Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 11
1.1. Анализ напряженного состояния головок блоков цилиндров дизелей 11
1.1.1. Остаточные напряжения 15
1.1.2. Монтажные напряжения 17
1.1.3. Рабочие напряжения 18
1.1.4. Термические напряжения 18
1.2. Механизм образования трещин в огневом днище 21
1.3. Способы повышения надежности головок блоков цилиндров 30
1.3.1. Остаточные напряжения и монтажные напряжения 30
1.3.2. Термические напряжения 31
1.4. Способы восстановления головок блоков цилиндров дизелей 37
1.5. Цель и задачи исследования 45
Выводы по разделу 45
2. Разработка математической модели теплонапряженности огневого днища гбц и теоретическое обоснование способа повышения их долговечности 48
2.1. Теоретическое обоснование способа повышения долговечности ГБЦ .. 48
2.2. Выбор метода и программы расчета 56
2.3. Основные структурные принципы 60
2.3.1. Связь напряжений с деформациями 62
2.3.2. Температура — связь с коэффициентом теплового расширения 67
2.3.3. Вывод структурной матрицы 70
2.4. Математическая модель теплонапряженности огневого днища... 74
2.4.1 Определение граничных условий на основных поверхностях модели 80
2.4.2 Состав поверхностей расчетной модели огневого днища, требующих задания граничных условий 84
2.4.3. Граничные условия на тепловоспринимающей поверхности днища головки цилиндров 88
2.4.4. Граничные условия на охлаждаемых поверхностях днища и стакана форсунки 94
2.4.5. Граничные условия на внутренних поверхностях каналов газораспределения 98
2.4.6. Граничные условия на рабочих фасках гнезд клапанов 99
2.4.7. Граничные условия на торцах газовых каналов 101
2.4.8. Силовые граничные условия 101
Выводы по разделу 102
3. Общая методика исследований :... 104
3.1. Методика сбора информации по головкам и крышкам цилиндров и их статистическая обработка 104
3.2. Методика определения температурных напряжений на тепловоспринимающей поверхности огневого днища 106
3.2.1. Методика и результаты экспериментального определения температур огневого днища головки цилиндров 107
3.2.2. Оптимизация математической модели огневого днища 110
3.3. Методика лабораторных испытаний 110
3.4. Методика обработки экспериментальных данных 115
3.5. Методика стендовых испытаний 116
3.6. Методика эксплуатационных испытаний 121
4. Обоснование конструктивных параметров деконцентраторов напряжений в ГБЦ, повышающих надежность и эффективность дизеля в эксплуатации.. 122
4.1. Результаты расчетов полей напряжений и температур 122
4.2. Анализ результатов расчетного определения температур и напряжений в огневом днище серийной головки цилиндров 126
4.3.Оценка сходимости расчетных данных 135
4.4. Особенности размещения деконцентраторов напряжений на огневом днище головок блока цилиндров 138
Выводы по разделу 154
5. Лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания экспериментальных головок и крышек цилиндров дизелей 155
5. 1. Лабораторные исследования 155
5.2. Результаты стендовых испытаний 166
5.3. Результаты эксплуатационных испытаний 167
Выводы по разделу 169
6. Обоснование технико-экономической эффективности предлагаемого способа повышения долговечности головок и крышек цилиндров дизелей, применительно к ремонтному предприятию 171
6.1. Технологический процесс 171
6.2. Экономическое обоснование 172
6.3. Экономическая эффективность ГБЦ с деконцентраторами напряжений при эксплуатации 176
Выводы по разделу 178
Общие выводы. 179
Список литературы
- Анализ напряженного состояния головок блоков цилиндров дизелей
- Теоретическое обоснование способа повышения долговечности ГБЦ
- Методика сбора информации по головкам и крышкам цилиндров и их статистическая обработка
- Анализ результатов расчетного определения температур и напряжений в огневом днище серийной головки цилиндров
Введение к работе
Одним из важнейших направлений в развитии сельского хозяйства является механизация всех видов сельскохозяйственных работ, основой которой служат мощные высокопроизводительные трактора.
