сгорания, т.к. они воспринимают теплоту, которая выделяется при сгорании топлива, при этом поршень является одной из самых нагруженных деталей. Повышенный уровень температур поршня приводит к ухудшению к ухудшению качества смазочного масла и прочностных свойств материала поршня, в особенности это касается алюминиевых сплавов. Последствиями длительной работы поршня при термических нагрузках, превышающих расчетные, могут быть необратимые тепловые деформации, образование трещин, коксование масла, чрезмерный износ, зависание компрессионного кольца, микросваривание контактирующих поверхностей, влекущее за собой заедание поршня и выход из строя всего двигателя. Для обеспечения безотказной работы двигателя в течение заданного ресурса необходимо, чтобы максимальные температуры поршней были гарантированно ниже допустимых пределов. Эта задача решается путем воздействия на тепловой режим работы поршня, для чего требуется использование системы принудительного масляного охлаждения.

В настоящее время для охлаждения поршней дизелей с умеренной степенью форсирования, а также для высокофорсированных бензиновых двигателей

применяется струйное охлаждение, при котором струя масла, подаваемая из закрепленной в картере двигателя форсунки, омывает внутреннюю поверхность поршня. Широкое распространение этого способа охлаждения объясняется его эффективностью и конструктивной простотой.

В случае высокофорсированных дизелей применяется галерейное охлаждение, при котором происходит циркуляция и взбалтывание масла во внутренней кольцевой полости поршня. Этот метод является более эффективным, однако конструкция поршня при этом усложняется и увеличивается его стоимость.

Следует отметить, что для бензиновых двигателей альтернативы струйному охлаждению на данный момент нет. Ввиду непрерывной форспровки двигателей, вопрос интенсификации теплообмена в данном случае стоит особенно остро и вынуждает изыскивать резервы повышения эффективности этого способа охлаждения поршня.

Теплообмен между маслом и охлаждаемой поверхностью поршня при струйном охлаждении до сих пор остаётся малоизученным явлением, что вызвано ярко выраженной нестационарностью и локальностью параметров теплообмена, их зависимостью от режимов работы двигателя, конструкции поршня и форсунки. Разработанные методы расчета процесса теплообмена между поршнем и охлаждающим маслом носят, как правило, эмпирический характер, а их применение ограничено условиями, при которых они были получены.

В связи со сложностью гидродинамических явлений, имеющих место при струйном охлаждении поршня, учет наиболее значимых факторов, влияющих на точность описания этих явлений, возможен только при проведении численных, либо натурных экспериментов.

Математическое моделирование теплового и напряженно-деформированного состояния деталей двигателя способствует достижению значительной экономии временных и интеллектуальных ресурсов при проектировании и доводке ДВС [1]. В тоже время, разработка адекватной математической модели невозможна без экспериментальной верификации. При создании

математических моделей возможен учет большого количества факторов, влияющих на теплообмен, однако с усложнением модели ее реализация на ЭВМ становится более трудоёмкой. Несмотря на современные достижения компьютерных технологий в сфере высокопроизводительных вычислений и относительной доступности суперкомпьютеров, для решения конструкторских задач необходимо производить параметрические многовариантные расчеты, что вводит ограничения на сложность и детализацию используемых моделей.

В этой связи целесообразно рассмотреть математические модели для расчета струйного охлаждения поршней различной сложности. Для практических расчетов необходимо выбрать модель, имеющую рациональное сочетание точности и производительности вычислений

Актуальность настоящего исследования связана с необходимостью уточненного определения локальной интенсивности теплоотдачи на внутренней поверхности поршня, а также изучения факторов, позволяющих повысить эффективность охлаждения.

Цель работы: Разработка методики расчёта струйного охлаждения поршней ДВС, позволяющей прогнозировать их температурные поля и определять конструктивные параметры системы охлаждения поршня.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Разработка математической модели для расчета струйного охлаждения поршня и ее верификация с использованием имеющихся экспериментальных данных;

2. Анализ физических явлений при взаимодействии струи масла с внутренней поверхностью поршня, при его возвратно-поступательном движении;

3. Проведение численного исследования струйного охлаждения реальной конструкции поршня быстроходного двигателя.

Научная новизна:

Разработана методика численного моделирования струйного охлаждения поршней в трехмерной нестационарной постановке с возможностью учета со-

пряженного теплообмена между охлаждающим маслом и внутренней поверхностью поршня, позволяющая получить температурные поля поршней в широком диапазоне режимов работы двигателя и учесть влияние различных конструктивных параметров.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется:

• использованием фундаментальных законов гидро- и термодинамики, теории тепломассообмена, современных аналитических и численных методов математического моделирования;

• применением достоверных экспериментальных данных по исследованию гидродинамики и теплообмена при струйном охлаждении поршня. Практическая значимость работы состоит в том, что:

• разработанная методика численного моделирования струйного охлаждения позволяет прогнозировать температурные поля поршней произвольной конструкции;

• проведен анализ факторов, влияющих на интенсивность теплообмена, и дана их количественная оценка;

• проведен расчет и определены рациональные конструктивные параметры системы струйного охлаждения поршня быстроходного двигателя, что позволило существенно улучшить теплонапряженное состояние поршня;

• разработанная методика внедрена в производственную практику ООО "Компоненты двигателя" и используется при доводке мотоциклетных двигателей для участия в ледовом спидвее.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

• Первой и Третьей Всероссийской конференциях молодых ученых и специалистов «БУДУЩЕЕ МАШИНОСТРОЕНИЯ РОССИИ», г. Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, в 2008, 2010 гг.

• Научно-технической конференции 4-е ЛУКАНИНСКИЕ ЧТЕНИЯ, г. Москва, МАДИ, в 2009 г.

• XVII, XVIII Школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», в 2009 г.( г.Жуковский, ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского, МФТИ), в 2011 г. (г. Звенигород, РГАТА).

• 14-ой международной конференции по теплообмену (IHTC14), США, г. Вашингтон, в 2010 г.

• Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ5), г. Москва, МЭИ, в 2010 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в

следующих работах:

1. Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Моделирование гидродинамики струи масла при взаимодействии с охлаждаемой поверхностью поршня // Решение энер-го-экологических проблем в автотранспортном комплексе: Тезисы докладов международной научно-технической конференции 4-ые Луканинские чтения. -М., 2009. - С. 110-112.

2. Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Численное моделирование взаимодействия струи охлаждающего масла с поверхностью поршня // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических установках: Труды XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - М., 2009. - С. 394-398.

