Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методик оценки долговечности поршней и задачи дальнейших исследований 9
1.1 Условия нагружения поршней и причины образования трещин в кромке камеры сгорания 9
1.2 Методы повышения термостойкости поршней 16
1.3 Критерии разрушения теплонапряженных деталей и обзор методик оценки долговечности поршней 22
1.4 Обзор моделей усталостного роста трещин 30
1.5 Тепловые стенды для исследования теплового и напряженно-деформированного состояния поршней 36
Выводы и постановка задач исследования 40
ГЛАВА 2. Методика прогнозирования долговечности поршней двигателей внутреннего сгорания 42
2.1 Определение исходных данных для расчета 42
2.2 Решение задачи нестационарной теплопроводности 46
2.3 Определение теплового напряженно-деформированного состояния поршня 48
2.4 Оценка усталостной долговечности 50
2.5 Методика прогнозирования долговечности при наличии трещины 51
2.5.1 Моделирование развития трещины в круглой пластинке с центральным отверстием 54
2.5.2 Определение коэффициента интенсивности напряжений для трещины в кромке камеры сгорания поршня 62
2.5.3 Построение модели коэффициента интенсивности напряжений 72
2.5.4 Определение критической длины трещины 75
2.5.5 Расчетная оценка долговечности при наличии трещины 80
Выводы по главе 81
ГЛАВА 3. Численная реализация методики прогнозирования долговечности поршней двигателей внутреннего сгорания 82
3.1 Характеристики расчетных моделей поршней 82
3.2 Определение нестационарных тепловых нагрузок на поверхности поршня 85
3.3 Результаты расчета теплового состояния поршня 90
3.4 Анализ теплового напряженно-деформированного состояния поршня . 95
3.5 Оценка усталостной долговечности поршня 100
3.6 Результаты расчета остаточного ресурса поршней 102
Выводы по главе 106
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование термостойкости поршней при циклическом нагружении 107
4.1 Объекты исследований 107
4.2 Цели и задачи исследований 107
4.3 Программа и методика проведения исследований 107
4.3.1 Программа исследований 107
4.3.2 Методика проведения исследований 108
4.4 Измерительная аппаратура 110
4.5 Безмоторный тепловой стенд 111
4.6 Регистрация усталостных трещин 117
4.7 Оценка погрешности экспериментальных исследований 119
4.8 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 120
4.9 Проверка предлагаемой методики по результатам эксперимента 121
4.10 Анализ результатов моторного эксперимента 124
Выводы по результатам экспериментальной работы 131
Выводы 132
Литература 134
Приложение 1 146
- Критерии разрушения теплонапряженных деталей и обзор методик оценки долговечности поршней
- Определение коэффициента интенсивности напряжений для трещины в кромке камеры сгорания поршня
- Анализ теплового напряженно-деформированного состояния поршня
- Проверка предлагаемой методики по результатам эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования. Настоящий этап развития ДВС характеризуется высокими темпами роста их удельных показателей, например, литровой и поршневой мощностей, что приводит к существенному возрастанию тепловой и механической нагруженности деталей, образующих КС (поршень, гильза, головка цилиндров и т.д.). Теплонапряженные детали двигателя имеют, как правило, сложную геометрическую форму, а их отдельные элементы находятся в тепловом, силовом и кинематическом взаимодействии. При проектировании, расчете и доводке двигателя необходим более полный и точный учет всех величин, определяющих надежность и ресурс. На неустановившихся режимах, характерных для эксплуатации большинства современных двигателей, напряженность поршня меняется во времени, что приводит к появлению усталостных трещин в кромке его КС. В первую очередь это относится к КС полуоткрытого типа. Появление трещины и рост ее до критической длины часто приводит к разрушению кромки КС. Это обстоятельство вызывает необходимость уточнения существующих методик расчета остаточного ресурса, а также разработки новых, с учетом возможности прогнозирования долговечности при наличии трещин. В связи с этим, исследование скорости развития трещины и разработка расчетно-экспериментальной методики, позволяющей прогнозировать долговечность при наличии трещины в кромке КС поршней ДВС, является актуальной задачей.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является проведение расчетно-экспериментальных исследований, а также разработка на их основе методики расчета долговечности поршней при наличии трещины в кромке КС. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
исследовать влияние геометрических размеров КС на долговечность поршня на основании результатов расчетных исследований;
провести численную оценку влияния перепада температуры (на поверхности поршня), давления газов, толщины сечения и длины трещины на КИН, а также разработать на основе полученных экспериментальных и расчетных данных математическую модель КИН;
создать БТС для проверки адекватности расчетных результатов и провести ускоренные испытания поршней на термостойкость в условиях циклового нагружения;
выявить, сформулировать и описать закономерности изменения скоростей развития усталостных трещин в зависимости от эксплуатационных и конструктивных факторов;
разработать расчетно-экспериментальную методику прогнозирования долговечности поршня при наличии трещины в кромке КС.
