Введение к работе
Актуальность проблеми. Современными направлениями развития транспортного машиностроения являются, с одной стороны, совершенствование выпускаемых двигателей путем перехода на более форсированные модификации для обеспечения необходимого роста ресурса и повышения топливной экономичности и, с другой,
СОЗДаННе НОВЫХ ТИПОВ ДИЗвЛвЙ С ПрОГрвССИВНЫМИ ТЄХНИХО-9К0Н0МИ-
ческнми характеристиками и большой агрегатной мощностью для магистральных тепловозов, судовых энергоустановок, передвижных электростанций і строительно-дорожных машин и большегрузных карьерных автосамосволов.
Разработка и освоение новых типов дизелей необходимы для достижения уровня лучших кнровых образцов и обеспечения конкурентоспособности отечественной техники, а также для получения дополнительных возможностей от использования новых изделий в народном хозяйстве, з росте производительности труда и увеличении национального продукта.
Форсирование рабочего процесса на дизелях повышенной ыощ-ностн вызывает ужесточение условий работы деталей кривошилно-шатунного механизма, в частности увеличение напряжении в коленчатом вале, являющемся одной из наиболее нагруженных деталей дизеля и воспринимающем в процессе работы переменные нагрузки от сил давления газов, сия инерции вращающихся и поступательно движущихся масс, нзгибных и крутильных колебаний. Это требует активизации работ по создаяню новых и совершенствованию существующих методов проектирования, обеспечивающих надежную работу валов в последующая эксплуатация.
Анализ методов проектирования коленчатых валов на опыте создания тепловозных дизелей трех похолений, начиная от хонст-
рунрования по образцам-аналогам и кончая современными методами расчета с применением ЭВМ, показывает невозможность получения полноценного изделия при однократном начальном введения всей информации для расчета. Процесс формирования нового изделия неизбежно разворачивается во времени я является распределенным в нем как последовательно стадийный процесс преодоления неопределенности, согласования я совершенствования, охватывающий весь жизненный цикл изделия: стадию технического задания и эскизного проектирования, стадия технического проекта и выпуска рабочей документации, стадне опытного образца я развертывания серийного производства и стадии расширенной эксплуатации.
Последовательно применяемые на различных стадиях математические и физические модели, методы и средства должны иметь возрастающий уровень точности /адекватности/ с цельп постепенного приближения к оптимально сбалансированным служебно-прочностным качествам вала на всех стадиях жизненного цикла, гарантирующим получение требуемых показателей надежности и долговечности изделия в пределах заданного срока сяугбы.
Таким образом возникает необходимость перехода от совокупности разрозненных прочностных расчетов к комплексной системе для оперативной отработки, всестороннего обоснования и обеспечения прочности коленчатых валов, обладающей, с одной стороны, достаточной полнотой и автономностью и, с другой, возможностью встраивания в более широкий системный комплекс по автоматизированному проектировании.двигателя в целом.
В связи с этим в представленной работе решается крупная научная проблема создания системы моделей, методов и средств для оценки в обеспечения прочности коленчатых валов транспорт-пых дизелей, вмещая большое народнохозяйственное значение.
Актуальность разработки данной темы определяется наобхо-
демостью резкого повыпешя эффективности процесса активной отработки конструктивных $оры коленчатых валов, с целью получения в готовом изделии оптимальных прочностных и несткостнкх свойств.
Подтверждением актуальности данной темы является разработка направлений системного проектирования машин, оборудования, приборов н аппаратуры в таких ведущих институтах страны, как Государственный научно-исследовательскнЯ институт машиноведения Академии Наук. ІЩИПМАИ, ШИЕГ, МГГУ им.Н.Э.Баумана, ВШШЕГ-МАІЗ и др., а также на предприятиях: ПО "Коломенский завод", ЗЩ, ГО "Брянский машиностроительный завод" а др.
Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в разработке недостающих звеньев в системе формирования основных функциональных свойств коленчатых валов транспортных дизелей з виде комплексов расчетов и испытаний по оценке а обеспечению прочности а жесткости, определению всего спектра действующих нагрузок и границ предельных состояний, а также в разработке принципов рационального объединения этих созданных моделей, методов я средств v многоуровневую обп^ую систему с обоснованием последовательности их применения по этапам становления изделия.
В соответствии с этил в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Разработка системы моделей, включающей расчетные /заменяющие/ модели элементов вала, поисковые /имеющие варьируемые входящие параметры/ рабочие модели, металлические натурные модели для исследования напряжений и деформации валов, регрессионные модели, математические модели по каждому основному критерию прочности и жесткости и глобальную прочностную модель вала. Для этого требовалось решение следующих вопросов:
- исследование упруго-силовых взаимосвязей между элемента-
ми вала при кручении и изгибе с определением главных нагрузочных и геометрических параметров, влияющих на напряженное состояние опасных участков вала;
установление необходимое области и интервалов варьирования конструктивными в силовыми параметрами для определения необходимого состава поисковых моделей;
разработка и изготовление металлических моделей для исследования напряженно-дефэрмироЕанвого состояния валов;
сравнительный анализ основных {ункцноналышх критериев работоспособности коленчатого вала и внбор оптимального их качественно-количественного состава, обеспечивающего достижение в будущем изделии необходимого уровня надежности и долговечности.
