Содержание к диссертации
стр.
Введение 4
Обзор опубликованных материалов по конструктив
но-технологическим особенностям, применяемым
материалам, методам исследования теплового и
напряженно-деформированного состояния и. средст
вам оценки долговечности крышек цилиндров сов
ременных высокофорсированных тепловозных двига
телей. Постановка задачи исследования ^
Конструктивно-технологические особенности ис-
полнения крышек цилиндров **
Материалы, применяемые для изготовления крышек цилиндров в условиях серийного производства... Методы исследования теплового и напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров... 23 Методы и средства оценки долговечности крышек
цилиндров 39
Постановка задачи исследования 48
Разработка методики расчета температур и тем
пературных напряжений в огневой плите крышки
цилиндра с учетом перепада температур по тол
щине. Применение методики 50
Расчет температурных напряжений в огневой
плите крышек цилиндров 50
Применение разработанной методики для расчета
теплового и напряженно-деформированного сос
тояния огневой плиты крышек цилиндров 68
стр.
Экспериментальное исследование сопротивления термоусталостному разрушению чугуна с шаровидной формой графита, легированного никелем
и молибденом (заводская марка ШЧ-НМ) 97
Выбор и обоснование диапазонов испытаний по
параметрам нагружения 97
Выбор и обоснование формы цикла нагружения..... 101 Основные положения методики термоусталостных
испытаний 106
Результаты проведенных испытаний материала
на термоусталость и их анализ
Оценка долговечности и прогноз ресурса крышек цилиндров мощных дизелей транспортного
назначения
Анализ напряженно-деформированного состояния межклапанных перемычек огневой плиты крышек
цилиндров 154
Метод оценки долговечности крышек цилиндров
двигателей транспортного назначения *61
Прогноз ресурса и оценка коэффициента запаса по долговечности для обеспечения заданной
надежности
Выводы
Литература 198
Приложение 211
Введение к работе
В основных направлениях развития отраслей промышленности СССР на I98I...I985 годы и на период до 1990 года перед транспортным машиностроением поставлена задача: "Расширять производство дизельных двигателей с высокими технико-экономическими показателями и создать двигатели к строительно дорожным машинам большой мощности.
Организовать производство более мощных магистральных и маневровых тепловозов..."
В соответствии с этой задачей современное развитие двигателей внутреннего сгорания транспортного назначения направлено на постоянный рост мощностей и экономических показателей, с одновременным повышением сроков службы и надежности. Основой увеличения цилиндровых и агрегатных мощностей наряду с увеличением средней скорости поршня Ст является повышение среднего эффективного давления, значение которого в настоящее время для высокооборотных тепловозных дизелей достигает величины г^е м2,0...2,5МПа, а в перспективе предусмотрено повышение его до Ре я 2,5... ...4,0 МПа [25,26,52,64,86,112 ] . Однако главным препятствием, сдерживающим уровень форсирования, является рост тепловой и механической напряженности узлов и деталей двигателей, и как следствие - снижение их надежности и долговечности, величина которой для большинства транспортных ДВС по техническим условиям должна быть не менее I млн.км., а в перспективе намечено её увеличение до 3...3,5 млн.км. Тепловая напряженность двигателя характеризуется уровнем рабочих температур, температурных напряжений и деформаций (в деталях и узлах), определяемых величиной теплового потока через тепловоспринимающую поверхность, их динамикой в условиях эксплуатации (сменностью и частостью приложения, максиму-
мом и минимумом значений и т.д.), а так же влиянием их на исходные свойства примененного для изготовления материала. Поэтому для решения проблемы обеспечения надежности и повышения долговечности при возрастании степени форсирования необходимо, наряду с другими вопросами, углубленное изучение свойств конструкций, примененного материала и условий реальной эксплуатации, а также проведение работ по созданию и совершенствованию расчетных и экспериментальных методов исследования напряженно-деформированного состояния для рационального проектирования.
Рост тепловой напряженности деталей, образующих камеру сгорания, при увеличении степени форсирования и серьезные последствия при возможных разрушениях требуют повышенного внимания к ним при проектировании и изготовлении. Это в полной мере относится и к крышке цилиндра - одной из наиболее сложных в конструктивном и наиболее нагруженных в тепловом отношении детали цилиндро-поршневой группы.
На современных тепловозных дизелях наблюдаются случаи выхода из строя крышек цилиндров, причем наиболее частыми являются разрушения огневого днища по перемычкам, образованным отверстиями под клапаны и форсунку. Для 4-х клапанных крышек цилиндров 4-х тактных дизелей характерно появление разрушений по перемычкам между выпускными,а также выпускным и впускным отверстиями. Вид разрушений показан на приведенной ниже фотографии (рис. 1.1а) и имел место в практике ПО "Коломенский завод" при доводке и эксплуатации двигателей типа ЧН 26/26. Для 4-х клапанных крышек 2-х тактных дизелей имелись случаи разрушений не только по межклапанным перемычкам, но и по перемычкам, образованным отверстиями под клапаны и форсунку. Вид разрушений крышек цилиндров двигателей типа ДН 23/30 приведен на фотографии, рис. 1.1(6).
На фотографиях рис2(а,б) показан район разрушения при уве-
Рис. I.I. Вид разрушений кршек цилиндров двигателей ЧН 26/26(а) и ДН 23/30(6)
Q)
б)
Рис. 1.2. Характер разрушения межклапанных перемычек крышек цилиндров: (б х 2,5)
личении в 1,5...2,5 раза. Из приведенных фотографий видно, что вблизи магистральной сквозной трещины имеется система поверхностных микронадрывов глобулярных включений графита и макротрещин, что характерно для деталей, работающих в области термической усталости, с накоплением пластических деформаций и остаточных напряжений.
