Исследование влияния локальных тепловых нагрузок на долговечность поршней судовых дизелей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Гриценко, Андрей Петрович

• Гриценко, Андрей Петрович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гриценко, Андрей Петрович

ВВЩЕНИЕ. е

ГЛАВА I. ОБОСНОВАНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные направления и современное состояние исследований тепловой и механической напряженности деталей ЦПГ судовых дизелей.

1.2. Проблема прочности деталей ВДГ в условиях тепло-смен

1.3. Особенности теплового нагружения поршней дизелей в связи с прорывом газов в кольцевом уплотнении

1.3.1. Теплонапряженность и дефекты поршней дизелей.

1.3.2. Утечки газов в кольцевом уплотнении

1.3.3. Влияние прорыва газов в замках компрессионных колец на тепловое состояние поршня и втулки

1.3.4. Повреждения перемычек между кольцами головок поршней двигателей К827О/120Е.

1.4. Методы исследования сопротивления материалов деталей теплоэнергетических установок циклическому нагружению в условиях повышенных температур.

1.5. Постановка задач исследования

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНОЕ ОПРЭДЕЯЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО И ТЕПЛОВОГО

СОСТОЯНИЯ ПОРШНЕЙ И СПОСОБЫ ОЦЕНКИ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ В УСЛОШЯХ ТЕ1Ш0СМЕН.

2.1. Выбор схем для расчетных исследований напряжений в поршнях.

2.2. Использование расчетной схемы теории оболочек и пластин для определения напряжений в головках поршней двигателей ММ К270Ц

2.3. Использование расчетной схемы поршня со стенкой в виде подкрепленной ребрами оболочки.

2.4. Расчет головки поршня двигателя тшт/тв методом конечных элементов.

2.5. Расчетная схема для приближенной оценки температурного уровня в верхнем поясе поршня.

2.6. Разработка метода сравнительной оценки работоспособности материалов деталей ЦПГ при теплосменах.

2.6.1. Критерии для относительной оценки термической прочности деталей ЦПГ дизелей.

2.6.2. К оценке работоспособности материала деталей

ЦПГ в условиях теплосмен.

2.7. Способ определения сроков службы головок поршней.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОВОГО

И НАПРЯШЗШО-даОРШРОВАНЫОГО СОСТОЯНИЯ ПОРШНЕМ

3.1. Исследование неравномерности полей температур и деформаций в верхнем поясе поршня из-за прорыва газов через замки колец в условиях теплового стенда

3.2. Обеспечение и особенности термо- и тензометрических испытаний поршней на судовых двигателях.

3.3. Подготовка и монтаж измерительных систем.

3.3.1. Препарирование поршней и размещение термопар и TP.Ю

3.3.2. Защита TP и коммуникаций.

3.4. Организация непрерывного токосъема.

3.5. Регистрирущая аппаратура и погрешности измерений

3.6. Определение характеристик материала головок поршней двигателей |(&Z70/120E

ШВА 4. ЭКШЕРИМЕНТАДЪНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕ1Ш0НАПРФХЕНН01Х) СОСТОЯНИЯ ПОРШНЕЙ! СУДОВЫХ даЗЕЯЕу! И ИСПЫТАНИЯ МАТЕШАЛА ГОЛОВОК ПОРШНЕЙ!.,

4.1. Испытания поршня судового дизеля ДР30/

4.2. Экспериментальные исследования на главных судовых двигателях MAN типа №70Ц20/\В и K8Z7O/420E . . П

4.3. Результаты исследований на модели неравномерности распределения температур и напряжений в верхнем поясе поршня.

4.4. Сравнение результатов экспериментов на главном судовом двигателе с данными расчетов по разработанным методикам

4.4.1. Оценка пригодности приближенного метода определения температурного уровня поршня в зоне замка первого уплотнит ел ьного кольца.

4.4.2. Анализ расчетных и экспериментальных данных по определению температурных напряжений в поршне.

4.5. Характеристики материала голоеок поршней ш 70/те .j

ГЛАВА 5. ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТЬ ПОРШНЕЙ И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ

ДОЛГОВЕЩОСТЬ.

5.1. Влияние рабочих режимов двигателей К2270/120Е на тепловое и напряженно-деформированное состояние перемычек головок поршней

5.1.1. Температурные уровни головок поршней •

5.1.2. Изменение температурных деформаций . . . *

5.2. Оценка долговечности головок поршней двигателей Ш70/Ш0Е.

5.3. Исследование влияния конструктивных параметров кольцевого уплотнения на тепловое и напряженнодеформированное состояние головок поршней

5.3.1. Влияние конструктивных параметров кольцевого уплотнения на напряженное состояние поршня

5.3.2. Анализ влияния высоты верхней перемычки головки поршня на ее тепловое и напряженное состояние в связи с прорывом газов

5.4. О причинах повреждения межкольцевых перемычек головок поршней двигателей К82 70 1120 Е.

5.5. Эксплуатационный контроль тепловой напряженности головок поршней двигателей К8270/120Е.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния локальных тепловых нагрузок на долговечность поршней судовых дизелей»

Мэрской флот СССР по уровню и тешам своего развития занимает одно из ведущих мест в мире. Большое значение для успешного выполнения задач по увеличению объема и повышению качества транспортных перевозок, поставленных народнохозяйственным планом на текущее пятилетие и в будущем, имеет дальнейшее совершенствование морского флота.