Методы исследований. Поставленная в работе цель достигалась с помощью МКЭ, компьютерного моделирования и программ Pro/ENGINEER, Solid-Works/CosmosWorks, Ansys Mechanical, MATLAB, Statistica, Microsoft Visual Studio, а также результатов экспериментальных исследований. Экспериментальная часть работы заключалась в проверке соответствия результатов, полученных по разработанной методики, с экспериментальными данными, полученными на созданном БТС.
Научная новизна работы заключается в:
предложенной комплексной методике прогнозирования термоусталостной долговечности, включающей расчет остаточного ресурса поршня с полуоткрытой КС при наличии трещин на поверхности кромки;
выявленных закономерностях изменения вдоль фронта трещины полей напряжений и деформаций в зависимости от условий нагружения, а также длины трещины;
разработанной математической модели КИН, учитывающей действие давления газов, температурного перепада, длины трещины и геометрических размеров поршня;
разработанном методе определения критической длины трещины.
Достоверность и обоснованность научных положений работы обуславливается:
применением уравнений механики твердого тела для анализа особенностей процессов усталостного разрушения;
использованием сертифицированных средств измерений и оборудования, а также апробированных компьютерных программ;
подтверждением расчетных результатов экспериментальными данными и совпадением численных решений с имеющимися данными других исследователей.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
комплексная методика прогнозирования долговечности поршней, включающая расчет долговечности при наличии трещин на поверхности кромки КС;
метод определения критической длины трещины;
математическая модель КИН в поршне при действии перепада температур на поверхности КС и давлении газов.
Практическая ценность исследования заключается в том, что предложенная расчетно-экспериментальная методика позволяет прогнозировать усталостную долговечность поршней при наличии трещины и минимизировать отказы по усталостным разрушениям. Создан комплекс программ, позволяющий проводить расчеты КИН для конструкций поршней различной геометрической формы. Создан БТС, позволяющий проводить испытания поршней на термостойкость в условиях циклового нагружения.
Реализация работы. Полученные в работе результаты переданы в ООО «Владимирский моторо-тракторный завод» и в ОАО АК «Туламашзавод» для применения при проектировании поршней, а также включены в учебный процесс для проведения занятий по курсу «Конструирование ДВС» на кафедре
-3-«Тепловые двигатели и энергетические установки». БТС используется для проведения лабораторных занятий на той же кафедре.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы докладывались на: аспирантских семинарах кафедры ТДиЭУ ВлГУ в 2005, 2008 г.г., международных научно-технических конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования двигателей» (Владимир, ВлГУ, 2005,2009 г.), «Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы» (Санкт-Петербург, 2009), Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение - 2009» (Москва, МАМИ, 2009 г.), Ш-й Всеукраинской научно-технической конференции «Сучасні проблеми двигунобудування: стан, ідеї, рішення» 21-22 травня 2009 року. Украина, Первомайськ, 2009; «Актуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств» (Владимир, ВлГУ, 2009).
Публикации. Результаты работы опубликованы в 9 печатных статьях, две из которых входят в перечень журналов, рекомендуемых ВАК РФ. Одна статья опубликована за рубежом.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и 4 приложений. Общий объем работы составляет 172 страницы машинописного текста, 92 рисунка, 22 таблицы и приложение на 27 страницах. Список литературы включает 136 наименований работ отечественных и иностранных авторов.
Критерии разрушения теплонапряженных деталей и обзор методик оценки долговечности поршней
Наиболее распространенным методом снижения температуры поршня является применение галерейного масляного охлаждения. Согласно исследованиям А.Н.Гоца, В.К.Фомина, СВ. Папонова и Б.К. Балюка [52,24], с введением охлаждающей полости, которая должна иметь определенную форму и ориентацию по отношению к КС, температурное поле поршня характеризуется уменьшением плотности теплового потока. При этом расстояние от поверхности масляной полости до поверхности поршня должно быть равномерным, так как это позволяет уменьшить концентрацию напряжений в кромке поршня.