3. Mikhaylov Yu.V., Myagkov L.T., Malastowski N.S. Numerical Simulation of impinging Jet Cooling // Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference.- Washington, 2010. - 10 p.

4. Михайлов Ю.В., Мягков Л.Л. Численное моделирование струйного охлаждения поршней ДВС // Сб. науч. тр. Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-5), Т.2.- М„ 2010. - С. 184-188.

5. Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Применение компьютерного моделирования для расчета характеристик теплообмена при струйном охлаждении поршней // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических уста-

новках: Труды XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - М., 2011. - С. 379-380. 6. Чайнов Н.Д., Мягков Л.Л., Михайлов Ю.В. Численное исследование струйного охлаждения поршней ДВС // Двигателестроение. — 2011. — № 2. — С. 12-16.

Объем работы: диссертационная работа содержит 161 страниц основного текста, 83 рисунков, 19 таблиц, состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 109 наименования.

1 ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИЯ ПОРШНЕЙ И РАСЧЕТ МАСЛЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

1.1. Типовые конструкции поршней и способы их охлаждения Увеличение удельной мощности и максимального давления в цилиндре ДВС является устоявшейся тенденцией, приводящей к повышению тепловых и механических нагрузок на детали двигателя (Рис. 1.1 и Рис. 1.2).

т

X Л

н а о

Я &

о

§

т

о

л

н

к

Ч

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Те нде н ц и я р аз в и ти я

Венчиновые с наддувом

Ь ею шю вые без наддува

Легк-'ЧП.и дизели

Гр\ хсвыс дизели

<и Он

ч: д к ч к

я «

си К И си ч т

о

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Начало выпуска Рис. 1.1 .Тенденция совершенствования ДВС [2] 220

Рч оЗ Ю

Й N

ч: ец

0) о к

ьЦ

ч й

к о и

с«

200 180 160 140 120 100 80

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 ^ Литровая мощность, кВт

Рис. 1.2. Зависимость Р2 от литровой мощности для легковых дизелей [2]

Поверхность огневого днища поршня, являясь частью камеры сгорания, в значительной мере воспринимает тепловые нагрузки, что определяет высокий уровень температур поршней (Рис. 1.3).

О

о «

к В

04 О

к

ей

Рч £

а

Он

<D

с

D

н

(D О

я

Л «

СЗ

5

S

о ^

сЗ

450

400

300

250

200

150

I I I Г Струйное охлаждение (без галереи)

-S-г

Кромка камеры сгорания

"Верхняя канавка

Бобышка поршневого _ палыда_|_

С' гапдар п i ос1алерейное :

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Михайлов, Юрий Владимирович

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана методика численного моделирования струйного охлаждения поршней, реализованная на основе программного комплекса АК8У8 СБХ, которая позволяет получать нестационарные локальные граничные условия со стороны охлаждающего масла и прогнозировать температурные поля поршней произвольной конструкции на различных нагрузочных и скоростных режимах двигателя, в том числе и на переходных режимах.

2. Верификация математической модели струйного охлаждения поршня произведена с использованием экспериментальных данных. В результате получено удовлетворительное качественное и количественное совпадение результатов. Погрешность расчетов относительно эксперимента не превысила 19%, что является приемлемым для практических расчетов.

3. Решение задачи теплообмена между поршнем и охлаждающим маслом в сопряженной постановке позволяет повысить точность определения температур в критических зонах поршня. Величина поправки, вносимой при решении сопряженной задачи, зависит от соотношения расхода масла через форсунку и скорости движения поршня и для рассмотренных задач составила от 2 до 8%.

4. Проведен детальный анализ гидродинамики взаимодействия струи масла с внутренней поверхностью поршня и выявлены основные факторы, влияющие на интенсивность теплообмена. Полученные результаты показали, что увеличение расхода масла в 2 раза приводит к увеличению среднего по охлаждаемой поверхности коэффициента теплоотдачи в 2-2,5 раза, а уменьшение диаметра сопла в 2 раза увеличивает коэффициент теплоотдачи на 15-40%. Охлаждение поршня двумя форсунками для рассмотренных задач целесообразно при расходе более 90 л/ч.

5. При помощи предложенной методики проведена интенсификация охлаждения поршня высокофорсированного двигателя JAWA БТ-500, для чего разработана система струйного охлаждения, получена количественная оценка влияния различных параметров на эффективность охлаждения и выбран рациональный вариант сочетания параметров. Результаты проведенного численного эксперимента показывали, что струйное охлаждение позволило снизить максимальную температуру поршня на 73,7°С, а температуру в зоне первой канавки на 50,4°С.

137

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михайлов, Юрий Владимирович, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ндренков И.П. Основы автоматизиповаиного ппоек-типокяниет- Учг^б ггттяг

вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 336 с.

2. Advanced Piston Cooling Efficiency: A Comparison of Different New Gallery

Cooling Concepts / N. Thiel [et al.] // SAE-Paper. - 2007. - № 1441. - 12 p.

3. Innovate Piston System Solutions for Internal Combustion Engines / R. Busch-

beck [et al.] // MTZ extra: 100 Years of Kolbenschmidt Pierburg.- 2010.-P. 67-79.

4. Конструирование двигателей внутреннего сгорания / Н.Д. Чайнов [и др.];

Под ред. Н.Д. Чайнова. - М.: Машиностроение, 2008. - 496 с.

5. Mahle. Engine Components Programm: [Электронный ресурс].

(http://www.mahle.com/C1256F7900537A47/vwContentByKey/W26QPJLS93 3STULEN/$FILE/Motorenteileprogramm en.pdf). Проверено 24.09.2011.

6. Маслов А.П. Повышение эксплуатационный свойств поршней // Двигате-

лестроение. - 2008,- № 22,- С. 24-26.

7. Басюк Т.С., Бузинов В.Г, Поседко В.Н. Технология изготовления кованых

поршней // Автомобилестроение и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовки кадров: сб. докл. Междунар. науч.-тех. конф., посвящ. 145-летию МГТУ МАМИ. - М., 2010,- С. 16-21.

8. Ward W. Reciprocating ideas // Race Engine Technology.- 2010.- №43.- P. 40-

48.

9. Wood D. Melt spinning aluminum for racing pistons // Race Engine Technolo-

gy.- 2007,- №26,- P. 8-10.

10. Heuer J. Developing and Testing of Carbon Pistons // Symposium on New Ma-

terials Derived From Hydrocarbon Fuels: collected articles.- New York, 1991.-№36(3).-P. 1088-1093.