Преимущественное распространение на транспортных судах в качестве главных двигателей получили дизели, имеющие высокие эксплуатационную надежность и экономичность. В большей степени этими свойствами обладают малооборотные двигатели (МОД). С целью повышения эффективности работы дизели форсируются. В результате значительно возрастают цикловая подача топлива, среднее индикаторное давление, максимальное давление сгорания. Интенсифицируются тепловые потоки через стенки камеры сгорания (КС). Увеличиваются механические и тепловые нагрузки на детали цилиядропоршневой группы (ЦПГ) дизеля. Статистика отказов главных двигателей показывает существенную долго повреждений поршней, крышек и втулок цилиндров, возникающих вследствие их высокой тепломеханической напряженности.

Характерными повреждениями являются трещины стенок КС, их прогарание, прогрессирующие износы трущихся деталей, потеря подвижности и поломка поршневых колец. Наиболее явно действие высоких эксплуатационных нагрузок проявляется в образовании трещин деталей ЦПГ. В общем случае трещины возникают вследствие продолжительного нестационарного нагружения. Совокупность его элементов образует сложную систему термомеханических нагрузок на детали ЦПГ.

Проектно-конструкторские и научно-исследовательские разработки по проблеме тепловой и механической напряженности деталей ЦПГ часто ограничиваются совершенствованием методик определения теплового и напряженно-деформированного состояния или поиском оптимальных по уровню температур и напряжений конструктивных вариантов деталей, либо рассматривают влияние на теплонапряженное состояние деталей некоторых эксплуатационных факторов. Практически важный вопрос о долговечности данной конструкции при тех или иных эксплуатационных нагрузках, как правило, остается открытым, а если и предпринимается попытка его решения, то при этом, обычно, рассматриваются отдельные компоненты нагружения, выбираемые в качестве определяющих. Такой односторонний подход не отражает реальных условий нагружения деталей и поэтому не может дать гарантированный прогноз их долговечности. Работ по оценке ресурса деталей ЦПГ, в которых учитывались бы многокомпонентность и нестационарность нагружения деталей, явно недостаточно, а для мощных судовых дизелей они практически отсутствуют. Нет пока достаточно простых и надежных, базирующихся на современных представлениях о термоциклической прочности деталей, инженерных методов оценки пригодности дизелестроительных материалов для работы в условиях теплосмен.

Настоящая работа представляет собой попытку реализации комплексного экспериментально-расчетного метода решения задачи оценки долговечности деталей ЦПГ ДВС в условиях сложного термоциклического нагружения и путях увеличения сроков службы деталей. Конкретизируется задача применительно к поршням, особенности теплового нагружения боковых стенок которых определяются прорывом газов в кольцевом уплотнении. Практическое решение проведено для головок поршней, широко распространенных на судах морского флота главных двигателей МАМKSZ 70/120Е .

В ходе работы над поставленными вопросами выполнен значительный объем расчетных и экспериментальных исследований. Основные этапы разработок отмечены ниже:

I. Проведены исследования теплового и напряженного состояния

•поршней путем постановки натурных и модельных экспериментов, а также с использованием имеющихся и специально разработанных расчетных схем; рассмотрено влияние на теплонапряженное состояние поршней эксплуатационных и конструкционных факторов; осуществлен анализ полученных результатов.

2. Предложены критерии душ оценки работоспособности материалов теплопередаадих стенок КС в условиях тепло смен.

3. Определены механические свойства материала головок поршней двигателей K827Cj/f£0E при статических и циклических испытаниях в условиях нормальной и повышенных температур.

4. Разработана методика оценки сроков службы головок поршней в условиях двухчастотного теплового нагружения; с использованием методики рассмотрено влияние эксплуатационных факторов на долговечность головок поршней двигателей K8Z7O/120E.

5. Дан анализ причин повреждений головок; рекомендованы меры, позволяющие повысить их ресурс.

6. Показаны пути организации контроля теплонапряженного состояния головок поршней в эксплуатации.

ГЛАВА X. ОБОСНОВАНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

I.I. Основные направления и современное состояние исследований тепловой и механической напряженности деталей Щ1Г судовых дизелей

Задача повышения надежности и увеличения сроков службы деталей ЦПГ судовых дизелей во многом связана с решением проблемы тепловой и механической напряженности. Высокие рабочие нагрузки на детали ЦПГ вызывают интенсификацию процессов теплообмена, приводят к возникновению значительных температур, температурных перепадов и напряжений в поршнях, цилиндровых крышках и втулках. Может изменяться форма указанных деталей, что приводит к появлению дополнительных нагрузок или даже к потере работоспособности. Динамика полей температур и напряжений при эксплуатации дизелей поднимает проблему прочности деталей ЦПГ в условиях теплосмен*. На тепловую и механическую напряженность влияет совокупность конструкционных и эксплуатационных факторов.

Каждый из отмеченных вопросов затрагивает отдельную сторону рассматриваемой проблемы и представляет собой самостоятельную научно-инженерную задачу.

Одним из важнейших факторов, определяющих работоспособность той или иной детали ЦПГ, является ее тепловое состояние. Сведения о температурных полях деталей ЦПГ, об их динамике в эксплуатационных условиях могут быть получены экспериментально, либо расчетным путем.