С помощью такого способа удается снизить температуру в области кромки горловины КС примерно на 23 С, верхнего компрессионного кольца - примерно на 34 С, сечения торцевой кромки днища-примерно на 40С и днища КС - примерно на 27 С. Введение охлаждаемых полостей ослабляет сечение поршня в районе его головки в зависимости от формы поперечного сечения полости охлаждения. Кроме снижения температур поршня, достигаемое при введение полостей охлаждения, применение галерейного охлаждения влечет за собой увеличение температурных напряжений, которые существенно зависят от формы КС. К недостаткам использования галерейного масляного охлаждения можно отнести ускорение процессов старения масла. В связи с недостатками этого метода, альтернативным решением является ограничение подвода тепла к стенкам КС.
Ограничение подвода тепла к поршню с помощью теплозащитных покрытий (ТЗП), наносимых на днище газоплазменным, детонационным и электродуговым способами, является одним из направлений повышения термостойкости поршней [106].
Теплоизолирующие материалы должны обладать малой теплопроводностью, хорошей жаростойкостью и сцеплением с материалом детали, способностью выдерживать механические и тепловые удары. К таким материалам относят двуокись циркония, окись алюминия, окись магния. На кафедре ДВС ЛПИ с помощью технологии ЦНИДИ и при использовании плазменной установки УМП4-64 была исследована эффективность теплопроводных покрытий. При толщине теплоизоляционного покрытия 0,5 мм обеспечивалось понижение максимальной температуры на 10%, а температурного перепада в осевом направлении на 18%. Проблемой этого метода является обеспечение прочного сцепления теплоизолирующего материала с основным материалом. Кроме этого, увеличение температуры стенок КС при их теплоизоляции способствует выгоранию сажи и окислению СО, приводя одновременно к увеличению выхода окислов азота [108]. Для дизелей, в качестве тепловосприни-мающей поверхности и естественной теплоизоляции, характерно образование нагара. Нагар по сравнению с металлами имеет очень низкий коэффициент теплопроводности. Например, слой нагара в 1мм равен, по теплофизиче-ским свойствам, приблизительно 400 мм стали [42].
Еще одним из способов повысить термостойкость поршней, является применение новых материалов. Наиболее распространенными материалами поршней ДВС являются сплавы системы Al-Si-Cu-Ni. Это такие сплавы как АК4, АК4-1, АЛ25,АЛ30, АК21М2 и другие [16,19,29,99,109].
В настоящее время качество литых алюминиевых поршней заметно ухудшилось, что подтверждают проведенные исследования [96]. Установлено низкое качество алюминиевых литых поршней, выпускаемых в настоящее время. Основными выявленными дефектами являются: несоблюдение химического состава поршневых сплавов; высокая ликвация легирующих элементов в отливках поршней; некачественная модификация и дегазация поршневых сплавов.
Прочностные свойства алюминиевых сплавов могут быть повышены с помощью циклической обработки температурой [59,67,109]. Такая обработка представляет собой закалку, в которой выдержка при высокой температуре заменена циклическими нагревами и охлаждениями в определенном интервале температур. Таким образом, можно достичь значительного увеличения количества циклов до появления трещин [103,107].
Технология изготовления во многом определяет физико-механические свойства материалов, поэтому при подборе материалов поршней под соответствующие условия работы необходимо учитывать способ изготовления.
Проведенные ускоренные испытания в МАМИ поршней на термоциклическую стойкость на автоматизированной установке, состоящей из поршня, индуктора и элементов системы охлаждения, еще раз подтверждают преимущества поршней изготовленных с помощью изотермической штамповки. При нагреве до 350 С и охлаждении до 20 С, трещины на литых образцах возникают через меньшее количество термоциклов (табл. 2) [90].
Для изготовления поршневой группы, перспективно применение композитных материалов с полимерной матрицей и наполнителем из углеродного волокна углепластиков. По удельной жесткости они превосходят в 3,5 раза стеклопластики. Наиболее важным достоинством углепластиков в качестве конструкционного материала является высокий предел выносливости. После 107 циклов знакопеременных нагрузок углепластик сохраняет 80% своей исходной прочности против 30 % для стеклопластика, 52 и 55% соответственно для титановых и алюминиевых сплавов. Конструкционное применение углепластиков вместо алюминиевых сплавов обеспечивает в среднем снижение массы на 25-30% и повышение ресурса работы деталей в 1,5-3 раза при значительном сокращении трудоемкости в изготовлении [98].
