Повышение прочностной надежности крышек цилиндров транспортных дизелей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Мягков, Сергей Петрович

• Мягков, Сергей Петрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мягков, Сергей Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор конструкторских особенностей, материалов, методов. исследования теплового и напряженно-деформированного состояния, методов оценки долговечности крышек цилиндров среднеоборотных дизелей транспортного назначения

1.1. Конструкторские особенности тепловозных и быстроходных. судовых дизелей

1.2. Материалы, применяемые для изготовления крышек цилиндров.

1.3. Методы исследования теплового и. напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров

1.4. Обзор методов оценки долговечности конструкций,. работающих при неизотермическом малоцикловом нагружении

1.5. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Расчетное исследование напряженно-деформированного. состояния крышек цилиндров

2.1. Теория течения и неупругого последействия.

Глава 3. Расчетно-экспериментальное исследование. остаточных напряжений в крышках цилиндров

3.1. Описание методики измерения остаточных напряжений. в крышках цилиндров

3.2. Результаты тензометрирования крышек цилиндров. дизеля 16ЧН26/26 после ускоренных испытаний

3.3. Описание методики расчета остаточных напряжений. и анализ полученных данных

3.4. Сравнение результатов расчета с экспериментальными. данными по остаточной напряженности

Глава 4. Разработка упрощенной расчетной модели. межклапанной перемычки для оценки остаточных напряжений

Глава 5. Оценка долговечности крышек цилиндров среднеоборотных. дизелей

5.1.1. Определение параметров блока типового. нагружения по данным хронометража для тепловозного дизеля

5.1.2. Определение параметров блока нагружения. для судового дизеля

5.2. Оценка долговечности крышек цилиндров по результатам. конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния

5.2.1. Определение долговечности крышки цилиндра. по критерию термической усталости

5.2.2. Определение долговечности крышки цилиндра. по критерию предельного времени релаксации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение прочностной надежности крышек цилиндров транспортных дизелей»

Тенденциями развития современного двигателестроения являются повышение агрегатных мощностей, улучшение экономических показателей с одновременным повышением сроков службы и надежности, а также улучшение мас-согабаритных показателей двигателя. Также особенно остро в настоящее время стоит задача уменьшения загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми двигателями внутреннего сгорания.

Основой увеличения цилиндровых и агрегатных мощностей, кроме увеличения средней скорости поршня Сш, является повышение среднего эффективного давления Ре значения которого для современных среднеоборотных дизелей транспортного назначения достигает величин Рс=2,2.2,7 МПа и выше [1,2,18,19,20,21]. При этом максимальное давление сгорания достигает величин 18.21 МПа. Температура деталей ЦПГ при этом находится в пределах 220.460 °С. Дальнейшее форсирование рабочего процесса, сдерживается ростом тепломеханической напряженности узлов и деталей дизеля, что приводит к снижению их надежности и долговечности. Для большинства современных дизелей транспортного назначения долговечность (определяемая в часах наработки до первого капитального ремонта или пробегом транспортной установки) должна быть не менее 1.1,2 млн. км. пробега (для тепловозных дизелей Коломенского завода типа ЧН26/26), или 50.60 тыс. час. для судового двигателя. В перспективе планируется увеличение этих показателей до 1,5.2,0 млн. км. и до 70.80 тыс. час. соответственно.

Тепловая напряженность характеризуется уровнем рабочих температур, разностью температур на поверхности детали, уровнем температурных напряжений и деформаций, определяемых величиной теплового потока через тепло-воспринимающую поверхность, и их динамикой в условиях эксплуатации: сменностью и частотой приложения температурной нагрузки, максимальным и минимальным значениями температуры цикла.

Увеличение тепловой напряженности деталей, образующих камеру сгорания, при повышении форсирования и серьезные последствия при возможных разрушениях требуют повышенного внимания к этим факторам при проектировании и изготовлении. Это в полной мере относится и крышке цилиндра - одной из наиболее сложных в конструкторском и наиболее нагруженных в тепловом отношении детали ЦПГ.