Техника термометрирования деталей ЦПГ в настоящее время отработана достаточно хорошо. Измерение температур в теплопередакъ щих стенках, как правило, осуществляется с помощью термопар и особых затруднений не вызывает. Исключение составляет проведение термоизмерений на поршнях. Надежность работы всей термометрической системы связана главным образом с организацией токосъема. Особые трудности здесь возникают при экспериментах на крейцкопфных двигателях. В этих случаях могут использоваться либо контактные токосъемники, не отличающиеся высокой надежностью и требующие значительных усложнений термометрической аппаратуры /45^59/t либо разрабатываются специальные конструктивные решения для прохода коммуникаций через диафрагму (см. п.3.4).

Продолжают развиваться способы бесконтактной связи термоприемников с регистрирующей аппаратурой: с помощью индуктивных, емкостных, радиоканалов связи /89 /, с оптическим каналом связи /44/,

Анализ расчетных методов определения температур в деталях ЦПГ J2.55^t€1j показывает, что задача о температурном поле даже в случае стационарного теплообмена чрезвычайно сложна. Поэтому при использовании расчетных схем прибегают к упрощениям. Основными допущениями являются идеализация геометрической формы деталей и представление сложного теплообмена квазистационарным процессом.

Успешное аналитическое решение задачи о температурных полях в деталях ЦПГ на установишихся и переходных режимах работы дизеля получено с использованием упрощенных расчетных схем в работах /ЩМ1

Современное развитие вычислительной техники, широкое приме -нение ЭВМ при решении инженерных задач предопределило использование и совершенствование численных методов (в основном МКЭ) определения температурных полей в деталях ЦПГ М5,88,90/.

Продолжают развиваться методы определения температурных полей с помощью моделей /45,57/\

Для оценки напряженного состояния деталей ЦПГ наряду с непосредственным измерением деформаций целесообразно иметь расчетные схемы, позволяющие проследить влияние конструкционных и эксплуатационных параметров на уровни напряжений, выбрать оптимальные по несущей способности деталей режимы работы двигателя.

При расчетном исследовании напряженно-деформированного состоянии деталей ЦПГ успешно используются численные и аналитические методы. Сложность конструктивных форм деталей и характера температурных полей, как правило, - асимметричных, затрудняют расчеты. Поэтому при разработке расчетных схем вводятся упрощения.

Наиболее простыми выглядят аналитические расчетные схемы, в которых элементы деталей ЦПГ идеализируются в виде заделанной по краю пластинки постоянной толщины. Пластина нагружена давлением газов, равным максимальному давлению сгорания, и постоянным по радиусу температурным перепадом между огневой и охлаждаемой поверхностями. Так представляются, например, огневые днища поршня и крышки цилиндра / /О /. Подобные расчетные схемы могут быть использованы лишь для грубо приближенных оценок величины напряжений.

Рациональные расчетные схемы для определения уровня напря -жений в деталях получают путем условного расчленения их на смежные элементы в виде оболочек вращения, круглых пластин и колец, находящиеся под воздействием температурного поля, давления газов и краевых .нагрузок /25,45/.

Подход, связанный с расчленением деталей на элементы, реализуется и в расчетных схемах, разработанных в МВТУ им.Баумана / 87 /. Огневые днища крышек цилиндров представляются в виде стержневых систем с переменной жесткостью по длине составляющих стержней.

Из численных методов расчетного исследования напряженного состояния деталей ЦПГ все более широкое применение получает МКЭ /90/18/. Универсальность МКЭ в принципе позволяет составлять программы расчета пространственных тел произвольной формы. Имеются сведения об успешной реализации таких программ /ЗЪ,97/„ Однако решение трехмерной задачи предъявляет весьма высокие требования к быстродействию и памяти ЭВМ и даже при современном уровне развития вычислительной техники расчет может занимать чрезмерное коли-' чество машинного времени. Значительно менее трудоемки при решении МКЭ плоские и осесимметричные задачи. Такие программы расчета находят пока наибольшее распространение /56Щ43/.

Исследование МКЭ напряженного состояния деталей ВДГ представляет довольно сложную задачу. Общедоступность использования МКЭ в широкой инженерной практике сдерживается пока сложностью подготовительных операций, необходимостью иметь специальную квалификацию при разработке расчетных программ, относительно большими затратами машинного времени.

Сравнивая средства и возможности различных методов расчета деталей ЩГ, можно сделать следующие основные замечания. При использовании МКЭ реализуется чисто формальный подход к составлению расчетной схемы. Более наглядное представление о напряженно-деформированном состоянии деталей ЦПГ и его изменении в зависимости от конструктивных и эксплуатационных факторов дает применение метода пластин и оболочек. В то же время этот подход выгодно отличается от других аналитических схем, оптимально сочетая достаточную для практических целей точность расчета по сравнительно нетрудным и гибким программам с возможностью довольно простого анализа влияния конструктивных изменений и условий эксплуатации. Даже многовариантные расчеты требуют относительно малых затрат машинного времени, нет необходимости в мощных ЭВМ. Задачи общедоступны, поддаются ручному счету.

Большие возможности при расчетах прочности деталей ЦПГ открывает комбинированное использование методов, при котором поиск оптимального конструктивного варианта ведется с помощью метода пластин и оболочек, а уточнение картины напряженно-деформированного состояния производится МКЭ. Удачная реализация такого подхода при расчетном исследовании прочности крошек цилиндров МОД осуществлена в работе / 56 /.