Исследования термостойкости поршней путем определения числа циклов термоциклического нагружения ( с 350С до 20 С) до появления сквозной трещины в днище показали, что по термостойкости штампованные поршни в 3 раза превосходят литые. Введение в матрицу поршневого алюминиевого сплава дискретного волокнистого наполнителя позволяет повысить термостойкость поршней в 4-5 раз [96].
Тем не менее, в качестве материала, используемого при серийном производстве поршней тракторных дизелей с КС типа ЦНИДИ, часто используется поршневой сплав АЛ25, полученный с помощью литья в землю, поскольку это один из самых доступных и простых по технологии способ изготовления. Поэтому в диссертационной работе будет использоваться поршневой алюминиевый сплав АЛ25.
Обзор методов повышения термостойкости показал что, наиболее простой метод - метод, предполагающий изменение геометрии поршня. Использование новых материалов, несомненно, также один из наиболее эффективных вариантов.
Определение коэффициента интенсивности напряжений для трещины в кромке камеры сгорания поршня
БТС находят все большее применение для исследования теплонапря-женного состояния поршней и других деталей, образующих КС двигателя. Это объясняется удобством проведения необходимых измерений при термо-и тензометрировании поршня, и возможностью с удовлетворительной точностью моделировать тепловое состояние исследуемых деталей.
Обзор БТС позволят классифицировать установки по используемым источникам теплоты: электрические и физико-химические, а по характеру на-гружения стационарные и динамические. Наибольший интерес представляют стенды, имеющие возможность воспроизводить нестационарное тепловое на-гружение поршня близкое к реальному, при работе двигателя на переходных режимах. Так, стенд, созданный в лабораториях фирмы " Wellworthy " [121] для исследования ТНС поршней имеет камеру сгорания со стенками из огнеупорного кирпича, в которой сжигается пропан. Для интенсификации процесса горения в камеру подается воздух или кислород. Производительность установки - до 400 000 кДж/ч.
Наиболее совершенными стендами данного типа являются стенды фирмы SEMT [64] для определения ТНС деталей, образующих КС дизеля РС-3. Стенд фирмы SEMT оборудован системами, регулирующими интенсивность охлаждения поршня за счет изменения расхода воды в зарубашечном пространстве и масла в масляной системе охлаждения поршня. Источником теплоты является горелка производительностью до 100 000 кДж/ч. Большим разнообразием конструкций отличаются БТС, использующие электрические источники теплоты: индукционный нагрев токами высокой частоты, электронагревательные элементы (электрические спирали, силито-вые стержни) и радиационный нагрев от галогеновых ламп.
Индуктивный нагрев деталей в электромагнитном поле высокой частоты обеспечивает высокие температурные градиенты по поверхности и толщине детали, возможность получения удельных мощностей (до 4 000 кВт/м ) и высокую скорость нагрева в поверхностном слое детали (до 100...200 С). Реализация этого способа нагрева в основном затруднена сложностью регулирования скорости нагрева по толщине поршня, что приводит к искажению его температурного поля по сравнению с реальным. К недостаткам можно отнести также сложность и громоздкость экспериментального оборудования.
Электронагревательные элементы (электрические спирали, силитовые стержни), напротив, отличаются высокой инерционностью, что ограничивает их применение при моделировании переходных процессов. Использование таких элементов целесообразно при испытании поршней на стационарных режимах. БТС с электронагревательными элементами используют различные способы теплопередачи. Так на стенде, созданном фирмой "Murrles" для исследования ТНС поршней, в качестве теплопередающей среды используется припой, в который погружены электрические нагреватели. Для интенсификации теплопередачи применяется мешалка. Поршень помещен в стандартную гильзу, охлаждаемую водой, внутренняя полость поршня охлаждается маслом. Аналогичный способ теплопередачи используется на стенде фирмы " Mahle" для исследования ТНС поршней из легких сплавов. Охлаждение поршня осуществляется за счет обдува воздухом.