Основным видом повреждения крышек цилиндров являются трещины в перемычках, образованных клапанными отверстиями. Для 4-х клапанных конструкций крышек цилиндров 4-х тактных дизелей наиболее характерны разрушения по перемычкам между выпускными, а также между впускными отверстиями. Такой вид разрушений имел место в практике АО «Коломенский завод» при доводке и эксплуатации семейства среднеоборотных дизелей типа ЧН26/26. Для 4-х клапанных крышек цилиндров 2-х тактных дизелей имеет место разрушение не только по межклапанным перемычкам, но также по перемычкам, образованным отверстиями под клапаны и форсунку. Такие разрушения наблюдались на дизелях типа ДН23/30 «Коломенского завода». Вид трещины четырехклапанной крышки цилиндра четырехтактного дизеля представлен на рис. 1.1.

Анализ разрушений показал, что трещины имеют термоусталостный характер. При этом в крышке цилиндра при работе двигателя возникают переменные температурные напряжения, размах которых может превышать предел выносливости материала (высокопрочного чугуна) в 1,2. 1,5 раза. Максимальные значения сжимающих (рабочих) термических напряжений могут превышать условный предел текучести материала, что при остывании конструкции приводит к появлению остаточных напряжений растяжения в наиболее нагруженных элементах огневого днища. В действительных циклах имеют место эффекты ползучести и релаксации напряжений, происходящие в условиях выдержки конструкции при повышенной температуре. Реологические процессы обеспечивают постоянный рост остаточных напряжений и дополнительно вносят повреждающее воздействие в структуру материала.

В этих условиях крышка цилиндра работает в области постоянной повреждаемости материала и имеет ограниченную долговечность. Для обеспечения требуемого ресурса крышки цилиндра

Рис. 1.1. Характерный вид разрушения чугунной четырехклапанной крышки цилиндра дизельного двигателя должен быть обеспечен запас по долговечности, представляющий собой отношение числа циклов до разрушения к числу циклов, выдерживаемых конструкцией в эксплуатации за заданный срок службы. (пл=НПр/Ыр).

Учитывая рассеяние прочностных показателей конструкционного материала, качество изготовления всей детали в целом, нерегулярный характер приложенных нагрузок (изменение температур и давлений в цилиндре вследствие разрегулировки или появления отложений на поверхности охлаждения и др.), в ряде случаев не может быть обеспечен назначенный в технических условиях ресурс. Определение располагаемого ресурса крышек входит в разработанную [3,4] обобщенную методику оценки долговечности крышки цилиндра. В связи с дальнейшим повышением форсирования дизелей типа ЧН26/26 и разработкой дизеля новой размерности (ЧН26,5/31) становится актуальной задача прогнозирования прочностной надежности деталей ЦПГ, работающих в области повышенных температур и давлений, в том числе крышки цилиндра.

Поскольку темп роста остаточных напряжений характеризует механизм накопления повреждений в структуре материала, основным направлением работы является разработка методики расчета остаточных напряжений в крышке на различных этапах эксплуатации и проектирования. Основные этапы разработки методики изложены в работе [39].

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Мягков, Сергей Петрович

5. Основные результаты исследований работы использованы в конструкторской практике Коломенского завода при проектировании дизеля нового поколения размерности ЧН26,5/31.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мягков, Сергей Петрович, 2009 год

1. Никитин Е.А. Семейство дизелей Д49 // Двигателестроение. 1979. №3. С. 1-6.

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

3. Сальников М.А. Оценка долговечности крышек цилиндров тепловозных дизелей в зависимости от уровня теплонапряженности: дис. .канд. техн. наук. Коломна. 1984. 210 с.

4. Александров И.И. Исследование условий термической прочности литых материалов для деталей камеры сгорания транспортных дизелей: дис. .канд. техн. наук. Коломна. 1972. 196 с.

5. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов и др.. Под ред. A.C. Орлина, М.Г. Круглова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1984. 384 с.

6. Ваншейдт В.А. Конструирование и расчет прочности судовых дизелей. Л.: Судостроение. 1969. 391 с.

7. Оптимизация конструкции теплонапряженных деталей / С.М. Шелков и др.. М.: Машиностроение. 1983. 112 с.