Важное значение для решения проблемы тепловой и механической напряженности судовых ,дизелей имеют экспериментальные исследования напряженного состояния деталей ЦПГ. Измерение деформаций детали в рабочих условиях дает представление о совершенстве и достоверности принятых расчетных схем. Тензометрирование позволяет непосредственно оценить напряженное состояние деталей ЦПГ, проследить за его изменением на том или ином конструктивном варианте в зависимости от условий эксплуатации.

Известны многие методы экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния деталей машин 164,73,96/. К ним относятся методы хрупких и гальванических покрытий, муаровых полос, методы оптические (фотоупругости), рентгеновские, магнитоупругие и др. Перспективным методом для оценки несущей способности деталей машин в зависимости от условий нагружения является метод акустической эмиссии (АЭ) /19,96/. Он позволяет обнаруживать пластическое деформирование материала деталей, определять зарождение и развитие повреждений. Известны случаи успешного применения метода АЭ для оценки прочности ГТН главного судового двигателя /38 /, корпуса реактивного двигателя /109 /, Имеются сведения о контроле напряженного состояния материалов с помощью ультразвукового метода / 9 /. В работе / ЮЗ / описывается метод исследования деформированного состояния поршня с помощью голографии.

В настоящее время при проведении экспериментальных работ по исследованию полей деформаций в деталях ЦПГ судовых дизелей в эксплуатационных условиях практическое применение имеет лишь один метод - тензометрирование с помощью электрических датчиков деформации - тензорезисторов (TP). Это объясняется специфическими условиями работы тензодатчйков на огневых и охлаждаемых поверхнос

Тях стенок камеры сгорания (КС). Агрессивная среда, вибрации, шу-> 1 мы и требование минимизации"габаритов датчиков делают невозможным практическое применение других средств тензометрии при натурных экспериментах.

Определение деформаций нагретых деталей ЦПГ связано с одновременными замерами температур. Даже в случае использования само-термокомпенсированных TP параллельно ведется запись термограмм деталей. Поэтому тензометрические работы на двигателях являются всегда комплексными исследованиями теплового и напряженного состояния деталей ЦПГ. Некоторые трудности, общие при проведении термо-и тензоизмерений в деталях ЦПГ, уже упоминались. Проведение тен-зометрических испытаний намного сложнее термометрирования, особенно для массивных деталей МОД. Наиболее трудоемкой является стадия препарирования детали. Много времени занимает термообработка изолирующих покрытий и термотренировка ТР. Несмотря на принимаемые защитные меры, продолжительность работы TP на огневой поверхности теплопередащей стенки КС составляет от нескольких часов до нескольких суток / 56 /. Время службы TP на охлаждаемых водой поверхностях деталей ЦПГ тоже ограничено / 78 /. Пока неизвестны достаточно надежные способы защиты TP от воздействия гидродинамических потоков охлаждающей среды при довольно высоких температуре и скорости. Нередко программа испытаний требует неоднократной сборки-разборки деталей ЦПГ и движения, являющейся трудоемкой операцией и одновременно, в известной мере, мешающей нормальной приработке деталей.

В связи с отмеченными трудностями естественным представляется стремление по возможности большую часть экспериментальных исследований провести на безмоторных стендах и моделях. На стендах имитируются условия воздействия на детали ЦПГ давления газов посредством механического или гидравлического нагружения (так яазываемые "холодные" стенды) / 57 /, либо производится тепловое на-гружение детали (такие стенды называются "горячими"). Тепловые нагрузки создаются различными способами: с помощью теплоносителей, таких как горячая вода / 50 /, расплавленный металл / //7 /, горячие продукты сгорания / 57 /, а также при использовании электроподогревателей / 47 /, индукционного нагрева / 45 / и электрической дуги / 75 /.

Большую помощь эксперименты на "горячих" стендах могут ока -зать при исследованиях термоциклической прочности деталей ЦПГ /47,75/. Имитация воздействия теплосмен на деталь в условиях стенда открывает возможности существенно сократить продолжительность испытаний, не подвергать разрушающему воздействию тепловых нагрузок остальные детали КС, смежные с исследуемой, заменяя их более простыми и менее дорогостоящими функционально равноценными элементами.

Модели представляют собой упрощенные варианты натурных деталей при сохранении основных конструктивных особенностей, позволяющие получить подобные прототипам поля температур и (или) деформаций и установить тенденции их изменений при переходе от одного конструктивного варианта к другому, а также при действии различных эксплуатационных нагрузок. Мэдели пригодны скорее для сравнительного анализа влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на тепловое и деформированное состояние деталей.

Примером успешного использования физического моделирования при экспериментальных исследованиях теплонапряженности дизелей являются работы на моделях крышек цилиндров /87 /.