Более 80 % всех сельскохозяйственных операций выполняется тракторами и сельскохозяйственными машинами, энергетическим элементом которых является двигатель внутреннего сгорания. Наиболее эффективными двигателями внутреннего сгорания являются дизели. В сельском хозяйстве широко используются А-41, А-01М, а также высокофорсированные дизеля ЯМЗ-238НБ, ЯМЗ-240Б. Современный дизель должен удовлетворять следующим основным требованиям: повышенная мощность и надежность, малая металлоемкость, и малый удельный расход топлива.
Однако, как показывает практика, надежность и экономичность сельскохозяйственной техники, находящейся в эксплуатации, не отвечает современным требованиям. За последнее время количество тракторов сократилось более чем на 460 тыс. единиц. Существующий машинотракторный парк лишь на 50-60% удовлетворяет потребности сельского хозяйства в технике. В связи с этим резко возросла нагрузка на технику, находящуюся в эксплуатации. Дефицит запасных частей и их дороговизна привела к сокращению объемов капитальных ремонтов дизелей. В связи с этим большая часть эксплуатируемых дизелей имеет повышенный расход топлива (на 15-25 %), пониженную мощность на (12-27 %). Важным резервом повышения эффективности использования ремонта техники, экономии материальных и сырьевых ресурсов (агрегатов и узлов) является повышение долговечности на основе улучшения существующей технологии ремонта.
Увеличение нагрузки, повышенная мощность, а также снижение металлоемкости приводит к перегреву отдельных деталей камеры сгорания, в частности, к перегреву головок блока цилиндров (ГБЦ), что снижает их долговечность. Обследование ремфонда дизелей ЯМЗ в Саратовской области показало, что наиболее характерным дефектом деталей, образующих камеру
7 сгорания, являются термическая деформация привалчной плоскости (100%), которая приводит к образованию термоусталостных трещины в ГБЦ (85 %).
Актуальность темы. Установлено, что причиной возникновения трещин на тепловоспринимающей поверхности ГБЦ является термическая деформация, которая возникает из-за циклической смены температурных режимов. Эти трещины, получившие название термоусталостных, приводят к потере мощности, снижению работоспособности дизеля и являются причиной выбраковки ГБЦ.
Исследованиями в области температурных напряжений, а так же способами повышения надежности ГБЦ и повышением термоусталостной прочности занимаются такие ученые как Г. Д. Межецкий, С. П. Косырев, В. А. Стрельников, В. В. Чекмарев, А. С. Орлин, Н. Д. Чайнов, Б. А. Взоров, Е. В. Исаев, А. Е. Яковишин, Л. Г. Милынтейн, А. К. Костин и многие другие. Среди зарубежных авторов можно отметить: Р. Бертодо, Т. Картера, И. Алькока, М. Хайлига, и других. Все работы в основном нацелены на оптимизацию конструкции головок и крышек цилиндров дизелей, на организацию системы эффективного охлаждения, используемой в новых головках. Лишь немногие работы посвящены вопросам повышения надежности и термоусталостной прочности ГБЦ в процессе эксплуатации.
Существующие способы восстановления ГБЦ дизелей (пайка, различные способы заварки, постановка фигурных вставок, штифтовой способ) нельзя признать удовлетворительными. Применение их не повышает термоусталостную прочность ГБЦ и значительно увеличивает стоимость ремонта. Долговечность деталей, восстановленных вышеперечисленными способами, составляет 50-60 % от ресурса новой ГБЦ. При применении этих способов восстановления не решается основная проблема термоусталостной прочности - неравномерность нагрева по поверхности огневого днища в процессе эксплуатации дизеля и, как следствие, релаксационная деформация в межклапанной перемычке. При охлаждении в области межклапанной перемычки по-
8 являются напряжения растяжения, которые повышаются вместе с увеличением деформаций в процессе эксплуатации дизелей.