Недостатком этого способа теплопередачи является невозможность организовать необходимое распределение теплового потока по радиусу днища. На стенде, разработанном на Брянском машиностроительном заводе для исследования ТНС поршней судовых дизелей используется радиационный нагрев от электрического нагревателя суммарной мощностью 75 кВт. Нагревательные элементы расположены концентрически и имеют независимое питание, что позволяет в определенной мере распределять тепловой поток по днищу поршня. В настоящее время в конструкциях БТС большое распространение получили галогенные лампы. Использование таких нагревателей дает ряд преимуществ: - их к.п.д. достигает 60%, что значительно выше к.п.д. нагревателя со сжиганием жидкого топлива, к.п.д. которого находится на уровне 3%; - галогенные лампы имеют оптимальную инерционность, что позволяет на стенде моделировать нестационарные режимы; - в схеме электроснабжения стенда легко осуществить регулирование напряжения на клеммах каждой лампы или группы ламп, что позволяет организовать необходимое распределение теплового потока по поверхности днища поршня. Например, БТС, созданный ЦНИИ МПС [1] имеет нагревательное устройство, в котором используются лампы марки КИ 220-2000-4, суммарной мощностью 42 кВт. Лампы расположены в два ряда (первый ряд - 11 ламп, второй ряд - 10 ламп) параллельно друг другу. Корпус нагревателя охлаждается водой, выполнен он из алюминиевого сплава марки АМГ, отражательные свойства которого близки к серебру, отражающая поверхность нагревателя отполирована. Во время работы при помощи термопар осуществляется контроль теплового состояния корпуса. Стенд предназначен для испытания поршней и головок цилиндров дизелей на стационарных режимах и снабжен масляной системой охлаждения поршней и водяной системой охлаждения крышки. Аналогичную конструкцию имеет стенд, созданный в МГТУ им. Баумана. К недостаткам этих стендов можно отнести то , что они позволяют проводить испытания поршней на стационарных режимах. Наибольший интерес представляют стенды, созданные в МАМИ и ХПИ. Эти стенды позволяют проводить длительные ресурсные испытания поршней на нестационарных режимах, что стало возможным благодаря ряду оригинальных конструктивных решений и использованию системы автоматического управления режимами нагружения.
Анализ теплового напряженно-деформированного состояния поршня
Экспериментальные исследования проводились с целью определения числа циклов, после которых возникала трещина длиной 0,5...1 мм, поршней двигателя Д-240, а также выявления скорости развития трещины в поршне.
Задачами экспериментальных исследований являлись: - экспериментальное определение числа циклов до появления усталостной трещины, приводящей к разрушению кромки КС; - изучение особенностей развития трещин в кромке КС; - выявление зависимости скорости распространения трещин от количества циклов нагружения; - установление адекватности предложенной методики оценки долговечности, используемой при расчете поршня МКЭ. Экспериментальные исследования термоусталостной прочности головок поршней с КС типа ЦНИДИ. Для исследований выбирался комплект поршней: один поршень из комплекта использовался для тщательного термометрирования (это необходимо было для определения интервалов цикла нагружения), а остальные поршни использовались для изучения термоусталостной прочности и развития трещин. В качестве оценочных параметров при определении теплового состояния были выбраны температуры, возникающие в непосредственной близости к кромке КС, а также на огневой поверхности поршня. Напряженное состояние в зоне кромки КС определялось скоростью изменения и размахом температур, возникающим в ходе цикла термонагружения [17]. Целью эксперимента являлось определение момента возникновения трещины, и поэтому при выборе экспериментального образца было наиболее рационально использовать не весь поршень, а лишь его головку (рис.4.1), являющейся основным элементом, подвергающимся термоциклическим разрушениям. Образцы поршней нагружались на созданном БТС для испытаний на термоусталостную прочность. Контроль нагружения осуществлялся по показаниям термоэлектрических преобразователей (термопар). С целью сокращения времени эксперимента и интенсификации процессов накопления повреждений и увеличения уровня напряжений, возникающих в ходе термоциклирования, был выполнен ряд - увеличить частоту приложения нагрузки на поршень (сокращение времени цикла нагружения); - увеличение диапазона температур между минимальным и максимальным значением температуры цикла нагружения; - увеличение радиального перепада температуры по днищу поршня с помощью локального охлаждения кромки КС; Кроме того, днище поршня было сточено таким образом, чтобы кромка КС имела радиус 0,5+0,1 мм. По закону изменения температуры поршня можно судить о приближенности процесса моделирования