2. Создание системы расчетных методов, содержащей новые методы для оценки прочности внутренних полостей шеек при изгибе и кручении, расчета изгибной податливости валов, адаптированные и улучшенные существующие метода расчета прочности опасных сечений, а также поисковые метода, встроенные в стратегию многокритериальной оптимизации конструкции вала. Это потребовало проведения следующего ряда работ:
анализ и обобщение разработанных отечественными и зарубежными учеными методов расчета коленчатых валов и выбор наиболее прогрессивных из них, обеспечивающих необходимую точность получаемых результатов и наилучшую возможность встраивания в общую систему проектирования вала;
обоснование применения для оценки напряженно-деформированного состояния щеки Fana известных решений плоской /двумерной/ задачи теории упругости;
проведение широкого комплекса расчетно-экспериментальных исследований по оценке влияния изменения каждого конструктивно-
го параметра вала на напряженное состояние внутренних полостей аеек я на иэгнбную податливость вала;
- выбор поисковых методов оптимизации а разработка принци
пов их объединения в общей стратегия пояска оптимальных конст
руктивных параметров вала.
3. Фэргшрованиэ системы технологических методов с цельо ус
тановления рациональных реяимов упрочнения галтелей валов повер
хностным пластическим деформироїанием /ііщі/, внбора состава иа-
тариала изделия и технологии его получения, нейтрализации внут
ренних ыэталлургическнх дефектов е литых валах. Для этого роиа-
лнсь следующие вопроси:
проведение натурных усталостных испытаний стачышх п чугунных коленчатых валов тепловозных дазелеЁ различных типов;
проведение испытаний на усталость на изгнб с вращением и на растявдние-смтие образцов из стала а іксокопрочного чугуна;
исследований напряжений на поверхности шеек п щек, а также в поперечных сечениях шатунно? шейка в местах залегания внутренних металлургических дефектов;
оценка влияния различных факторов на сопротивление усталости материала валов /асимметрии цикла иагруяення, качества поверхности п др./.
4. Разработка системы средств для поиска и выбора оптималь
ной конструкции вала, в аервув очередь в виде блок-схемы созда
ния и отработки его конструктивных форм с указанием необходимого
инструментария, а такяе в ваде стендов для исследования наггря-
аенного состояния и яесткости валов, в виде графиков, диаграмм
з результатов исследований. С етой целью проводился ряд работ, включающий:
- разработку блок-схемы формирования оптимальной конструк
ции коленчатого вала;
проектирование и изготовление стендов для исследования напряженно-деформированного состояния валов;
создание пакета прикладных программ для ЭЕМ по определению основных параметров прочности и жесткости валов я др.
Методы исследований. Расчетные исследования основаны на использовании методов теории упругости. Экспериментальные исследования напряжений выполнялись методом электротензометрирования в условиях стендового нагружекия. Сопротивление усталости материала и циклическая прочность валов устанавливались по результатам испытаний, соответственно, стандартных образцов и натурных изделий. Для обработки результатов испытаний использовались статистические метода. Получение системных расчетных и опытных данных осуществлялось с использованием методов планирования эксперимента. Сравнительная оденка влияния входящих исследуемых параметров на заданные функции цели проводились методом регрессионного анализа. Оптимизация выполнялась на основа применения поисковых методов, обеспечивающих нахождение локальных и глобального экстремумов.
Научная новизна. Разработана комплексная система моделей методов и средств, позволявшая получить оптимальныо параметры коленчатого вала транспортного дизеля для обеспечения требуемых служебных показателей /по надежности и ресурсу/ на всех стадиях становления изделия с учетом своевременной корректировки последующего исполнения изделий путем периодических оценок их состояния в реальных условиях производства и эксплуатации по мера . . расширения выпуска и сферы применения.
Разработаны принципы объединения аффективных катодов и средств в предавтно-орнентироЕаннне комплексы расчетов и испытаний для охвата сложного структурного состава основных звеньев вала, в целях объективной оценки и отработки принимаемых про-
ектнровшиком решений для достижения в конструкции требуемой прочности и жесткости в сочетании с заданной металлоемкостью и технологичностью изготовления.
Усовершенствованы существующие методы расчета напряженного состояния и циклической прочности валов в сечениях по галтелям и в районе отверстий для сказки за счет охвата многообразия нагрузочных состояний за цикл работа двигателя, что является дальнейшим развитием теории расчета коленчатых валов.
Разработан новый метод расчета запасов циклической прочности во внутренних полостях пеек вала с учетом многообразия действующих нагрузок. Количественно оценено влияние каждого конструктивного параметра вала на напряженное состояние полостей при различных типах нагружения.
11а основании серии расчетов моделей 2-го и 3-го уровней в сочетании с экспериментальными дачными получены значения безразмерных коэффициентов, показывающих степень влияния конструктивных параметров коленчатого вала на его изгнбную податливость. На базе полученных зависимостей разработаны методы расчета податливости валов при чистом и поперечном изгибе, позволяйте при расчете вала по неразрезной схеме с учетом несоосностн и упругой податливости опор задавать его яесткостныэ параметры не по результатам предшествующих трудоемких експериментальних исследований, а на основании оперативных расчетов указанными методами.