8. Иссерлис Ю.Э., Мирошников В.В. Системное проектирование двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение. 1981. 255 с.

9. Салтыков М.А. Применение метода эквивалентной рамы для расчета контуров переменной жесткости в несущих деталях и узлах // Проблемы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1969. С.65-82.

10. Чайнов Н.Д. К расчету температурных напряжений в днище крышек цилиндров двигателей внутреннего сгорания // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1972. №10. С.101-108.

11. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение. 1975. 488 с.

12. Салтыков М.А. Прочность ДВС. Методы и средства обеспечения. М.: МГОУ. 1995. 90 с.

13. Безухов И.И., Лужин О.В. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач. М.: Высшая школа. 1974. 200 с.

14. Гардан И., Люка М. Машинная графика и автоматизация конструирования. М.: Мир. 1987. 272 с.

15. Чайнов Н.Д., Заренбин В.Г., Иващенко H.A. Тепломеханическая напряженность деталей. М.: Машиностроение. 1977. 153 с.

16. Разработка и применение моделей разных уровней для расчетов рабочих напряжений в крышках цилиндров транспортных дизелей / Н.Д. Чайнов и др. //Двигателестроение. 1987. №4. С. 10-14.

17. Овсянников М.К., Давыдов Г.А. Тепловая напряженность судовых дизелей. Л.: Судостроение. 1975. 256 с.

18. MotorShip 2006. September. 48 p.

19. Diesel & Gas Turbine. World Wide Catalog. 2003. Vol. 68. 836 p.

20. Diesel & Gas Turbine. Publications. 2005.Vol. 70. 758 p.

21. Diesel & Gas Turbine. Publications. 2004. Vol. 69. 808 p.

22. Чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом. С аустенитно-бейнитной матрицей — современные материалы для литых деталей. М.: ИТЦМ Металлург. 2004. 440 с.

23. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1963. 232 с.

24. Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов Л.И. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение. 1979. 222 с.

25. Меден А.И. Конструктивные мероприятия по ограничению тепловой напряженности втулок и крышек форсированных среднеоборотных дизелей // Теплонапряженность поршневых двигателей. Ярославль. 1978. С. 32-45.

26. Тимохин A.B. Тепловая напряженность деталей, образующих камеру сгорания высокофорсированных дизелей: дис. .докт. техн. наук. Москва. 1991. 305 с.

27. Шатров Б.В. Теоретические основы анализа конструкций с применением метода конечных элементов: курс лекций. М.: МАИ. 1998. 97 с.

28. Чайнов Н.Д. Исследование теплового и напряженно-деформированного состояния головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания: автореф. дис. .докт. техн.наук. Москва. 1975. 32 с.

29. Ширяев В.М., Лодягин В.З. Исследование напряженного состояния днища головки цилиндра двигателей ДН23/30 и мероприятия по повышению срока их службы // Проблемы развития двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1968. С. 82-96.

30. Салтыков М.А., Казанская A.M. Разработка и применение метода макроэлементов для расчета на прочность и жесткость несущих конструктивных звеньев двигателя // Двигателестроение. 1985. №2. С. 8-11.

31. Zieher F., Langmayr F., Jelatancev A. Thermal Mechanical Fatigue Simulation of Cast Iron Cylinder Heads // SAE 2005 World Congress. Detroit. 2005. 12 p.

32. Акимов Л.M. Выносливость жаропрочных материалов. М.: Металлургия. 1977. 152 с. ;

33. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости / Под ред. Г.С. Шапиро. М.: Наука. 1975. 575 с.

34. Композиционный материал в системе «волокно-металл» для поршней ДВС/В.И. Платонов и др. // Двигателестроение. 2005. №1. С. 33-35.

35. Шабанов А.Ю., Зайцев А.Б., Машкур М.А. Новый метод расчета граничных условий теплового нагружения головки блока цилиндров поршневого двигателя // Двигателестроение. 2005. №1. С. 5-9.