Анализ реальных уровней нагруженности и достигаемой долговечности конструкций крышек цилиндров различных двигателей, выпускаемых ПО "Коломенский завод" с учетом данных, представленных в L 81,103,104,105,109,110,114 J показывает, что характерной и общей особенностью для этих деталей является наличие в элементах, определяющих ресурс (межклапанных перемычках),высоких температурных напряжений сжатия-растяжения. Величина температурных напряжений превышает предел пропорциональности (упругости) примененного материала, а амплитуда в цикле нагружения выше предела выносливости в 1,2...1,7 раза. Из этого непосредственно следует, что конструкция крышек цилиндров транспортных двигателей имеет в этих условиях ограниченную долговечность и работает в области постоянной повреждаемости.
Учитывая существующее рассеяние прочностных показателей материала и нерегулярный характер действующих нагрузок, для части крышек цилиндров принципиально не обеспечивается необходимый (назначенный) ресурс и будет наблюдаться относительно преждевременный выход из строя (отказ) некоторого количества их в эксплуатации. Этот процент отказов определяется в целом функцией распределения долговечностей, которая может быть получена на основе обработки статистических данных по отказам в эксплуатации, с использованием вероятностных методов расчета на усталость.
В связи с наблюдаемыми случаями отказов крышек цилиндров, приводящих к аварийным ситуациям, неплановым ремонтам и снижению
9 эффективности использования машинного парка локомотивных депо, становятся актуальными задачи дальнейшего уточнения и совершенствования методов определения долговечности крышек цилиндров.
В работе в качестве основных направлений рассматриваются вопросы уточнения существующих методов оценки напряженно-деформированного состояния крышек, определения показателей сопротивления выбранного конкретного материала в условиях, наиболее полно отражающих рабочие состояния, выполняется анализ действующих на конструкцию нагрузок и выявляются причины и закономерности появления отказов крышек в условиях эксплуатации.
В существующих методиках оценки напряженного состояния огневая плита рассматривается как пластина в условиях плоского напряженного состояния и изгиба, без учета влияния присоединенных к ней элементов: стенок газовых каналов, форсуночного стакана, периферийного контура и промежуточной диафрагмы. Как показано в работах L104,106,107 J такой подход приводит к занижению результатов расчета напряжений от перепада температуры в плоскости в среднем на 10...15. Для изгибных напряжений оценка подобного рода не выполнялась, однако утверждается, что влияние присоединенных элементов проявляется в большей степени, в связи с чем точность расчета и достоверность получаемых результатов снижается.
На основании выполненных на ПО "Коломенский завод" разработок для уточнения расчета напряженно-деформированного состояния от перепада температур по толщине рассматривается макро-элементная модель огневого днища. В основу её положен метод стержневой аналогии, разработанный Салтыковым М.А. [ 41,80,86] . Такая модель огневого днища позволила, при относительно небольшой трудоемкости, рассмотреть особенности нагружения межклапанных перемычек с учетом взаимодействия с боковыми стенками крышки, стенками газо-
вых каналов, форсуночного отверстия и промежуточной диафрагмы.
Касаясь вопроса определения показателей сопротивления материала конструкции крышек термоусталостному разрушению при нагру-жении растяжением-сжатием, следует отметить, что в имеющейся литературе эти данные для различных марок чугунов представлены недостаточно полно.
Для решения этой задачи в работе осуществлен комплекс испытаний на специальных установках типа Коффина, разработанных с участием автора. По результатам проведенных исследований построены кривые термической усталости и выполнено (с использованием линейного регрессионного и корреляционного анализа) аналитическое описание этих кривых.
На основании выполненных разработок предложен метод оценки долговечности и прогноза ресурса крышек цилиндров двигателей транспортного назначения типа ЧН 26/26 и ДН 23/30, выпускаемых ПО "Коломенский завод". Дри этом, в отличие от существующих методов, основанных на расчетах по коэффициенту запаса прочности и допускаемым напряжениям, в работе предложен комплексный подход к решению поставленной задачи. Он предусматривает определение теплового и напряженно-деформированного состояния, выделение наиболее нагруженных элементов крышек цилиндров и последующую оценку долговечности графически или аналитическим способом с использованием кривых термической усталости, полученных экспериментально для материала крышек (чугун ВЧ-60-2,легированный никелем и молибденом, заводская марка ШЧ-НМ). Для определения закона распределения долговечности и при оценке характеристик эксплуатационной нагруженности используются статистические данные по отказам и наработке крышек цилиндров в эксплуатации. Обработка данных осуществляется с применением вероятностно-статистических методов и корректированной линейной гипотезы суммирования усталостных поврежде-
ний. Знание закона распределения имеет весьма важное значение при установлении гарантийных ресурсов эксплуатации, назначении сроков профилактических осмотров и плановых ремонтов, оценке возможного количества отказов, установлении вероятности их появления (по мере увеличения срока работы) и планировании выпуска запасных частей.
На основе полученных результатов были проведены расчетные оценки располагаемого ресурса различных конструктивных вариантов крышек цилиндров двигателей, выпускаемых ПО "Коломенский завод", разработаны рекомендации (с участием автора) и внесены необходимые изменения, направленные на повышение надежности и долговечности .
Кроме того, результаты проведенных исследований частично использовались при разработке и оценке эффективности ускоренных программ периодических и межведомственных испытаний двигателей в заводских условиях на опытных стендах. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными и данными эксплуатации (по наработке и отказам) показало правильность выполненных расчетов и важность их для оценки эффективности работы машинного парка в локомотивных депо.
Работа выполнена на ПО "Коломенский завод". В процессе работы над диссертацией автор дополнительно получал научную консультацию и помощь от начальника сектора прочности к.т.н.Салтыкова М.А.