11. S chunk Kohlenstofftechnik. Carbon Pistons for Internal Combustion Engines:

[Электронный ресурс]. (http ://www. schunk-

group.com/sixcms/media.php/1722/CarbonPistons-forInternalCombustionEngines.pdf). Проверено 24.09.2011.

12. Bamsey L Expo: IMIS & PRI // Race Engine Technology.- 2011,- №52,- P. 64-

73.

13. Гинзбург Б.Я. Масляное охлаждение поршней двигателей внутреннего

сгорания,- М.: НИЛД, 1962,- 159 с.

14. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях.- М.: Машиностроение, 1977.-

214 с.

15. Петриченко, P.M. Интенсивность теплоотдачи при масляном охлаждении

поршней ДВС // Двигателестроение. - 1980. - № 12. - С. 16-18.

16. Колмаков В.И. Повышение работоспособности поршней форсированных

автомобильных дизелей путём интенсификации их охлаждения: Автореферат дисс. ...канд. техн. наук.-М., 1985.- 16 с.

17. Кареньков A.B. Влияния интенсивности масляного охлаждения на тепло-

вое состояние поршней ДВС: Дис. ...канд. тех. наук,- М., 2006.- 123 с.

18. Михеев, М.А. Основы теплопередачи.- М.: Госэнергоиздат, 1956.- 392 с.

19. Кондратюк, В.В. Исследование эффективности инерционного масляного

охлаждения составных поршней четырёхтактных форсированных тепловозных дизелей: Автореферат дисс. ...канд. техн. наук. — М., 1980. — 16 с.

20. Bush J.E., London A.L. Design Data for Cocktail Shaker Cooled Pistons and

valves // SAE Techn. Pap. Ser. - 1965. - № 650727,- P. 1-9.

21. French, C.C.J. Piston Cooling // SAE Techn. Pap. Ser. - 1972,- № 720024.-P. 1-

12.

22. Костров A.B., Пахомов Э.А. Охлаждаемые поршни дизелей за рубежом

// Труды НИИИНФОРМТЯЖМАШ. -1971. -№6. - 16 с.

23. Петриченко P.M. Математическое моделирование конвективного теплооб-

мена как элемент автоматизации проектирования ДВС // Двигателестрое-ние. — 1980. — № 9. — с. 14-16.

24. Hay N. Literature Survey Impingement Cooling // Rep. Dept. of Mech. Eng.

Nottingham University. - 1975. - P. 63-94.

25. Bush J.E. Heat Transfer in a Reciprocating Hollow Piston Partially Filled with a

Liquid // Stanford University Report TR-56. - 1963. - №4,- P. 211-223.

26. Manfred D.R. Pistons for high output diesel engines // SAE-Paper. - 1977. -

•N¡2770031. - 13 p.

27. Седов JI.И. Методы подобия и размерности в механике. 8-е изд. - М.: Нау-

ка, 1977.-440 с.

28. Сычев А.Т. Результаты исследования затопленной турбулентной струи,

набегающей перпендикулярно на плоскость гладкого потока // Инженерно-технический журнал. - 1964. - Том 7, №3. - С. 46-63.

29. Лазарев Е.А., Перлов М.Л. Оценка эффективности формы и расположения

поперечного сечения полости охлаждения в поршнях форсированных дизелей // Двигателестроение. - 1980. - № 12. - С. 20-23.

30. Насыров Р.А., Иващенко Н.А., Тимохин А.В. Тепловое и напряжённое со-

стояние поршней дизелей типа Д100 // Двигателестроение. -1990. -№ 12. -С. 16-18.

31. Устинов А.Н. Чугунов А.С. Масляное охлаждение поршня с внутренней

охлаждающей полостью // Энергомашиностроение.- 1973.-№12,- С. 21-22.

32. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях

массовых сил.- М.: Машиностроение. - 1970. - 331 с.

33. KS Kolbenschmidt GmbH. KS Aluminium Pistons for Commercial Truck Ap-

plications: [Электронный ресурс]. (http://www.kspg-

ag.de/pdfdoc/central__brochures/ko_alupiston_truck_e.pdf). Проверено

22.08.2011.

34. Inada Y. A New Design of Nodular Cast Iron Piston For High BMEP Diesel

Engines ././ CIMAC International Council on Combustion Engines.- Hamburg., 2001.-P. 536-547.

35. Лазарев E.A. Повышение эффективности охлаждения днища поршня дизе-

ля преобразованием формы и характера движения струи охлаждающего масла // Вестник ЮУрГУ,- 2008. - №23. - С.60-63.

36. Minami М., Mukohara S. Effect of Oil Jet Cooling on the Piston Temperature of

Diesel Engine 11 Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers.-1960.-№26,- P.l 160-1166.

37. Лазарев E.A., Перлов М.Л. Выбор конструктивных параметров маслопо-

дающего сопла системы охлаждения // Двигателестроение. - 1985. - № 8. -С. 14-17.

38. Martin Н. Heat and mass transfer between impinging gas jets and solid surfaces

// Advances in Heat Transfer. - 1977. - №13, - P. \ _ 60.

39. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физматгиз, 1960. -

715 с.

40. Юдаев Б.Н., Михайлов М.С., Савин В.К. Теплообмен при взаимодействии

струй с преградами. - М.: Машиностроение, 1977 - 168 с.

41. Yonehara N., Ito I. Cooling characteristics of impinging multiple water jets on

horizontal plane // Tech. Rep. Kansai. Univ. - 1982,- №24,- P. 267-281.

42. Zhao H.Y., Ma C.-F. Analytical study of heat transfer with single circular free

jets under arbitrary heat flux conditions // J. Beijing Polytechnic University. -1989. -№13.-P. 7-13.

43. Wang X.S., Dagan Z., Jiji L.M. Heat transfer between a circular free impinging

jet and a solid surface with non-uniform wall temperature or wall heat flux: 1. Solution for the stagnation region // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1989. - №32. -P. 1351-1360.

44. Liu X., Lienhard J.H., Lombara J.S. Convective heat transfer by impingement of

circular liquid jets//J. Heat Transfer. - 1991. -№113.-P. 571-582.

45. Liu X., Gabour L.A., Lienhard J.H. Stagnation-point heat transfer during im-

pingement of laminar liquid iets: Aralvqis inrlnrlino «¡nrfarp tpn^inn //T H^t Transfer. - 1993. - №115. - P. 99-105.