Следует также отметить такие способы, как армирование форсуночного отверстия теплопроводной втулкой и замена огневого днища, которые показали повышение термостойкости ГБЦ. В силу своей высокой трудоемкости и сложности операций реализация этих способов ограничена.
В следствии этого, в диссертации решалась научная задача, заключающаяся в теоретическом прогнозировании снижения деформаций и напряжений в ГБЦ при эксплуатации, и определялись пути повышения долговечности при их ремонте с учетом снижения трудоемкости на выполняемые работы.
Актуальность работы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с региональной научно-технической программой развития Саратовской области по выполнению научного направления 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в Агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года»^» гос. регистрации 6400052004/ и комплексной темы № 5.2.1 НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» имени Н.И. Вавилова «Повышение долговечности корпусных деталей и деталей газораспределения дизелей».
Цель работы. Повышение долговечности головок блока цилиндров дизелей при восстановлении путем применения деконцентраторов напряжений.
Объект исследования - головки цилиндров дизеля ЯМЗ-240Б.
Предмет исследования - теплонапряженность огневого днища головок и крышек цилиндров.
Методика исследований использует современные методы расчета и измерительные приборы. Для измерения глубины трещин применялся элек-тро-потенциальный дефектоскоп ЭПД-6, для измерения деформаций прива-лочной плоскости - индикатор часового типа со скобой, для контроля температуры при испытании на термоусталостную прочность - прибор «Digital Multimeter DT 838» и хромель-алюмелевая термопара. Моделирование тем-
9 пературных напряжений, их оптимизация и обработка результатов эксперимента осуществлялись на современных ПЭВМ.
Научная новизна работы заключается в предложенном автором методе снижения теплонапряженности и поверхностных деформаций огневого днища ГБЦ при эксплуатации на основе новой технологии, повышающей долговечность ГБЦ. Научная новизна подтверждена положительным решением на выдачу патента по заявке на изобретение конструкции ГБЦ № 2003135826/06(038600).
Практическая ценность работы. На основании проведенных исследований теоретически обоснована и разработана новая технология восстановления ГБЦ методом деконцентраторов напряжений, способствующая снижению деформаций и напряжений ГБЦ, увеличению их долговечности, обоснована экономическая эффективность и целесообразность восстановления головок и крышек блока цилиндров.
Реализация результатов работы. Результаты исследований апробированы в ООО «Агрофирма Весна» Красноармейского района на пяти тракторах К-700А, на дизели которых установлены экспериментальные ГБЦ, что подтверждается актами.
На защиту выносятся научные положения:
Математическая модель теплонапряженности огневого днища головки цилиндров дизеля для расчета температурных напряжений методом конечных элементов.
Результаты математического моделирования температурных напряжений в огневом днище в процессе эксплуатации серийных и экспериментальных головок и крышек цилиндров дизелей.
Теоретическое обоснование применения деконцентраторов напряжений для снижения температурных напряжений и деформаций на огневом днище ГБЦ.
4. Экспериментальное подтверждение теоретических расчетов по снижению напряжений и деформаций в головках и крышках цилиндров дизелей при использовании деконцентраторов напряжений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку:
— на научно-технических конференциях профессорско-преподава
тельского состава и аспирантов СГАУ в 2001-2005 гг.;
-на международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.Ф. Ульянова. Секция «Технический сервис и электрификация сельского хозяйства». ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова». Саратов, 2005;
-на ежегодном международном постоянно действующем научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания», г. Саратов, 2001-2005 гг.;
- на расширенном заседании кафедры «Сопротивление материалов и
стандартизация» ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» 2005 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ. Общий объем публикаций составляет 1,18 печ. л., в соавторстве 0,72 печ. л., авторских - 0,49 печ. л., в том числе 1 работа в центральной печати.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, приложений, содержит 190 страниц машинописного текста, 78 рисунков, 12 таблиц, список литературы включает 102 работы.