36. Сальников М.А., Салтыков М.А. Влияние сменности режимов работы в эксплуатации тепловозных дизелей на ресурс деталей цилиндропоршневой группы // Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и эксплуатация оборудования. (М.). 1983. Выпуск 10. С. 1-3.

37. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / В.П. Алексеев и др., Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1980. 288 с.

38. Вырубов Д.Н., Иващенко H.A., Ивин В.И. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. A.C. Орли-на, М.Г. Круглова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1983. 372 с.

39. Особенности математического моделирования НДС крышки цилиндра форсированного среднеоборотного дизеля / Н.Д. Чайнов и др. Двигателе-строение. 2006. №4. С. 8-11.

40. Takao S., Suzuki M. Methods for simplfied termal stress estimation and fatique life analysis of a gray cast iron cylinder cover in a medium speed diesel engine //Nagai-Hitachi Zocen Techn. Rev. 1981. №1. P.35-46.

41. Конкс Г.А., Лашко B.A. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта. М.: Машиностроение. 2005. 512 с.

42. Чернеева Г.А. Методика анализа тепловой напряженности поршней форсированных дизелей с учетом неупругого деформирования материалов: дис. .канд. техн. наук. Москва. 1993. 112 с.

43. Прочность при малоцикловом нагружении. Основы методов расчета и испытаний / C.B. Серенсен и др. М.: Наука. 1975. 284 с.

44. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость: Перевод с англ. М.: Машиностроение. 1974. 344 с.

45. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. Перевод с англ. М.: Мир. 1964. 517 с.

46. Писаренко Г.С. Термопрочность материалов и конструкционных элементов. Киев. Наукова Думка. 1965. 332 с.

47. Туляков Г.А. Термическая усталость в теплоэнергетике. М.: Машиностроение. 1978. 199 с.

48. Структурные факторы малоциклового разрушения металлов: Сб. ст. / Под ред. В.Г. Лютцау. М.: Наука. 1977. 142 с.

49. Уравнения состояния при малоцикловом нагружении / H.A. Махутов и др. М.: Наука. 1981.243 с.

50. Дульнев P.A., Котов П.И. Термическая усталость металлов. М.: Машиностроение. 1980. 200 с.

51. Шумихин B.C., Кутузов В.П., Храмченков А.И. Высококачественные чу-гуны для отливок / Под ред. H.H. Александрова. М.: Машиностроение. 1982. 222 с.

52. Даль В. Поведение стали при циклических нагрузках: Перевод с немец. / Под ред. В.Н. Геминова. М.: Металлургия. 1982. 568 с.

53. Чайнов Н.Д., Григорьев O.A., Харитонов Н.П. Анализ теплового состояния головки цилиндров промышленного трактора // Двигателестроение. 1989. №4. С. 7-9.

54. Литвинцев Ю.А., Косарева Н.В. Методика рационального выбора чугуна для деталей, упрочняемых закалкой токами высокой частоты // Двигателестроение. 1988. №11. С. 28-29.

55. Соломин Н.В. Высокотемпературная устойчивость материалов и элементов конструкций. М.: Машиностроение. 1980. 128 с.

56. Стефановский Б.С. Теплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. М.: Машиностроение. 1978. 128 с.

57. Насыров P.A. Повышение надежности работы поршней тепловозных дизелей. М.: Транспорт. 1977. 216 с.

58. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение. 1968. 400 с.

59. Гусенков А.П., Котов П.И. Длительная и неизотермическая малоцикловая прочность элементов конструкций. М.: Машиностроение. 1988. 264 с.

60. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука. 1969. 420 с.

61. Качанов JIM. Основы механики разрушения. М.: Наука. 1974. 312 с.

62. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К. Расчеты на прочность в машиностроении / Под ред. С.Д. Пономарева. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1958. Т. 2. 954 с.

63. Биргер И.А. Термопрочность деталей машин / Под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Шора. М.: Машиностроение. 1975. 455 с.

64. MSC.Marc and MSC. Marc Mentat Release Guide. Version 2005 Электронный ресурс. / Printed in U.S.A. Электрон.дан. 2005. 1 CD-ROM.

65. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ. М.: Мир 1984. 624 с.

66. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир. 1979. 392 с.

67. Неразрушающие методы контроля. Спецификатор различий в национальных стандартах разных стран / Под ред. В.Я. Кершенбаума М.: Наука и Техника. 1992. 227 с.

68. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д., Элементы прикладной математики. М.: Наука. 1965. 615 с.

69. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов. М.: Наука. 1986. 560 с.

70. Александров И.И., Соболев Н.Д. Исследование условий квазиупругого деформирования при термоциклическом нагружении // Проблемы прочности. 1973. №7. С. 43-48.

71. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение. 1977. 216 с.

72. Гохфельд Д.А., Чернявский О.Ф. Несущая способность при повторных нагружениях. М.: Машиностроение. 1979. 263 с.

73. Гусенков А.П. Сопротивление деформированию в связи с условиями малоциклового нагружения. М.: Научный совет по проблеме «научные основы прочности и пластичности» академии наук. 1966. 48 с.

74. Мороз J1.C. Механика и физика деформаций и разрушения материалов Л.: Машиностроение. 1984. 224 с.

75. Подзей А.Б., Сулима A.M. Технологические остаточные напряжения. М.: Машиностроение. 1973. 216 с.

76. Никитин Е.А., Мерлис П.М., Салтыков М.А. Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей / Под ред. A.C. Орлина. М.: Машиностроение. 1974. 208 с.

77. Макаров P.A. Средства технической диагностики машин. М.: Машиностроение. 1981. 223 с.

78. Серьезнов А.Н. Измерения при испытаниях авиационных конструкций на прочность. М.: Машиностроение. 1976. 224 с.

79. Кудрявцев И.В. Повышение прочности элементов конструкций и деталей машин. М.: Машгиз. 1959. 113 с.

80. Салтыков М.А., Гинзбург М.А., Полякова Т.И. Исследование режимов термообработки деталей составных поршней из кованных алюминиевых сплавов. (М.). НИИинформтяжмаш. 1972. №10. С.10-17.

81. Фридман Я.Б. Механические свойства материалов: в 2-х томах. М.: Машиностроение. 1974. Т.2. 367 с.

82. Шушкевич. В.А. Основы электротензометрии. Минск. Вышейшая школа. 1975. 351 с.

83. Унксов Е.П., Джонсон У., Колмогоров B.JI. Теория пластических деформаций металлов / Под. ред. Е.П. Унксова, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение. 1983. 598 с.

84. ГОСТ 25.101-83. Расчёты и испытания на прочность методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов. М., 1983. 29 с.

85. Чайнов Н.Д., Раенко М.И., Мягков С.П. Вопросы прочности крышек цилиндров среднеоборотных дизелей // Двигатели внутреннего сгорания. 2008. №1. С. 62-65.

86. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: справочник. М.: Машиностроение. 1985. 232 с.

87. Косточкин В.В. Надежность авиационных двигателей и силовых установок. М.: Машиностроение. 1976. 248 с.

88. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / Под ред. А.П. Гусенкова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1993. 364 с.

89. Тепловозное хозяйство / Г.С. Рылеев и др. М.: Трансжелдориздат. 1956. 311 с.

90. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени: библиотека расчетчика. М.: Машиностроение. 1977. 232 с.

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

92. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука. 1976. Т.2. 576 с.

93. Москвитин В.В. Некоторые вопросы пластичности при переменных нагружения. М.: ВИНИТИ. 1966. 26 с.Л Xsw^ м/

94. Серенсен C.B. Сопротивление материалов уст^йостному и хрупкому разрушению. М.: Атомиздат. 1975. 192 с.

95. Поль Б. Макроскопические критерии пластического течения и хрупкого разрушения // Разрушение / Под ред. Г. Либовиц. М.: Мир. 1975. Т.2 С. 336520.

96. Работнов Ю Н. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз. 1962. 456 с.

97. Тайра С., Отани Р. Теория высокотемпературной прочности материалов: Пер. с япон. М.: Металлургия. 1986. 280 с.

98. Чадек Й. Ползучесть металлических материалов. М.: Мир. 1987. 306 с.