46. Nakoryakov V.E., Pokusaev B.G., Troyan E.N. Impingement of an axisymme-

tric liquid jet on a barrier // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1978. - №21. -P. 1175-1184.

47. Falkner V.M., Scan S.W. Some approximate solutions of the boundary layer eq-

uations//Phil. Mag. - 1931. - №12. - P. 865-896.

48. Mangier W. Zusammenhang zwischen ebenen und rotationsymmetrischen

grenzschichten in kimpressible flussigkeiten // Z. Angew. Math. Mech. - 1948. - №28. -S. 97-103.

49. Теория тепломассообмена / Под редакцией А.И. Леонтьева. - М.: Изд-во

МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. - 693 с.

50. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов. -7-е изд.,

испр. - М.: Дрофа. - 2003. - 840 с.

51. Камзолов Е.П. Исследование пленочного смесеобразования: Дис. ...канд.

техн. наук. - М., 1962. - 169 с.

52. Ferziger J.H., Peric М. Computational methods for fluid dynamics. 3rd, rev. ed.-

Berlin: Springer, 2002. - 423 p.

53. Takizawa A., Koshizuka S., Kondo S. Generalization of physical component

boundary fitted co-ordinate (PCBFC) method for the analysis of free-surface flow//Int. J. Numer. Methods Fluids. - 1992. - №15. - P. 1213-1237.

54. Nichols B.D., Hirt C.W. Calculating three-dimensional free surface flows in the

vicinity of submerged and exposed structures // J. Comput. Phys. - 1973. -№12. - P. 234-246.

55. Osher S., Sethian J.A. Fronts propagating with curvature-dependant speed: algo-

rithms based on Hamilton-Jacobi formulations // J. Comput. Phys. - 1988. -№79.-P. 12-49.

56. Sussman M., Smereka P., Osher S. A level set approach for computing solutions

to incompressible two-phase flow // t rwmnt - iqcm _ \roii/i

P. 146-159.

57. Li Y.S., Zhan J.M. An efficient three-dimensional semi-implicit finite element

scheme for simulation of free surface flows // Int. J. Numer. Methods Fluids. -1-993. -№16. -P. 187-198.

58. Noh W.F., Woodward P. SLIC (Simple Line Interface Calculations) // Lecture

notes in physics. -1976. - №59. - P. 330-340.

59. Youngs D.L. Time-dependant multi-material flow with large fluid distorsion

// Numerical methods for fluid dynamics. - London: Academic Press, 1982. -P. 273-285.

60. Ramshaw J.D., Trapp J.A. A numerical technique for low-speed homogeneous

two-phase flow with sharp interfaces // J. Comput. Phys. - 1976. - №21. -P. 438-453.

61. Hift C.W, Nichols B.D. Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of

Free Boundaries // J. Comput. Phys. - 1981. - №39. - P. 201-225.

62. Van Leer B., Towards the ultimate conservative differencing scheme. IV. A new

approach to numerical convection // J. Comput. Phys. - 1977. - №23. - P. 276299.

63. Leonard B.P. The ULTIMATE conservative difference scheme applied to un-

steady one-dimensional advection // Comp. Meth. in Appl. Mech. and Eng. -1991. -№88. -P. 17-74.

64. Ubbink O. Numerical prediction of two fluid systems with sharp interfaces: Th.

. *.phyl. doct. - London, 1997. - 138 p.

65. Simulation of unsteady free-surface flow around a ship hull using a fully

coupled multi-phase flow method / P J. Zwart [et. al.] // J. Mar. Sci. Technol. -2008.-№13.-P. 346-355.

66. Zwart, P.J. Numerical Modelling of Free Surface and Cavitating Flows

// VKI Lecture. Series: Industrial Two-Phase Flow CFD. - Rhodes-St-Genese: Von Karman Institute for Fluid Mechanics, 2005. - 25 p.

67. Zwart, P.J. Industrial CFD Applications of Free Surface and Cavitating Flows

// VKI Lecture. Series: Industrial Two-Phase Flow CFD. - Rhodes-St-Genese: Von Karman Institute for Fluid Mechanics, 2005. - 15 p.

68. Review of two-phase modelling capabilities of CFD computer codes and feasi-

bility of transient simulations / P. Muehlbauer [et al.] // Evaluation of Computational Fluid Dynamic Methods for Reactor Safety Analysis (ECORA), European Commission, 5th EURATOM framework programme. - Berlin: GRS, 2004. - 62 p.

69. Лыков A.B. Тепломассобмен: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М.:

Энергия, 1978.- 480 с.

70. Волков К.Н. Решение задач сопряженного теплообмена и передача тепло-

вых нагрузок между жидкостью и твердым телом // Вычислительные методы и программирование. - 2007. - Т.8. - 10 с.

71. Волков К.Н. Ускорение решения задач сопряженного теплообмена на не-

структурированных сетках // Вычислительные методы и программирование. - 2009. - Т.10. - 18 с.

72. Bohn D., Kruger U., Kusterer К. Conjugate heat transfer: an advanced computa-

tional method for cooling design of modern gas turbine blades and vanes // Heat Transfer in Gas Turbine. - Southampton: WIT Press, 2001. - P. 58-108.

73. Rigby D.L., Lepicovsky J. Conjugate heat transfer analysis of internally cooled

configurations // ASME Paper. - 2001. - № GT2001-0405. - 15 p.

74. Lewis L.V., Provins J.I. A non-coupled CFD-FE procedure to evaluate windage

and heat transfer in rotor-stator cavities // ASME Paper. - 2004. - № GT2004-53246,- 13 p.

75. The use of CFD to generate heat transfer boundary conditions for a rotor-stator

cavity in compressor drum thermal model // ASME Paper. - 2007. -№ GT2007-28333. - 18 p.

76. Li-H., Kassab A.J. A coupled FVM/BEM approach to conjugate heat transfer in

turbine blades // AIAA Paper. - 1994,- №94. - 20 p.

77. Verdicchio J.A., Chew J.W., Hills N.S. Coupled fluid/solid heat transfer compu-

tation for turbine discs // ASME Paper. - 2001. -№ GT2001-0123. - 12 p.

78. Mirzamoghadam A.V., Xiao Z. Flow and heat transfer in an industrial rotor-

stator rim sealing cavity // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2002. - №124. - P. 125-132.

79. Illingworth J., Hills N., Barnes C. 3D fluid-solid heat transfer coupling of an

aero-engine preswirl system // ASME Paper. - 2005. - № GT2005-68939. -10 p.