Анализ напряженного состояния головок блоков цилиндров дизелей
Головки блока цилиндров отливают из серого (двигатели СМД и др.) и специального (двигатели ЯМЗ) чугунов. Она является многофункциональной сложно нагруженной деталью и из-за своей многофункциональности испытывает совокупность действующих в ней растягивающих, сжимающих и сложных напряжений. При работе дизеля головка блока подвержена действию высоких температур и температурных градиентов, окислительной среды, вибрации и знакопеременных нагрузок, обусловленных рабочим процессом дизеля. Помимо этого, головка испытывает действие остаточных литейных напряжений (из-за сложности отливок), напряжений, вызванных усилием предварительной затяжки шпилек при сборке.
Проведенные нами исследования дефектов головок блоков двигателей, поступивших в капительный ремонт показали, что у 100 % обследуемых головок обнаружена термическая деформация привалочной плоскости, 85 % головок блоков дизелей ЯМЗ-240Б имеют трещины в перемычках между гнездами клапанов и форсуночным отверстием [26, 46, 60], причем частота появления трещин в сторону гнезда впускного и гнезда выпускного клапана примерно равная. Так же следует отметить такие дефекты, как предельный износ клапанных гнезд, раковины на поверхности огневого днища и седлах клапанов, разрушение огневого днища при обрыве стержня клапана. Распределение дефектов в головках блоков дизелей ЯМЗ-240Б представлено на рис. 1.1. Из графика следует, что наиболее характерным дефектом для них является термическое коробление привалочной плоскости, которая в последствии приводит к образованию трещин на огневом днище головок блоков.
На рис. 1.2 показано распределение дефектов в головках блоков дизелей A-4I и А-01М. У всех осмотренных головок было обнаружено термическое коробление привалочной плоскости. Коробление привалочной плоскости приводит к накоплению остаточных напряжений в области межклапанной перемычки, а в последствии - к образованию и росту термических трещин. Согласно техническим требованиям на капитальный ремонт [7, 20, 58] трещины в этой зоне не допускаются. Поэтому головки блоков с такими трещинами должны выбраковываться.
Изучение дефектов показало, что трещины в межклапанных перемычках на огневом днище головок берут начало на поверхности камеры сгорания от отверстия под распылитель форсунки и проникают в днище головок на значительную глубину.
Характерно выраженные трещины в межклапанных перемычках головок блоков двигателей СМД-14 и ЯМЗ-240Б показаны на рис. 1.3 и 1.4. Для того, чтобы выяснить причины образования трещин на огневом днище, необходимо проанализировать напряженное состояние головок блоков цилиндров дизелей. На основании многофункциональности и сложности конструкции головки блока цилиндров можно выделить четыре основных вида напряжений: остаточные, монтажные, рабочие, термические.
Остаточные напряжения появляются в процессе отливки головок и крышек цилиндров и последующем неправильном режиме их охлаждения. Они являются растягивающими литейными напряжениями, максимальная величина которых на участках между клапанными гнездами, доходит до 90 МПа. Как правило, величина остаточных напряжений нестабильна и зависит от свойств металла, технологии отливки, конструкции детали, термической обработки и т.д.
Эти напряжения деформируют среднюю часть нижней и верхней при-валочных стенок головки, как правило, снизу вверх. Причины появления этих напряжений следующие: а) стенки с разной толщиной охлаждаются не равномерно; б) механическое препятствие свободной усадке металла, создаваемы ми литейной формой и стержнями; в) различная скорость протекания структурных превращений при ох лаждении в различных зонах отливки.
Величина остаточных напряжений нестабильна и может перераспределяться с течением времени.
Остаточные напряжения вызывают коробление отливок. Массовая проверка новых головок блоков цилиндров после хранения их на складах от нескольких дней до двух лет показала, что величина неплоскостности у них превышает заводской допуск на 50—120 % [31].
