Введение к работе
Актуальность проблемы. Стремление увеличить производительность
машин ведет к повышению удельных мощностных показателей поршневых
двигателей, используемых в народном хозяйстве. Но их практическое
использование все более затрудняется вследствие возрастания
тешюнапряженности их деталей. Теплонапряженность обусловлена тем, что часть тепла, выделяющегося в объемах цилиндров при сгорании топлива, поглощается поверхностями деталей, ограничивающих эти объемы. При повышении мощности двигателей возрастают тепловые нагрузки и градиенты температур теплонапряженных деталей и увеличиваются термические напряжения, что отрицательно влияет на эксплуатационную надежность теплонапряженных деталей и двигателя в целом.
Повышение надежности работы крышек цилиндров связано в первую очередь со снижением температуры и перепадов температур в огневом днище, являющемся нагруженным элементом.
Для повышения усталостной прочности и долговечности цилиндровой крышки применяют технологический метод - поверхностное пластическое деформирование. Повышение долговечности упрочненной таким образом крышки достигается как за счет увеличения числа циклов нагружения до начала зарождения усталостной трещины, так и за счет уменьшения скорости ее развития до критических размеров. Увеличение продолжительности периода зарождения усталостной трещины обеспечивается при поверхностном пластическом деформировании повышением твердости (наклепа), а значит и предела усталостной прочности поверхностного слоя металла, наведением в нем остаточных напряжений сжатия и уменьшением шероховатости поверхности, являющейся концентратором напряжений.
Изложенное позволяет констатировать, что к сложной проблеме повышения эксплуатационной надежности цилиндровой крышки высокофорсированных автомобильных дизелей требуются принципиально новые подходы.
Актуальность еще больше возрастает в связи с разработкой и освоением в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» нового семейства дизелей типа ЧН21/21 рядной и V-образной модификаций. Вьшолненная работа является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы ЗАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0.13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию машиностроения и автомобильного двигателестроения.
Цель работы: повышение эксплуатационной надежности цилиндровых крышек технологическими методами путем снижения неравномерности результирующих напряжений.
На основании изучения состояния вопроса и предварительного анализа по
выбору перспективных путей повышения эксплуатационной надежности
цилиндровых крышек для достижения поставленной цели необходимо решить
следующие задачи:
-
Провести теоретические исследования процессов напряженности цилиндровых крышек и остаточных напряжений в условиях поверхностного пластического деформирования гидродробеструйной обработки.
-
Разработать методы и выполнить экспериментальные исследования механической и теплонапряженности, начальных остаточных напряжений в цилиндровых крышках высокофорсированных дизелей.
-
Разработать, внедрить в производство и эксплуатацию технологические методы повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей.
-
Определить технико-экономические показатели применения технологических методов для повышения эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей.
Объектом исследования являются цилиндровые крышки высокофорсированных дизелей ЧН21/21 ЗАО «Волжский дизель имени Маминых».
Предметом исследований являются процессы поверхностного пластического деформирования термонагруженных деталей машин.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования были проведены с использованием расчетно-аналитических методов теории теплопередачи, термоупругости, сопротивления материалов и метода конечных элементов. Экспериментальные методы исследований базировались: на электротензометрии, механических методах и приборе «ИОН-4М» при исследовании начальных остаточных напряжений после дифференцированной гидродробеструйной обработки крышек цилиндров и образцов-свидетелей.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к достижению поставленной цели, учитывающем:
разработку математической модели напряженного состояния цилиндровых крышек путем моделирования процесса температурного и механического нагружения применением объемных конечных элементов МКЭ;
- апробацию на практике методов поверхностного пластического
деформирования крышек цилиндров и образцов-свидетелей
дифференцированным гидродробеструйным упрочнением и ультразвуковой обработкой с теоретической оценкой начальных остаточных напряжений в поверхностном слое днища крышек цилиндров после поверхностного пластического деформирования.
Практическая ценность. Предложенный метод дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности днища цилиндровой крышки повышает эксплуатационную надежность путем снижения неравномерности результирующих напряжений по сечениям днища в 5-5,5 раз. После обработки цилиндровой крышки ультразвуковыми колебаниями начальные остаточные напряжения в поверхностном слое огневого днища уменьшаются со 180-340 МПа до 0-15 МПа и стабилизируются во времени.
Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом №НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 2000-2004г., выполняемых на кафедре «Технология и автоматизация
машиностроения» БИТТУ СГТУ по направлению «Разработка научных основ повышения эксплуатационной надежности машиностроительных изделий конструкторско-технологическими методами»
Реализация результатов работы. В ЗЛО «Волжский дизель им. Маминых» и других организациях серийно внедрен комплекс мероприятий но повышению эксплуатационной надежности высокофорсированных автомобильных дизелей технологическими методами.
Результаты выполненных в работе исследований и разработок напит отражение в нормативных материалах по автомобильному дизелестроению, в технологических отчетах ЗАО «Волжский дизель им. Мамипых». По мере разработки они были применены при проектировании, совертпенствовапии и эксплуатации нескольких поколений автомобильных высокофорсированных дизелей, созданных в ЗАО «Волжский дизель им. Маминых», в каждом го которых был достигнут высокий технологический уровень и эксплуатационная надежность, включая модификации, отмеченные государственными премиями, аттестованы на высшую категорию качества и поставлены в ряд зарубежных стран (Иран, Ирак, Алжир, Куба, Йемен, Эфиопия и др.).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на V Российской научной конференции «Векторная энергетика в
технических, биологических и социальных системах» (Балаково, 19-22.11.2002
г.);
- на Международной научно-практической конференции «Современные
проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе» (Москва, 16-
18.12.2002 г.);
на Межгосударственном научно-техническом семинаре по ДВС (Саратов, 22-23.05.2003 г.)
на VI Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 26-27.02.2003 г.);
на VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 28-
29.05.2003 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ. Общий объем публикаций составляет 3,6 пл., в том числе 1,5 п.л. принадлежит лично автору.
На защиту выносятся:
- зависимости показателей эксплуатационной надежности цилиндровых
крышек высокофорсированных дизелей от наработки;
результаты теоретических исследований по определению основных закономерностей напряженного состояния огневых днищ ггалиндровых крышек от действия механических и температурных нагрузок на основе базового метола конечных элементов;
результаты экспериментальных исследований по изучению влияния остаточных напряжений от поверхностного пластического деформирования на общее суммарное напряженное состояние огневых днищ цилиндровых крышек;
- технология поверхностного пластического деформирования образцов-свидетелей и деталей дифференцированным гидродробеструйным упрочнением и ультразвуковой обработкой.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы. Диссертационная работа содержит 139 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 32 таблицы, библиографию из 107 наименований.
Похожие диссертации на Повышение эксплуатационной надежности цилиндровых крышек высокофорсированных дизелей технологическими методами