80. Efficient FEA/CFD thermal coupling for engineering applications / Z. Sun [et.

al.] // ASME Paper. - 2008. - № GT2008-50638. - 10 p.

81. ANSYS CFX-Solver Theory Guide, Release 12.1. - Canonsburg: ANSYS Inc.,

2009. - 322 p.

82. Menter F. R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering

Applications // AIAA Journal. - 1994. - Vol. 32, No. 8. - P. 1598-1605.

83. Vieser W., Esch T., Menter F. Heat Transfer Predictions using Advanced Two-

Equation Turbulence Models. -Hamburg, 2002. - 70 p.

84. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. - Palm Drive: DCW Industries,

Inc., 1998. - 460 p.

85. Grotjans H., Menter F.R. Wall functions for general application CFD codes

// ECCOMAS 98 Proceedings of the Fourth European Computational Fluid Dynamics Conference. - Athens, 1998. - P. 1112-1117.

86. Kader B.A. Temperature and concentration profiles in fully turbulent boundary

layers // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1981. - №24. - P. 1541-1544.

87. Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. A Continuum Method for Modelling

Surface Tension I I Journal of Cnrn-nntntinnn] Phv^irs - 100? - No inn P. 335-354.

88. Menter F. CFD Best Practice Guidelines for CFD Code Validation for Reactor

Safety Applications // Evaluation of Computational Fluid Dynamic Methods for Reactor Safety Analysis (ECORA), European Commission, 5th EURATOM framework programme. - Berlin: GRS, 2004. - 53 p.

89. Roache P. J. Verification and Validation in Computational Science and

Engineering. - Albuquerque: Hermosa publishers, 1998. - 350 p.

90. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974. - 711 с.

91. Webb B.W., Ma C.-F. Single-Phase Liquid Jet impingement heat transfer

// Advances in Heat Transfer. - 1995. - № 26. - P. 105-217.

92. Metzger D.E., Cummings K.N., Ruby W.A. Effects of Prandtl Number on Heat

Transfer Characteristics of Impinging Liquid Jets // Proceedings of the 5th International Heat Transfer Conference. - Tokyo, 1974. - №2. - P. 20-24.

93. Leland J.E., Pais M.R. Free Jet Impingement Heat Transfer of a High Prandtl

Number Fluid Under Conditions of Highly Varying Properties // ASME Journal of Heat Transfer. -1999. - №121, - P. 592-597.

94. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных. - JL: Су-

достроение, 1980. - 384 с.

95. Fisher R.A. The Design of Experiment. 9-th ed.- London: Macmillan, 1971. -

497 p.

96. Box G. E., Behnken D. W. Some new three level designs for the study of quan-

titative variables // Technometrics. - 1960. - №2.- P. 455-475.

97. Box G. E., Hunter W. G., Hunter S. J. Statistics for experimenters: An introduc-

tion to design, data analysis, and model building. - New York: Wiley, 1978. -275 p.

98. Адлер Ю.П., Маркова E.B., Ерановский Ю.В. Планирование эксперимента

при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976,- 278 с.

99. Налимов В.В., Голикова Т.Н. Логические основания планирования экспе-

римента. 2-е изд.- М.: Металлургия, 1981.- 151 с.

100. Соболь И.М. Точки, равномерно заполняющие многомерный куб // Новое в

жизни, науке, технике. Сер. Математика, кибернетика. - 1985,- №2. -С. 14-24.

101.Taguchi G. System of experimental design. 3-rd ed.- New York: UNIPUB/Kraus International, 1987,- 456 p.

102. Бекман B.B. Гоночные мотоциклы. - M.: Машиностроение. -1983. -272 с.

103. Математическое моделирование полей температур, деформаций и напря-

жений в деталях цилиндропоршневой группы поршневых двигателей / Н.Д. Чайнов [и др.]. -М.: Нзд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. -32 с.

104. Plackett R.L., Burman J.P. The Design of Optimum Multifactorial Experiments

// Biometrica.- 1946,- №33,- P. 305-325.

105. Mason R. L., Gunst R. F., Hess J. L. Statistical design and analysis of experi-

ments with applications to engineering and science. - New York: Wiley, 1989. -302 p.

106. Болыпев Л.Н., Смирнов H.B. Таблицы математической статистики. - М.:

Наука, 1983. - 416 с,

107. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов

/ В.Г. Блохин [и др.]. -М.: Радио и связь, 1997. - 354 с.

108. Боровиков В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере:

Для профессионалов. 2-е изд.- СПб.: Питер, 2003.- 688 с.

109. Basshuysen R. V., Schaefer F. Handbook of Internal Combustion Engines. -

Warrendale: SAE International, 2004. - 869 p.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1. ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОРШНЕЙ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

И ВЫБОРА МАТЕРИАЛА

Определенные возможности для повышения надежности и долговечности поршней можно изыскать путем выбора поршневого материала и технологии изготовления поршня.

Большинство производителей для изготовления автомобильных поршней, как правило, используют заэвтектические сплавы с содержанием кремния 1719%, легированных никелем, магнием, марганцем и титаном. По сравнению с эвтектическими сплавами они обладают более высокой износостойкостью при высоких температурах, меньшим коэффициентом линейного расширения и вполне удовлетворительными литейными качествами, а за счет легирования имеют повышенную твердость после длительных термических нагрузок. Для высокофорсированных дизелей некоторые фирмы изготавливают поршни из сплава с содержанием кремния 20-22%, например К8-282, МаЫе-244, \V-106. Обладая повышенной термостойкостью и меньшим коэффициентом линейного расширения, эти сплавы имеют худшие литейные качества и обрабатываемость, что, несомненно, препятствует их широкому распространению на все типы поршней.

Причиной снижения прочностных свойств поршневого сплава является наличие в структуре материала пор и включений, которые являются концентраторами напряжений и снижают долговечность материала. Это способствует образованию трещин. Под действием высоких температур и больших напряжений происходит интенсивный рост трещин с выходом их на поверхность и последующим разрушением поршня.

Характеристики алюминиевых сплавов за последние 80 лет изменились незначительно, чего нельзя сказать о технологиях производства. К современ-

ным технологическим методам повышения эксплуатационных свойств поршневого сплава можно отнести [5]:

• баротермическую обработку (горячее изостатическое прессование) заготовки поршня;

• горячую штамповку (ковку);

• изготовление заготовки поршней методом жидкой штамповки. Горячее изостатическое прессование заготовок поршней, выполненных

методом литья в кокиль или по выплавляемым моделям, позволяет (на примере сплава АЛ-25) повысить временное сопротивление и предел текучести отливок из алюминиевых сплавов на 2-6 %, при этом пластичность возрастает в 2-3 раза и достигает 2-3 %.