Наиболее полную информацию об особенностях теплового и напряженного состояния деталей ЦПГ на различных рабочих режимах можно получить только путем постановки экспериментов на двигателях, находящихся в эксплуатации. В то же время ощущается явный недостаток сведений о результатах комплексных экспериментальных • исследований тепловой и механической напряженности, особенно для крупногабаритных судовых МОД /55^56/, Это относится не только к двигателям, получившим распространение на судах Морского флота сравнительно недавно (например, МОД фирмы SuUe г типа RNDf фирмы ма№ типа КSZ), но и" к более ранним моделям, находящимся в эксплуатации длительное время. Довольно часто появляются сообщения о повреждениях, возникающих в деталях ЦПГ и постепенно развивающихся до опасного состояния в связи с накоплением теплосмен, т.е. циклическим действием тепловых нагрузок /Н59{"57/, Такие аварии деталей ЦПГ, появляющиеся нередко только через несколько лет эксплуатации, касаются аспекта длительной термопрочности деталей.

Детали двигателя, образующие КС, работают в условиях многофакторного термомеханического нагружения. Повреждения их - часто результат сложного взаимодействия процессов обычной (многоцикловой) и малоцикловой усталости материалов деталей при повышенных температурах. Оценка прочности в этих условиях - задача очень сложная, хотя имеются сведения о таких попытках /809397/,

Краткий обзор разработок по исследованиям в области тепловой и механической напряженности дизелей, приведенный выше, позволяет судить о сложности и многогранности этой проблемы. Каждый аспект рассматриваемой проблемы представляет собой важную и одновременно трудную задачу. Дальнейшие работы в этом направлении являются актуальными и совершенно необходимыми для развития дизелестроения и совершенствования технической эксплуатации двигателей.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Гриценко, Андрей Петрович

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили сделать следующие основные выводы:

1. При решении прикладных задач проблемы тепловой напряженности ДВС эффективен комплексный расчетно-экспериментальный метод, базирующийся на комбинированном использовании расчетных способов (аналитических и численных) и экспериментальных исследований на двигателе, безмоторном стенде и модели.

2. Применение разработанной методики расчета напряжений в боковой стенке поршня в поясе компрессионных колец повысило точность расчетов по сравнению с используемыми ранее аналитическими способами.

3. Получено выражение, позволяющее оценить в зависимости от конструктивных и эксплуатационных факторов температурный уровень поршня в зоне прорыва газов через замок верхнего кольца. Эффективность использования выражения показана при анализе влияния размеров межкольцевой перемычки на локальную температуру поршня.

4. Предложены критерии сравнительной работоспособности материалов деталей ЦПГ при теплосменах с учетом механических и релаксационных свойств материалов, конструкционных факторов и условий нагружения. Использование критериев позволяет на ранних стадиях проектно-конструкторских разработок осуществлять выбор материала деталей ЦПГ с позиций современных представлений о термоциклической прочности деталей.

5. В расчетной методике оценки сроков службы поршней, отражающей влияние на долговечность поршней режимов работы двигателя, их продолжительности, числа теплосмен и технического состояния кольцевого уплотнения, произведен учет двухкомпонентности теплового нагружения поршней вследствие прорыва газов в замках колец.

Методика может быть использована для оценки ресурса других деталей ЦПГ, работающих в условиях двухчастотного нагружения.

6. Апробированы в течение длительных тензометрических испытаний на двигателях и могут быть рекомендованы при постановке натурных экспериментов способ тепломеханической защиты TP, организация вывода коммуникаций измерительной системы с боковой стенки поршня вне полости охлаждения и способ непрерывного токосъема с поршня крейцкопфного двигателя.

7. С помощью экспериментов на натурных поршнях и модели практически впервые определены основные закономерности теплового нагружения поршней в связи с прорывом газов в кольцевом уплотнении и установлено, что прорыв газов в районе замков колец оказывает решающее воздействие на прочность межкольцевых перемычек поршня.

8. Экспериментально исследовано влияние конструктивных параметров и технического состояния кольцевого уплотнения на уровень местного теплового нагружения поршня. Применение кольца с косым замком вместо прямого позволяет снизить локальные температуру и напряжения на 15-20 %. Эксплуатация колец с предельными зазорами в замках ведет к повышению местной температуры поршня более, чем на 40 %. Показано значение профилактики залегания колец: при активном перемещении кольца снижение температуры поршня в зоне замка составляет до 50 %.

9. По результатам комплексных исследований выработаны практические рекомендации, направленные на повышение ресурса головок поршней двигателей j(S2 70/i20£ . Анализ влияния на уровни температур и напряжений в верхних межкольцевых перемычках их высоты, размеров канавок колец показал целесообразность уменьшения высоты перемычек при восстановлении головок с 20 до 15 мм, что позволяет снизить местные температуры и температурные напряжения почти на 20 %щ При ограничении предельного зазора в замках величиной 12 мм вместо 18 мм ожидается увеличение сроков службы головок поршней более, чем в 2 раза. Установлена возможность эксплуатационного контроля термонапряженности головок по основным рабочим параметрам двигателя.

10. Предлагаемые расчетные схемы и методы предназначены для практического использования инженерами-судомеханиками, в проект-но-конструкторских отделах, в учебном процессе.

Аналитическая схема для расчета напряжений в стенке поршня в районе колец, зависимость для оценки локальной температуры поршня в зоне прорыва газов и критерии относительной работоспособности деталей ЦПГ при тепло сменах внедрены в учебный процесс и используются при выполнении дипломных проектов.