Исследовано влияние усталостных нераспространяюпшхся трепан в упрочненных галтелях на долговечность коленчатых валов. Впервые показано, что наряду со стальными валами, в интенсивно наклепанных галтелях валов из высокопрочного чугуна проявляет себя эффект торможения усталостных трещин, что служит существенным резервом увеличения долговечности детали. Найдены предельные
размеры нераспространявдихся трещин.
Осенена эффективность применения прогрессивных методов получения высокопрочного чугуна /суспензионная заливка н модифицирование комплексной лигатурой/ с целы) устранения количества металлургических дефектов в литых валах и, в конечном счете, повышения сопротивления усталости материала и циклической прочности натурных валов.
Исследовано влияние различных факторов /асимметрия цикла нагруяения, качество поверхности и др./ на сопротивление усталости материала валов.
Проведено обоснование выбора критериев оптимальности $ормы вала. Получена система критериальных неравенств, составляющая ыагематическую многофункциональную модель коленчатого вала.
Разработана стратегия многокритериальной оптимизации конструкции с использованием построенной математической модели валаї нахоадениеы локальных экстремумов и опорных областей по условию равнопрочности всех потенциально опасных сечений, минимизации массы и заданной нагибной жесткости вала, с учетом технологических факторов в качестве ограничений на область оптимальных решений.
Практическая значимость. Внедрение разработанной системы моделей, методов и средств для оценки и обеспечения прочности коленчатых валов позволяет значительно сократить сроки проектирования, а также устранить большие непроизводительные материальные затраты на внеплановые ремонты в эксплуатации изделий, не получивших в период проектирования и опытного изготовления всесторонних оценок и комплексного обоснования принятых решений. Система позволяет получить равнопрочную конструкцию вала, удовлетворяющую требованиям надежности на заданный срок службы в эксплуатации.
Определены главные нагрузочные и геометрические параметры, влитие ка напряденное состояние опасных участков вала и его зесткостныа характеристики.
По результатам натурных усталостных испытаний установлены рациональные режимы поверхностного пластического деформирования галтелей коленчатых валов тепловозных дизелей с диаметром шатунных шеек 165-250 ым.
Установлены критические размеры нераспространяющнхея третин б интенсивно наклепанных галтелях валов из высокопрочного чугуна.
Подтверждена эффективность специальной технологии ремонта яолекчатнх валов, получкгаих повреадения в эксплуатации п восстановленных в заводских условиях.
Исследовано сопротивление усталости высокопрочного чугуна с сароЕидкым гранитом в зависимости от микроструктуры, химического состава, асимметрии цикла, качества поверхности. Полученные данные могут быть использованы в практике проектирования на всех предприятиях калиностроения, выпускающих детали из данного материала.
Установлена степень' разупротаящего действия внутренних металлургических дефектов в литых коленчатых валах и уровень предельных напряжений, при которых происходит развитие усталостных трещин от дефектов. Даны практические рекомендации по устранению опасьости разрушений от внутренних дефектов.
Разработана подсистема "Автоматизация проектирования коленчатых валов транспортных дизелей", применяемая в учебно-проектной САПР в рядо вузов.
Научные положения работы внедрены в практику проектирования коленчатых валов на предприятиях транспортного мапиностроения. Результаты исследований вошли составной частью в отраслевой
стандарт CGT 24.062.08-83 "Валы коленчатые чугунные дизелей в газовых двигателей. Общие технические условия". Экономический ?J-фект от внедрения результатов работы на предприятиях транспортного мазиностроения за счет увеличения долговечности валов, повышения юс надежности в эксплуатации, снижения затрат на внеплановые ремонты дизелей составил 260 тыс.рублей в год.
Ашобапкя работе. Основные положения и результаты диссертации по мере разработки ее содержания докладывались и обсуждались на межотраслевых и межвузовских научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах: на межотраслевой конференции по проблемам прочности и динамики локомотивов во Всесоюзном научно-исследовательском тепловозном институте, г.Коломна, 1977г., на научно-технических конференкгях 17IP ПО "Коломенский завод" в 1977, 1978, 1979, 1931, 1983, 1984, 1935г.г., на 11-й научно-технической конференции ИГР ГО "Брянский машиностроительный завод" в 1979г., на 50-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Брянского института транспортного машиностроения в 1991г., на заседаниях кафедры Двигателей внутреннего сгорания КПП, г.Брянск, 1934, 1992г.г., на техническом совещании ЭТР завода тепловозных дизелей ПО "Брянский машиностроительный завод", 1984г., на республиканских научно-практических конференциях БПИ, г.Брянск в 1991, 1992г.г. и др.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в монографии, 15 статьях и 19 научно-технических отчетах, выпущенных автором в ПО "Коломенский завод".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы 329 наименований и приложения. Работа содержит 300 страниц основного текста, 107