Газостатическая обработка ведется при температурах и давлениях пластического деформирования материала, что обеспечивает увеличение плотности сплава до уровня, сопоставимого с плотностью, получаемой штамповкой. Вследствие пластической деформации материала в микрообъемах отливки происходит полное устранение внутренних раковин и мелкой усадочной пористости. При этом происходит смыкание и диффузионное сваривание стенок внутренних пустот.

Все чаще в серийном производстве используют процесс штамповки для получения заготовок поршней высокофорсированных двигателей (см. рис. П1.1), ранее характерный только для гоночной индустрии [6].

Рис. П1.1. Поршень бензинового двигателя, полученный методом штамповки

[3]

По технологическому процессу изготовления кованых поршней отлитая заготовка нагревается до уровня пластичности (для алюминия примерно 540 °С) и пропускается через горизонтально ковочный пресс. В результате этой операции получаются бруски длиной несколько метров. В дальнейшем бруски обрабатываются на длину, необходимую для получения заготовки, подвергаются повторному нагреву до уровня пластичности и вторично подвергаются воздействию вертикального ковочного пресса, обеспечивающего формирование внутренней поверхности поршня. В результате такой многократной деформации усадочные поры смыкаются, волокна материала приобретают определенную направленность (рис. П1.2).

Рис. П1.2. Течение зерна в штампованном поршне [6]

Штампованные поршни имеют плотную однородную мелкозернистую структуру и в пределах изменений температур от 50°С до 250°С такие сплавы обладают более высокими пределами прочности и величиной относительного удлинения, однако при температурах свыше 300°С их свойства незначительно отличаются от литых.

К преимуществам повышения качества заготовок поршней методом жидкой штамповки можно отнести его относительную дешевизну по сравнению с технологией ковки. Заготовки поршней, изготовленные этим методом, получа-

методом, получают из расплава алюминиевого сплава, который в период кристаллизации подвергают механическому давлению ползуном пресса, что позволяет получить однородную структуру материала и прочностные свойства, аналогичные кованным заготовкам. Перспективным направлением совершенствования технологии изготовления поршней методом жидкой штамповки является возможность использования двух боковых пуансонов для изготовления предварительных пальцевых отверстий в бобышках поршня. Это дополнительно упрочняет структуру материала в зоне поршневого пальца и обеспечивает более строгую ориентацию внутренней полости заготовки поршня относительно оси поршневого пальца. Кроме того, повышается точность изготовления заготовки поршня, что способствует снижению брака [4]

При использовании в качестве материала поршня высоколегированных алюминиевых сплавов возникает проблема изотропности свойств, вследствие неравномерности распределения легирующих элементов в сплаве при его остывании и кристаллизации. Для устранения этой проблемы был разработан специальный процесс получения заготовок [7]. Суть техпроцесса заключается в следующем (рис. П1.3): расплавленный материал через отверстие в дне сосуда попадает на быстровращающийся медный барабан, в результате чего происходит быстрое остывание материала со скоростью 1000000°С/сек и затвердевание. Металл после кристаллизации на барабане приобретает форму тонкой металлической ленты, которая затем нарезается вращающимся лезвием, а последующий процесс прессования позволяет получить пруток нужного диаметра.

Рис. П1.3. Технологический процесс получения прутков из алюминиевого сплава методом быстрой кристаллизации [7]

Данный процесс позволяет получить однородную мелкодисперсную микроструктуру сплава (рис. П1.4), что крайне положительно сказывается на прочА А V ✓ А ЧА У ' X А

ностных свойствах и термостойкости алюминиевых сплавов.

а) б)

Рис. П1.4. Микроструктура алюминиевых сплавов, полученных методами: а) традиционного литья и б) быстрой кристаллизации [7]

Основным способом изготовления масляного канала в головке поршня служит заливка водорастворимого стержня с последующим его растворением щелочными растворами. Полости, изготовленные таким способом, имеют равные стенки, плавные радиусы геометрии канала. В штампованной конструкции полости изготавливаются способом выдавливания ее формы методом горячего прессования, с последующей заваркой бандажа электронной сваркой. Зачастую в тело бандажа предварительно заливается нирезистовая вставка, в которой изготавливается одно или два ручья под верхние компрессионные кольца.

Для удовлетворения одного из основных требований к материалу поршня - низкой плотности, проводились исследования возможности использования композитов на основе углерода, плотность которых на 30% ниже плотности алюминиевых сплавов [8, 9].

Чистый углерод не поддается плавке или спеканию, поэтому, аналогично технологии производства керамических материалов, необходимо использовать связующее вещество, например каменноугольную смолу или нефтяной пек. По-

еле формовки смеси угольный порошок и связующего вещества при температу-пе 1000°С ппоисхолит коксование и сЬопмиоование углеводной матоипы. Лаль-

£-^1 ' ' - 11 1 ^ I'1 1 ' ' ч

нейшая термообработка при температуре 3000°С приводит к графитизации, что положительно сказывается на свойствах конечного материала.

При испытаниях поршня, изготовленного из композиционного материала (Рис. П1.5), были отмечены следующие положительные эффекты: значительное снижение выбросов вредных веществ и расхода масла (-40%), небольшой прирост мощности и снижение расхода топлива (~5%>).

1

Рис. П1.5. Поршень, изготовленный из композиционного материала с углеродной матрицей

Основными препятствиями массовому внедрению таких поршневых материалов являются, во-первых, низкий предел прочности при растяжении, что не позволяет поршням работать на частоте вращения свыше 5000 об/мин [8], во-вторых, снижение производственных затрат.

Получение деталей из порошковых материалов при помощи технологии лазерного спекания (Direct Metal Laser Sintering - DMLS) является одной из радикально новых и перспективных направлений. DMLS использует принципы, схожие с технологиями изготовления прототипов, и, минуя стадии заготовительного производства, операции литья, обработки металлов давлением и т.д., позволяет получать из порошков при помощи компьютерной модели и специ-

альной лазерной установки детали сложной формы, с минимальным объемом последующей механической обработки и операций по доводке поверхностей.

Технологический процесс БМТЗ состоит из следующих основных операций:

• на подвижное дно установки наносится порошок тонким слоем (в зависимости от сложности детали 50=150 мкм);

• лазер в соответствии с компьютерной моделью детали выжигает контур первого слоя, в результате чего порошок твердеет (спекается);

• подвижное дно опускается на величину толщины слоя, поверх первого слоя наносится новый слой порошка, происходит спекание следующего слоя и одновременно соединение с предыдущим слоем, поскольку глубина проникновения лазерного луча в несколько раз больше толщины одного слоя.