11. Рекомендации по увеличению долговечности головок поршней двигателей К87 70/120Е внедрены в практику эксплуатации на т/х типа "Иркутск" ("Владимир Ильич") и "Варнемюнде". Ожидаемый годовой экономический эффект только по судам БМП составляет

58,8 тыс.руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гриценко, Андрей Петрович, 1984 год

1. Авиев А.В. О тепловом состоянии поршня четырехтактного дизеля при различном расположении пояса компрессионных колец по его высоте. В сб.: Труды МВТУ, вып.257/1, 1977, с.28-34.

2. Аншценко Г.Т. и др. Термометрическое диагностирование технического состояния ЦПГ дизеля. Двигателестроение, 1979, № 2,с.31-32.

3. Баландин Ю.Ф. Термическая усталость в судовом энергомашиностроении. -Л.: Судостроение, 1967, 272 с.

4. Баландин Ю.Ф. и др. Оценка термоциклической прочности конструкционных материалов и конструктивных элементов атомных электростанций с натриевым теплоносителем. Проблемы прочности, 1977, J& 3, с.13-20.

5. Баргялис А.С., Медекша Г.Г. В кн.: Материалы Всесоюзного симпозиума по малоцикловой усталости при повышенных температурах, вып.2, Челябинск: изд.ЧПИ, 1974.

6. Безухов Н.И. и др. Расчеты на прочность, устойчивость и колебания в условиях высоких температур. Под ред. И.И.Гольденблата. М.: Машиностроение, 1965, 567 с.

7. Биргер И.А. и др. Долговечность теплонапряженных элементов машин. Проблемы прочности, 1975, № 12, с.9-16.

8. Борздыка A.M., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1978. 256 с.

9. Ботаки А.А. и др. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1983. 80 с.

10. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1977. 392 с.

11. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматгиз, 1963. 708 с.

12. Вебер В.И. Исследование процесса уплотнения газов кольцевым лабиринтом поршня дизеля. Еанд.дисс., Челябинск, 1978. 234 с.

13. Возницкий И.В. и др. Рабочие процессы судовых дизелей. М.: Транспорт, 1979. 208 с.

14. Возницкий И.В. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М.: Транспорт, 1979. 415 с.

15. Волочков В.А. Исследование теплообмена между газом и поверхностями камеры сжатия судовых дизелей на эксплуатационных режимах работы. Канд.дисс., ЛВИМУ, 1974. 169 с.

16. Гаврилов B.C., Камкин С.В., Шмелев В.П. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок. М.: Транспорт, 1975. 296 с.

17. Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. М.: Машиностроение, 1979. '271 с.

18. Гинцбург Б.Я. Тепловая напряженность поршней двигателей внутреннего сгорания. В сб.: Труды НИЛД, 1958, № 6.

19. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М.: Изд.стандартов, 1976. 272 с.

20. Гусенков А.П. и др. Сопротивление деформированию и разрушению циклически разупрочняющегося материала при изотермическом и неизотермическом нагружении. Машиностроение, 1982, № 2,с.58-61.

21. Давыдов Г.А. и др. К оценке сопротивления разрушению деталей ЦПГ судовых дизелей в эксплуатационных условиях. Дви-гателестроение, 1979, № 9, с.51-53.

22. Давыдов Г.А. Конструктивные и эксплуатационные факторы в тепловой и механической прочности деталей ЦПГ судовых дизелей. Докт.дисс., ЛВИМУ, 1977, 326 с.

23. Давыдов Г.А., Овсянников М.К. Температурные напряжения в деталях судовых дизелей. Л.: Судостроение, 1969. 248 с.

24. Двигатели МШ K8270/JJ20E . Повышение долговечности работы деталей цилиндропоршневой группы. Технические рекомендации. БЦПКБ, 1982, 41 с.

25. Дизели MAU KS? 70/120Е . Повышение долговечности работы деталей цилиндропоршневой группы. Технические рекомендации. БЦПКБ, 1982.41 с.

26. Дульнев Р.А. и др. Накопление повреждений и критерии .термоциклической прочности материалов лопаток авиационных ГТД. Б кн.: Материалы Всесоюзного симпозиума по малоцикловой усталостипри повышенных температурах, вып.2, Челябинск: изд.ЧПИ, 1974, с.17-18.

27. Дульнев Р.А., Котов П.И. Термическая усталость металлов. М.: Машиностроение, 1980. 200 с.

28. Дунин-Барковский И.В., Смирнов Н.В. Теория вероятности и математическая статистика в технике. М.: Наука, 1965, с.305-401.

29. Дьяченко Н.Х. и др. Исследование трехмерного теплового и напряженно-деформированного состояния цельного поршня дизелятипа 4H2I/2I с использованием МКЭ. Энергомашиностроение, 1976, № 9, с.24-26.

30. Дьяченко Н.Х. Теплообмен в двигателях и теплонапряженность их деталей. Л.: Машиностроение, 1969. 248 с.

31. Зацаринный В.В. В кн.: Материалы Всесоюзного симпозиума по малоцикловой усталости при повышенных температурах, вып.2, Челябинск: изд. ЧПИ, 1974.

32. Иванов В.Д., Швед Ю.А. Эксплуатация судовых дизелей Зульцер. М.: Транспорт, 1975. 96 с.

33. Иванов Л.А. Теплонапряженность и эксплуатационная надежность цилиндропоршневой группы судового дизеля. Мурманск: Цурм.книж. изд., 1974. 208 с.

34. Игнатов В.И. Оценка технического состояния лопаток турбомашини подшипников качения механизмов судовых энергетических установок. Автореф. канд. дисс. Л., 1981. 22 с.