к реальным условиям работы. Таким образом, в ходе отладочного запуска были установлены временные интервалы для нагрева и охлаждения поршня. Эти временные интервалы определялись на препарированном термопарами образце поршня. Термопары были установлены на глубине 1-2 мм от кромки камеры сгорания, что позволило достаточно точно судить об изменении ее температуры. Все последующие образцы поршней имели по две термопары, установленные на диаметре 080 мм (10 мм от боковой поверхности поршня). Это обеспечило контроль процесса термоциклирования для последующих образцов. На рис.4.2 показаны схема заделки термопар, а на рис.4.3 препарированный образец поршня. R=0.5max Важным пунктом, позволяющим решить поставленную задачу, является физическое моделирование температурных полей в поршне. Такое моделирование, возможно, осуществить при достаточно точном контроле температуры поршня. Наиболее простой и доступный способ измерения температуры в исследуемом диапазоне температур подразумевает использование термоэлектрических преобразователей (термопар), кроме того, еще одним несомненным преимуществом термопар перед резистивными термопреобразователями является нулевое выходное сопротивление, благодаря которому снижаются емкостные наводки на датчик и соединительные провода [15,51,56,79,82,84]. Предварительно изготовленные термопары были тарированы. Запись результатов термометрирования производилась на автоматическом потенциометре КСП-6. Кроме потенциометра, для регистрации изменения температуры использовался цифровой милливольтметр. Регистрацию изменения длины трещин проводили с помощью лабораторного микроскопа МБП-ЗМ. Исследование проводились в лаборатории кафедры «ТД и ЭУ» ВлГУ на БТС. Созданный БТС состоит из следующих узлов и систем (рис.4.4): - газовая система, которая содержит газовый баллон со сжатым газом, установленный в жестком каркасе, а также понижающий редуктор и регулятор расхода газа; - механизм перемещения поршней, который включает мотор-редуктор и тележку с поршнем, которые соединены с помощью системы рычагов; - система водяного охлаждения, представляющая собой распылитель и электромагнитный клапан, который управляется автоматически; - система электроснабжения, состоящая из источника питания, который обеспечивает стабилизированным напряжением мотор-редуктор и электромагнитный клапан; - система автоматического управления, которая состоит из блок-реле, персонального компьютера и программы управления. Схема БТС показана на рис. 4.4. Все перечисленные системы смонтированы на жестком основании. БТС, принцип работы которого изложен далее, позволяет задавать произвольный по продолжительности режим термоциклического нагружения поршня. При этом исследуемый образец, помещенный на тележку, положение которой изменяется по циклическому закону с течением времени, подвергается неизотермическому термоциклическому нагружению. В полуцикле нагрев осуществляется «нагрев» со стороны камеры сгорания газовым пламенем, а в полуцикле «охлаждение» осуществляется его охлаждение с помощью водяного тумана, создаваемого распылителем.
Проверка предлагаемой методики по результатам эксперимента
Несмотря на качественное подобие реальных и смоделированных процессов, проведенные безмоторные испытания можно отнести к ускоренным испытаниям [22].
При ускоренных испытаниях на долговечность широко используют коэффициенты ускорения по наработке и по времени. Коэффициент ускорения — величина статистическая, зависящая от рассеяния показателей долговечности испытываемого изделия [3].
Моторный эксперимент проводился методом ускоренных испытаний без изменения эксплуатационных режимов. Принцип формирования испытаний - уплотнение наиболее нагруженных режимов за счет полного использования календарного времени. Если двигатель в условиях эксплуатации работает в основном на частичных режимах, то длительность испытаний его на долговечность можно уменьшить путем смены характера случайного рассеяния нагружения и условий работы, характерных для эксплуатации. Для этого был выбран 6-минутный цикл с условиями резкого изменения теплового, скоростного и нагружающего режимов работы двигателя. Схема, иллюстрирующая режим термоциклических испытаний на моторном стенде, представлена на рис.4.16.
Таким образом, за время цикла переменных нагружений, мощность изменялась от нуля на холостом ходу до номинальной, и наоборот. Коэффициент Кш, представляющий собой коэффициент ускорения по наработке, зависит от различий между режимом эксплуатации и испытаний. Анализ результатов эксплуатационных и стендовых испытаний показал, что ресурс двигателя 6000 моточасов эквивалентен 7500 циклам нагружения (3000 часов). Это обеспечивает разрушение кромок КС поршней вследствие усталости до 480...490 часов. То есть, коэффициент ускорения по наработке моторного эксперимента определим, как Кінм=6000/3000=2.