Технология БМЬ8 была применена для изготовления стального поршня мотоциклетного двигателя Оисай 1198И. (рис. П1.6). Вес данного поршня составляет 333 г, что на 3 г легче, чем серийный поршень, изготовленный из алюминиевого сплава.

Рис. П1.6. Стальной поршень Бисай 119811, изготовленный методом лазерного

спекания порошков [ 10]

ПРИЛОЖЕНИЕ №2. ОБЗОР МЕТОДОВ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

При проведении как натурных, так и численных экспериментов целесообразно использовать методы планирования эксперимента, позволяющие систематизировать и рационализировать исследования. Первая работа, заложившая основные принципы планирования экспериментов, была опубликована британским ученым P.A. Фишером в 30-х годах XX столетия и впоследствии многократно переиздавалась [46]. Фишер предложил новую методику проведения экспериментов, исключающую избыточные наблюдения и, таким образом, уменьшающую число опытов для того, чтобы, проводя наименьшее число опытов, получить при этом наибольший объем данных об объекте исследования. В дальнейшем это направление было развито в 50-х годах в США Дж.Боксом и его сотрудниками [47, 48]. Отечественные ученые также внесли большой вклад в развитие теории эксперимента [49, 50].

Методы планирования эксперимента (планы) можно условно разделить на четыре группы:

1) Исследовательские планы - используются для получения информации об объекте и пределах изменения уровней факторов;

2) Факторные планы - используются для статистического анализа, при их составлении расчетные точки соответствуют уровням факторов;

3) Ортогональные планы - это планы, уровни установок факторов которых изменяются независимо друг от друга;

4) Специальные планы - приспособлены под конкретные задачи, например планы для исследования поверхности отклика.

Исследовательские планы

Случайная последовательность экспериментальных точек - план, равномерно распределяющий точки в пространстве изменения факторов, который основан на теории генерации случайных чисел.

План Соболя [51] - детерминистический алгоритм, позволяющий определить псевдослучайную выборку точек, целью которого является создание равномерной выборки точек в пространстве факторов и уменьшение эффекта кластеризации произвольной выборки. Этот план подходит для получения начальных условий для последующей оптимизации при помощи многокритериального генетического алгоритма.

Латинский гиперкуб [52] - метод робастного планирования и оптимизации, часто используемый при анализе неопределенностей. При составлении плана каждый фактор имеет заданное число уровней, которые получены при делении некоторого статистического распределения на интервалы с равной вероятностью и последующим выбором случайных значений из этих интервалов. Факторные планы

Полный факторный план реализует все возможные неповторяющиеся комбинации уровней независимых факторов, т.о. этот план позволяет получить информацию о влиянии каждого фактора в отдельности и их взаимного влияния.

Дробный факторный план составляется из реплик полного факторного плана, позволяя при этом установить основные эффекты каждого фактора, не учитывая их взаимное влияние высокого порядка, что позволяет значительно уменьшить количество экспериментов.

Центральный композиционный план позволяет учесть попарное взаимодействие факторов, при этом является менее затратным, чем трехуровневый полный факторный план.

План Бокса-Бенкена [47] аналогичен по замыслу центральному композиционному плану с отличием в задании экспериментальных точек.

Латинский квадрат [48]- план, пригодный для экспериментов с тремя и более факторами, количество экспериментальных точек при этом определяется только количеством уровней факторов.

п с« X а ур?«*а ' ш Х- .. .з--" т : ш . ® 13 И в а ; т в "--.,< и ша Щ т н D О» „ # п % ^ «¡V» О J-Ь ш й а " >е if5™ • е°са Лыа N ЦзГ„а а3 а о J аЛ Ъ S & еггз® а п ч /..ц а еа Чз В #из as па п п ш в 1 ® в I э а :-ч а q о \Х " ' ii -•X j а .-а а-.

а) План Соболя б) Полный факторный план в) Дробный факторный план

ф '"^Ч. т ш а X в в ч. Г" X " " ■ V ч< . й х_ > а 83 © 83 Ь • V т X" 1 '-Ч,-<-_>" ■ 1 в ^-Ч,, ^Л ф Г'> ^Л г f" X 1 £ ГХ S -ч Ш с - г\ Ш -X □ X. □ X г^ ^ 'V Л х 'х х хС ^Ч и а ш Х^ " - х х > X х - -V Хч чХ /Ч. хч А'Х ЧЧ Ч'-. ''yi'4

а) Центральный композиционный план б) План Бокса-Бенкена в) Латинский квадрат

! . а \ ! ; ■ т ш ш ш а -К 13 : О " Ш & » ® ш ч с ' х .. •"" ' " ч, - V • а п а кх а и а ■■ ■ ,Х„ в и X ■"'Ч^ и В о -•" " cF с *' •-< ©Erfiiär § X X r:3..iJ = X' \ -.х-х^^-Г / .V^ ХХХ' ; V i, n- -i г. / В v .X. •N. ■ •

а) План Тагути б) План Плакетта-Бермана в) D-оптимальный план

Рис. П2.1. Графическое представление экспериментальных планов для

трех факторов Ортогональные планы

Метод Тагути [52] применяется при робастном планировании экспериментов, основан на ортогональных массивах. Особенностью этого метода является разделение факторов на контролируемые факторы и факторы шума и

возможностью отыскания наилучшей комбинации факторов, при которой система будет менее чувствительна к неконтролируемым факторам шума.

План Плакетта-Бермана [53] используют при необходимости просеивания большого числа факторов и определения наиболее значимых из них. Специальные планы

Б-оптимальный план составляется из сгенерированного на основе критерия Б-оптимальности [50] массива точек, подразумевающего стремление к нулю определителя матрицы плана, что означает нахождение плана, в котором эффекты факторов максимально независимы друг от друга.

Основным подходом в планировании экспериментов является определение поведения функции отклика у = /(х1,...хр...хА), вид которой изначально неизвестен, в связи с чем для математического описания поверхности отклика используют уравнение:

К п. п.

/=1

¡,и~\

/=1

где хь хи - переменные факторы при /=1,

А =

Удхио

; Рт =

кдх&и У о

; А,

2дх2

к; и~ 1, ..., к; гфи; - коэффициенты.