Проведенными исследованиями установлено, что в местах появления трещин на огневом днище наблюдаются значительные растягивающие остаточные напряжения, действующие перпендикулярно к направлению развития трещины. Растягивающие остаточные напряжения значительно снижают прочность детали при работе с переменными нагрузками [23].
После проведения механической обработки (фрезерование, шлифование, и т.д.) возникают значительные остаточные напряжения, величина которых может достигать 60-100 МПа. При механической обработке два основных фактора вызывают возникновение остаточных напряжений - пластическая деформация при силовом воздействии и нагрев верхних слоев в результате силового контакта [9] .Применение фрезерования при короблении головок блока цилиндров не снижает остаточные напряжения, а лишь выравнивает прива-лочную плоскость. Особенность этих остаточных напряжений состоит в том, что они действуют практически только в поверхностных слоях глубиной в несколько десятых долей миллиметра.
Теоретическое обоснование способа повышения долговечности ГБЦ
Для определения напряжений рассмотрим тепловоспринимающую поверхность огневого днища. Оно представляет собой окружность, ограниченную внутренним диаметром цилиндра, поля температур (изотермы) которого на тепловоспринимающей поверхности представлены на рис. 2.1. Как следует из рисунка, температура распределяется по поверхности огневого днища неравномерно, имеет максимальное значение в области межклапанной перемычки и постепенно снижается к периферии. В области межклапанной перемычке наблюдается наибольшая деформация головки блока цилиндров от действия термических факторов, а на периферии же напротив - минимальная. При определении внутренних усилий, напряжений и деформаций в таком днище необходимо учесть, что задача считается статически неопределимой, так как сумма количества неизвестных реакций больше чем число уравнений статики для плоской системы [25].
Для расчета воспользуемся рядом допущений. Рассмотрим наиболее теплонапряженныи участок огневого днища - сечение 1-І. Вырежем по этому сечению стержень с бесконечно малым поперечным сечением dA таким, что изменение температуры (At) как по высоте рассматриваемого стержня, так и по ширине равно нулю (Ath=0, Atb=0), а его длина - прямолинейный участок огневого днища, взятый по наиболее нагретой области огневого днища со стороны тепловоспринимающей поверхности (рис. 2.1).
Таким образом, температура изменяется только по длине рассматриваемого стержня (см. рис. 2.2). Отметим, что распределение температуры по стержню не хаотично, а носит вполне упорядоченный характер. Примем за начала отсчета один из жестко защемленных концов выбранного нами стержня, тогда температура растет с увеличением длины стержня от периферии к центру. Значение температуры достигает некоторой критической величины в центральной части стержня и снижается по мере удаления к периферии.
Из рис. 2.2, 2.3, 2.4 видно, что распределение температуры по длине стержня является некоторой функцией - l(t). Определим силы, действующие на стержень от температурных градиентов. Стержень с повышением температуры стремиться удлинится и воздействует на опоры жесткой заделки А и В. Со стороны жесткой заделки на стержень действуют реакции, направление которых показано на рис. 2.3. Эти силы вызывают сжатие стержня.
Рассмотрим деформацию стержня. При нагреве на точку С с левой стороны (участок 1) действует определенная сила теплового расширения, т.к. точка А жестко закреплена и температура возрастает от точки А к С. С другой стороны (участок 2) по аналогии с первым участком, на точку С действует сила теплового расширения второго участка.
Величины усилий теплового расширения на этих двух участках соизмеримы. В результате этого можно сделать вывод, что на т. С с обеих сторон действуют силы, равные по модулю и противоположные по направлению и, следовательно, т. С не перемещается и в этой точке с максимальной температурой деформация достигает своего максимально значения.
С учетом принятых допущений рассмотрим следующую задачу. Отбросим 1-й или 2-й участок рассматриваемого стержня, и, поставив в т. С жесткую заделку, решим задачу, как статически неопределимую при тепловом расширении, используя в решении оставшийся участок (часть) стержня [7,41].