35. Информация об отказах, дефектах и недостатках отдельных узлов и деталей двигателей К8270/120Е . ЛЦПКБ, 1980. 31 с.

36. Камкин С.В. и др. Опытный дизель ЗДНЗО/50 для исследования рабочих процессов. В сб.: Судовые энергетические установки. М.: ММФ ЦША, вып. 18, 1978, с.5-14.

37. Карпов Л.Н. и др. Двигатели с турбонаддувом (Эксплуатация). М.: Транспорт, 1971. 280 с.

38. Карпов Л.Н. Надежность и качество судовых дизелей. Л.: Судостроение, 1975. 232 с.

39. Квитка А.Л. и др. Применение МКЭ для исследования термонапряженного состояния поршней ДВС. Проблемы прочности, 1976,8, с.21-25.

40. Ключников Г.М. и др. Телеметрическая система с оптическим каналом связи для измерения параметров подвижных деталей. Двига-телестроение, 1983, К? II, с. 17-19.

41. Костин А. К. и др. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания. Справочное пособие. JI.: Машиностроение, IS79. 222 с.

42. Котов П.И. и др. Метод оценки сопротивления термической усталости жаропрочных сплавов. Заводская лаборатория, 1978, № 7, с.862-867.

43. Крюков В.В. и др. Безмоторный стенд для исследования теплового и напряженного состояния деталей ЦПГ. НИИИНФОРМТЯЖМАШ (ДВС), 1973, }% II, с.7-9.

44. Кузнецов В.Н. О термической усталости металлов. Теплоэнергетика, 1957, № 12, с.32-35.

45. Либерман Л.Е., Баева А.В. Жаропрочность и релаксационная стойкость конструкционных сталей. В сб.: Металловедение и термическая обработка металлов, 1956, J6 4, с.2-10.

46. Лодягин В.Э. Анализ разрушений и экспериментальное исследование напряжений и деформаций в поршне двигателя 11Д45. В сб.: Турбопоршневые двигатели. М.: Машиностроение, 1965.

47. Лютов И.Л. Расчет расхода газа через поршневые кольца ДВС. -В кн.: Труды ЦНИИШ. Л.: Транспорт, 1970, вып.125, с.П-27.

48. Лютов И.Л. Причины интенсивных износов цилиндровых втулок судовых МОД с поддувом. В кн.: Информационный сборник ЦНИИШ, Л.: Транспорт", 1968, JS 65 (205), с.64-80.

49. Малинкович А.Н. Исследование сплавов для поршней двигателей внутреннего сгорания. В сб.: Металловедение легких сплавов. М.: Наука, 1965, с.109-115.

50. Металловедение и термическая обработка металлов. 1957, J® I, с.53-55.

51. Методика выбора эксплуатационных режимов.работы главных судовых дизедей с учетом характеристик гребного винта и условий плавания. Техн.отчет № 1149 ЛЕШУ, № госрегистрации 01820069865, 1983. 116 с.

52. Михайлов В.Е. Исследование напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров главных судовых малооборотных дизелей. Канд. дисс., ЛВИМУ, 1977, 219 с.

53. Насыров Р.А. Повышение надежности работы поршней тепловозных дизелей. М.: Транспорт, 1977. 216 с.

54. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. Справочное пособие. Под ред. С.В.Серенсена. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.

55. Овсянников М.К., Давыдов Г.А. Тепловая напряженность судовых дизелей. Л.: Судостроение, 1975. 260 с.

56. Овсянников М.К., Петухов В.А. Эксплуатационные качества судовых дизелей. Л.: Судостроение, 1982. 208 с.

57. Овсянников М.К. Тепловая напряженность деталей цилиндропоршневой группы малооборотных судовых дизелей на эксплуатационных режимах работы. Док. дисс., ЛВИМУ, 1973. 301 с.

58. Обобщение опыта эксплуатации судового оборудования. Двигатели типа Х&П0/120Е . Обобщенная информация о надежности. ЛЦШСБ, 1979. 16 с.

59. Петриченко М.Р., Петриченко P.M. Конвективный теплообмен в поршневых машинах. Л.: Машиностроение, 1979. 232 с.

60. Пригоровский Н.И. Экспериментальные методы исследования напряжений. М.: Машиностроение, 1970. 104 с.

61. Прочность при малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1975.

62. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций.М.: Наука, 1966. 752 с.

63. Румши. ский Л.З. Математическая обработка результатов экспери- , мента. Справочное руководство. М.: Наука, 1971. 192 с.

64. Семенов B.C., Трофимов П.С. Долговечность цилиндро-поршневой группы судовых дизелей. М.: Транспорт, 1969. 216.

65. Соловьев Б.И. и др. Эксплуатация дизелей МАН. М.: Транспорт, 1979. 152 с.

66. Справочник судового механика. Под ред. Л.Л.Грицая, т.2. М.: Транспорт, IS74, с.697-1376.

67. Станюкович А.В., Лопухина Н.С. Малоцикловая усталость котельных сталей 22К и 16ГНМ. В сб.: Труды ЦКТИ, вып.105, 1971, с.73-82.

68. Стефановский Б.С. Теплонапряженность деталей быстроходныхпоршневых двигателей. М.: Машиностроение, 1978. 128 с.