70

Это уравнение является разложением в ряд Тейлора неизвестной функции отклика в окрестности точки с х^х^.

На практике по результатам эксперимента производится обработка данных по методу наименьших квадратов. Этот метод позволяет найти оценку Ь коэффициентов Д и данный полином заменяется уравнением вида:

У

п. К г\

=ьо++ Е ьшх,хи+Е^л2+

¿=1

1,11=1 1=1

которое является регрессионной моделью. В этом выражении у означает модельное, рассчитываемое по уравнению модели. Коэффициенты регрессии определяются экспериментально и служат для статистической оценки теоретических коэффициентов, т.е. Ъ{] -» Д0, Ъ1 -» Д, Ъш —» Дц, —> Д...

В регрессионной модели члены второй степени х,х„, х,2 характеризуют кривизну поверхности отклика. Чем больше кривизна этой поверхности, тем больше в модели регрессии членов высшей степени. На практике чаще всего стремятся ограничиться линейной моделью.

Таким образом, планирование эксперимента - это процедура выбора условий проведения опытов, их количества, необходимых и достаточных для решения задач с поставленной точностью.

Использование теории планирования эксперимента обеспечивает:

1) минимизацию, т.е. предельное сокращение необходимого числа опытов;

2) одновременное варьирование всех факторов;

3) выбор четкой стратегии, что позволяет принимать обоснованные решения после каждой серии опытов;

4) минимизацию ошибок эксперимента за счет использования специальных проверок.

В планировании экспериментов применяются в основном планы первого и второго порядков. Планы более высоких порядков используются в инженерной практике редко. В связи с этим далее приводится краткое изложение методики составления планов эксперимента для моделей первого и второго порядков.

Под планами первого порядка понимают такие планы, которые позволяют провести эксперимент для отыскания уравнения регрессии, содержащего только первые степени факторов и их произведения:

к к к

у = Ъп + VЪ.х. + ; b хх + V b-x.x.x +...

у 0 / 1 i i / 1 ш i и / i ij u i j и / = 1 ¡,11=1 l\j,ll = ] №и ¡Ф ]фи

Планы второго порядка позволяют провести эксперимент для отыскания

уравнения регрессии, содержащего и вторые степени факторов:

к к к

У = К + / Ъх. + у Ь х2 +} b. х.х +...

у 0 / 1 I I / 1 1 I / ; Ш 1 U

/=1 /=! i,u=1

¡Фи

Нахождение уравнения регрессии методом планирования экспериментов состоит из следующих этапов:

- выбор основных факторов и их уровней;

- планирование и проведение собственно эксперимента;

- определение коэффициентов уравнения регрессии;

- статистический анализ результатов эксперимента.

На первой стадии исследования обычно принимают полином первой степени. Так, для трехфакторной задачи уравнение регрессии имеет вид:

где коэффициенты регрессии Ъ0, Ъ\, ..., Ь3, ..., Ь]23 являются оценками для теоретических коэффициентов регрессии.

Члены, содержащие произведения х/х2; х2х3и т.д., называют членами, отражающими попарное взаимодействие факторов, члены вида Х]Х2Х3— членами тройного взаимодействия.

В качестве факторов можно выбирать только контролируемые и управляемые переменные, т.е. такие, которые исследователь может поддерживать постоянными в течение каждого опыта на заданном уровне. В число факторов должны быть включены параметры процесса, оказывающие наиболее сильное влияние на функцию отклика. Необходимо заметить, что, несмотря на всю заманчивость и очевидные преимущества активного спланированного эксперимента перед пассивным, в его применении имеется целый ряд трудностей, связанных с определенными ограничениями на его реализацию. Важнейшим условием применимости этого подхода является управляемость процессов по каждому из выбранных факторов, т.е. возможность независимого изменения каждого из этих факторов и поддержания его на заданном уровне в период проведения опытов.

Для каждого фактора необходимо указать тот интервал изменения параметров, в пределах которого ставится исследование. Для этого на основе апри-

орной информации устанавливаются ориентировочные значения факторов х10, х2о, ..., хю, ..., хк0. Этой комбинации значений факторов соответствует точка в многомерном факторном пространстве, которая принимается за исходную точку. Координаты этой точки принимаются за основной (нулевой) уровень.

Интервалом варьирования факторов называется некоторое число (каждое для соответствующего фактора), прибавление которого к основному уровню дает верхний, а вычитание - нижний пределы. Для упрощения записи условий эксперимента и обработки экспериментальных данных масштабы по осям выбираются так, чтобы верхний уровень составлял +1, нижний -1, а основной - 0.

В теории планирования экспериментов показано, что минимально необходимое число уровней факторов на единицу больше порядка уравнения.

ПРИЛОЖЕНИЕ №3. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ггампж

^шшшшяжтттттшттшш^Л

titanium-valve.com

I НЮ "ICo.\!ll(>HOIiTM ЛВИ1-ИТС.1*" i'occmi. U143S?. i. Москва

Im opi>.:r.cK!ni np- i. . l !. с i'p ]

! c.i ч[шкс: (--¡95) 648-97-55 h-niail: uiKv«4ii;imsm» va lvc.com

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор

(KM) .чЧг-.и«шс1пы ишгателя»

__ • _ ___( » шев A.B.

" 2 i " ¡жчяоря 2011г.

акт

о внедрении результатов кандидатской диссертационной раооты Михайлова Юрия Владимировича

Комиссия в составе: председатель Сиднев А,В. - генеральный директор ООО «Компоненты двигателя»; члены комиссии: Борбашов 13.М. - исполнительный директор

000 «Компоненты двигателя»: Бахарев В.А. - главный технолог ООО «Компоненты двигателя», составили настоящий акт о том, что результаты дпссер!анионной работы "Интенсификация масляного охлаждения поршней бые гроходных двигателей", представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, исполызоваиы при проектировании и доводке поршней спортивных мотоциклов типа JAWA для участия в соревнованиях но спидвею па льду.

Использование представленной в диссертации методики расчета масляного охлаждения поршней позволило произвести оценку теплового состояния поршня двигателя JAWA DT-500 и, за счет введения струйного охлаждения, снизить максимальную температуру поршня на 73.7°С. что в свою очередь способствовало увеличению ресурса поршня.

1 ipe l< с une и, комиссии

( и шов A.B.

Борбашов В.M Бахарев H.A.

МП

ИЛИ 7733 1 02045. К'11! 1 7733!) 100 I р/с 40702810300080002546 в ОАО «МИНЬ» г. Москва к/с 30101810300000000600 БИК 044525600