Для системы сил, направленных по одной прямой, можно составить одно уравнение равновесия. Определим неизвестные реакции, спроецировав все действующие силы на ось Z
НА-НС= НА=НС=Н. (2.1) Определим степень статической неопределимости данной системы: S = R-n = 2-\ = l (2.2) где R - количество неизвестных усилий; п - количество уравнений статики. Из выражения (2.2) следует, что система один раз статически неопределима и для ее решения необходимо одно дополнительное уравнение совместности деформаций. Так как стержень жестко закреплен с двух концов, то в процессе нагревания его длина изменяться не может. Все возможные перемещения точек стержня будут происходить внутри отрезка АВ (внутри его длины /, при этом / = const). Уравнение совместности деформации можно записать следующим образом: Д/ = 0. (2.3)
Распишем уравнение (2.3). Укорочения стержня вызываемое силами реакций Н(А1Н), равно по абсолютной величине тому температурному удлинению А/,, которое стержень получил бы если бы опора А осталась бы на месте, а конец стержня С был бы свободен и мог перемещаться при нагревании. Отсюда следует, что: А/я-А//=0, (2.4) где А/ - деформация стержня от действия термических нагрузок; А/ - деформация стержня от действия реакций заделки. Определим методом сечений внутреннюю силу N=H. В соответствии с законом Гука: ы»-ш- (2-5) где А - площадь поперечного сечения, в нашем случае A =dA, м ; Е- модуль Юнга, МПа; I - длина стержня, м. Известно, что деформация от действия температуры будет равна: Mt=a-l\2) (2.6) где а - коэффициент теплового расширения; t - температура в т. С; t - температура в т. А.
Методика сбора информации по головкам и крышкам цилиндров и их статистическая обработка
Первым этапом исследований является сбор и статистическая обработка информации по дефектам головок цилиндров тракторных дизелей, поступающих в капитальный ремонт. Исследования проводились на ремонтных предприятиях Саратовской области, непосредственно на участках дефектовки по соответствующим техническим требованиям, с целью выявления дефектов, по причине которых головка блока цилиндров наиболее часто выходит из строя. Статистическая обработка проводилась по следующей методике [62]: 1. Все полученные экспериментальные данные последовательно, в порядке возрастания заносятся в таблицу. 2. При необходимости составляется статистический ряд (если число образцов 25). 3. Определяется среднее значение показателя надежности и среднеквадратическое отклонение, которое позволит произвести проверку на выпадающие точки, при наличии выпавших точек следует заново перестроить статистический ряд. Среднее значение показателя надежности: я 1=1 где tci - значение середины і- го интервала; Pi - опытная вероятность. 105 Среднеквадратическое отклонение: Проверка на выпадающие точки (верхняя и нижняя границы): tfj =t±3-a.
4. Определить коэффициент вариации, позволяющий выбрать закон распределения случайной величины и определить для выбранного закона дифференциальную и интегральную функции; Коэффициент вариации: %-сУ где С - смещение рассеивания показателя надежности.
При v 0,3 выбирают закон нормального распределения (ЗНР), при v 0,5 - закон распределения Вейбулла. Если же коэффициент попадает в промежуточный интервал, выбирают тот закон, который лучше совпадает с распределением опытной информации. 5. Определение доверительных границ рассеивания. 6. Определение абсолютной и относительной предельных ошибок: -В t 6= - 100%, Р t-C -В где / - верхняя доверительная граница.
В результате проведенных нами исследований, а также по результатам анализа работ ряда авторов, было отмечено, что дефектом, по причине которого головка цилиндров наиболее часто выходит из строя, является термоусталостные трещины в межклапанных перемычках.
Для более углубленного и расширенного изучения температурных напряжений была принята следующая методика расчета: поля напряжений и температур по поверхности и толщине огневого днища рассчитывались с применением ПЭВМ, предварительно выбрав метод и средства расчета
Из всех методов расчета известных, на данный момент, метод конечных элементов наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым нами к расчету температур и температурных напряжений. Одной из основных концепций этого метода является идея аппроксимации непрерывной функции (температур, напряжений, перемещений) дискретной моделью кусочно-непрерывных функций, каждая из которых определена на конечном элементе. Для аппроксимации обычно используют полные или неполные полиноминальные функции различного порядка.