Поскольку результаты безмоторного эксперимента должны трактоваться как результаты ускоренных испытаний, необходимо произвести оценку коэффициента ускорения. При проведении безмоторного эксперимента использовались методы испытаний деталей двигателя при ужесточении режимов нагружения по сравнению с эксплуатационными, подобно тем, что используют Cummins, Ley land, Comatzu. Приведем основные мероприятие, которые позволили ускорить процесс накопления повреждений и соответственно образование трещин в кромке КС поршня: 1. Увеличение частоты нагружения по сравнению с моторным экспериментов. Если при проведении моторных испытаний использовался цикл продолжительность, которого составила 300 секунд, то на БТС длительность цикла была уменьшена до 42 секунд, то есть в 300/42=7,2 раза. Это было возможно благодаря высокой энергоемкости водяного тумана, по сравнению с воздушным зарядом на впуске у ДВС. 2. Расширение границ температурного цикла нагружения хотя и присутствовало, но оценить его влияние на коэффициент ускорения достаточно проблематично. Скажем лишь то, что на моторном стенде температура кромки КС поршня изменялась в пределах 250...360 С, тогда как на БТС это диапазон был (при максимальном разбросе показаний терморегистрирующих приборов) расширен до 200.. .385 С. 3. Увеличение перепада температуры в теле поршня с помощью применения направленного теплоотвод от поверхности. Это позволило увеличить температурный перепад с 75 С до 100 С. 4. Уменьшением радиуса закругления кромки КС с 1,5 мм до 0,5 мм. 5. К тому же, стоит отметить отличие в скорости изменения температуры кромки КС при нагреве и охлаждении. Если для моторного эксперимента скорость изменения температуры при нагреве составляла 1..2 С и 4...5 С при охлаждении, то на БТС эти показатели равнялись, соответственно 3... 5 С и 40... 50 С. Несомненно, главным отличием практически большинства БТС для исследования ТНДС поршней, являлось отсутствие газовых сил. При исследовании остаточного ресурса поршней газовые силы необходимо учитывать, поскольку они вносят существенный вклад в развитие трещины. Отличие результатов, полученных в ходе моторного и безмоторного эксперимента, отображено на рисунке 4.17, и оно заключается в отличие углов наклона линий, представляющих скорость роста трещин при действии температурной нагрузки и при совестном действии газовых сил и температурного перепада. Отличие углов наклона осі и сс2 представляет собой вклад газовых сил в развитие трещины. При эксперименте на безмоторной установке исследовались поршни с геометрическими параметрами близкими к вариантам б) и е) моторного эксперимента, отличающиеся лишь радиусом скруглення кромки КС. Для моторного эксперимента график представляет зависимость для поршня варианта б), а для безмоторного варианта - зависимость характерную для такого же поршня, но с радиусом скруглення кромки КС равным 0,5 мм. Сдвиг по оси абсцисс кривых относительно друг друга обозначен на графике 4.17 как dN Это смещение обусловлено рядов вышеперечисленных мероприятий, направленных на ускорение процессов зарождения и распространения трещин. Анализ моторных испытаний . показал, что для поршня с геометрическими характеристиками, соответствующими рис.4.14-6 момент возникновения трещин длиной 0,5... 1 мм на кромке КС составляет 4850±100 циклов нагружения. Анализ результатов, проведенных на БТС, дает значения 675±152 циклов нагружения (см.гл.4.9). Таким образом, коэффициент ускорения по наработке безмоторного эксперимента КІНБ = 6,5.. .8,0. Таким образом, имея коэффициенты ускорения моторного и безмоторного эксперимента попытаемся выразить интегральный коэффициент ускорения КШСУММ- Возможно, что он будет представлять собой ни что иное, как произведение указанных выше коэффициентов, а именно.Таким образом, 1 час испытаний поршня по данному циклу термонагружения, можно сопоставить с 13...16 часами работы двигателя в условиях эксплуатации. Полученные результаты экспериментальных исследований согласуются с данными, приведенными в работах [7,38,70] и являются надежным критерием оценки истинности положения методики термоусталостной прочности поршней тракторных дизелей.
Похожие диссертации на Исследование и прогнозирование долговечности поршней двигателей внутреннего сгорания