69. Стрельников В.А. Установка для испытания термостойкости головок блоков цилиндров дизельных двигателей. В кн.: Сб.научн. работ Саратовского с-х института, 1978, № 5, с.10-15.

70. Судовые малооборотные дизели с турбоподдувом. Под ред. Н.Н.Иванченко. Авториз.пер. с англ. и франц. Л.: Судостроение, 1967. 406 с.

71. Танатар Д.Б. Дизели. Компановка и расчет. М.: Морской транспорт, 1963. 439 с.

72. Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие. Под ред. Р.А.Макарова. М.: Машиностроение, 1975. 288 с.

73. Трушяков В.И., Ковальчук B.C. Определение долговечности при двухчастотном нагружении. Проблемы прочности, 1982, $ 10, с.15-20.

74. Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей. Саратов: Изд. Сарат.университета, 1974. 126 с.

75. Федоров A.M. Анализ причин неисправностей ЦПГ двигателей К8270/f20E. Экспресс-информация, МШ ЦБНТИ, серия "Техническая эксплуатация флота", 1984, № 7 (579), с.12-22.

76. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Часть 2. М.: Машиностроение, 1974. 368 с.

77. Хромых В.А., Славицкий М.Л. Повышение ресурса восстановленных головок поршней судовых крейцкопфных дизелей. Эквпресс-ин-формация, МШ> ЦБНТИ, серия "Техническая эксплуатация флота", 1980, № 9 (438), с.1-5.

78. Чайнов Н.Д. Исследование теплового и напряженного состояния головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Докт. дисс., МВТУ, 1975. 456 с.

79. Чайнов Н.Д. и др. Повышение эффективности расчетов деталей ЦПГ с помощью метода конечных элементов. Двигателестроение, 1983, & 9, с.16-18.

80. Чайнов Н.Д. и др. Тепломеханическая напряженность деталей двигателей. М.: Машиностроение, 1977. 152 с.

81. Шабров Н.Н. Метод конечных элементов в расчетах'"деталей тепловых двигателей. JI.: Машиностроение, 1983. 212 с.

82. Шаронов Г.П. и др. О повышении термостойкости головок блоков дизельных двигателей. В кн.: Сборник научных работ Сарат. с-х института, 1978, $ 115, с.3-10.

83. Шелков С.М. и др. Оптимизация конструкции тепло напряженных деталей дизелей. М.: Машиностроение, 1983. 113 с.

84. Шеховцев А.Ф. Метод расчетной оценки термоусталостной прочности поршней ДВС. Двигателе с троение, 1979, J£ II, с. 15-19.

85. Шнейдерович P.M. и др. Проблемы прочности, 1973, № 2, с.19-26.

86. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1971. 264 с.

87. Есинага А. Обзор методов измерений напряжений и деформаций. -Хихакай кэнса, 1975, т.24, В 7, с.395-399.

88. Мапумото Т. и др. Методика оценки усталостной прочности головок цилиндров быстроходных дизельных двигателей. Мицубиси дзюко гихо, 1978, т.15, J5 5, с.588-597.

89. Фелтам Г1. Деформация и прочность материалов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1968. 120 с.

90. Фурухама Ш. Исследование теплонапряженности поршней ДВС. -Найнэн кикан, 1983, т.22, № 7, с.47-56.

91. Энглиш К. Поршневые кольца. Пер. с нем. Под ред. В.К.Житощр^ ского, т.1. М.: Машгиз, 1962. 583 с.

92. Аие G. Some investigations into piston ping lehavior. Sutlerreview, 4653, AP p. 3.

93. AueG. On the Mechanism of a Piston. Ring Seat. Sulitr TechnicaC t*e\,iew, 4974, лГ4, p. ЪЧ8.

94. BedzihsktR., Fran?D, Analiza odksztaicen t/oka sitnika metoda interfehometrii fiotcgrafUznej. Techn.mat.^98b}

95. Furuhama. S.,Tada T. On thefEou/ of gas -through the pision. rings , Bute, о/IS ME, №1, vol. p. 634-698.

96. Qreen.A.,LockmanC.,Ste.tEeR. Acoustic verification of siruciura? intcrghityof PoEaHS chamEers Modern PlastLc$l19(4/v41/p.W.

97. HO. HeEEingman Q. KoESen-ring eine-r KoEienirennkraftmaschlne . GebtilderSuEierAGj. Ыеейц.тт.: кл.Р16j, Q/oo,F02F 5/00t?f596479, Заявл. 26.08.75, (f 41018/75.

98. HirtU, St eigen Merger R. Messungen und Berechhungen zur Erfassutig der KoEE>enrinqiewegun.gerL -MTZf 1971,If

99. I"2urni$i. Recent progress in deveEopment of Mitsubishi diesei engine.-CIMAC J971.

100. Pretre R. Piston ring Eeakage,sotne interesting tests with various kinds of ring. fiuiom. engr., 1932, voE.22, p. 1-24.

101. H7- RohrEeM. Rifbneigung von- LeichtmetaEE KoiSen- Le.gie.nungtn. durch periodische WarmeieanspruchungHTZ,4969,tf9,s.W'35l.

102. Temperature — Spannungs und Verformun.gsSerechnu.ng met

103. Finite -EEetnent Programmen rMTZ,1973t34,AT2,s.57-53.