Из представленных средств расчета нами использовалась программа Design Space многоцелевого конечно-элементного пакета Ansys Workbench Suite 7.0 для инженерного анализа широкого круга инженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм). Ansys Workbench Suite 7.0 широко используется в мировой практике, для решения подобных задач.
Объектом исследования в нашем случае является головка цилиндров дизельного двигателя ЯМЗ-240Б (ЯМЗ-238НБ). Была создана математическая модель терплонапряженности огневого днища данного дизеля в рабочем состоянии. Математическая модель, предлагаемая в настоящей диссертации, наиболее точно отражает геометрию формы и условия работы дизеля. Граничные условия, заложенные в математической модели, подробно описаны во втором разделе. Этот способ задания термических граничных условий неоднократно применялся для решения подобных задач, прошел проверку, как теоретически, так и экспериментально.
Анализ результатов расчетного определения температур и напряжений в огневом днище серийной головки цилиндров
Из представленных данных (рис. 4.1) следует, что изотермические линии, соответствующие максимальным температурам на тепловосприни-мающей поверхности, проходят в центральной части огневого днища, в зоне перемычки между форсуночным отверстием и гнездом выпускного капана и достигают максимального значения на кромках выпускного клапана. Анализируя поля напряжений, можно отметить, что максимального значения напряжений достигают в области межклапанной перемычки, а именно в перемычках между форсуночным отверстием и впускным клапаном и форсуночным отверстием и выпускным клапаном и располагаются на кромках форсуночного отверстия. Максимальное значение напряжений совпадает с точками зарождения термоусталостных трещин.
Как показывают исследования, проведенные на ремонтных предприятиях, относительная частота появления трещин в перемычках между форсуночным отверстием и отверстием под выпускной клапан и в перемычках между форсуночным отверстием и отверстием под выпускной клапан равна 50 %. Для более детального анализа исследуем поля температур и напряжений в сечениях: 1. по прямой, соединяющей центры форсуночного и клапанных отверстий; 2. по прямой, перпендикулярной отрезку соединяющего центры фор суночного и клапанных отверстий.
Схема сечений дополнительных видов, по которым рассчитаны поля напряжений и температур представленных на рис. 4.4-4.9, показана на рис 4.3.
Установлено также, что перепады температур и напряжений по глубине в перемычках между форсуночным отверстием и отверстиями под седла клапанов, снижаются с удалением от тепловоспринимающеи поверхности огневого днища ГБЦ. Особенно этот эффект ярко выражен для перемычек между форсуночным отверстием и гнездом выпускного клапана (для температур) и для перемычек между форсуночным отверстием и гнездом впускного клапана(для напряжений).
По результатам расчетов температурных напряжений можно сделать следующие выводы:
1. Тешюнапряженность головок цилиндров обусловлена наличием высоких температурных перепадов как в плоскости огневого днища, так и по его толщине. Причем с удалением от центра к периферии и в глубину от тепловоспринимающеи поверхности перепады значительно снижаются.
2. Температура максимальна в точке противоположной точке вероятностного появления трещины и постепенно снижается по мере удаления от этой точки в виде сложных концентрических контуров. Напряжения, напротив, достигают своего максимального значения в точке вероятностного появления трещин и постепенно снижаются по мере удаления от этой точки (по сложным концентрическим контурам). Таким образом, можно ввести понятие «эпицентр температур и напряжений».
3. Приведенная по площади интенсивность изменения напряжений выше чем у температур и носит более и выраженный характер.
Представленные выводы свидетельствуют о том, что не смотря на то, что напряжения являются одним из следствий температурного воздействия, оценку усталостного состояния головки цилиндров целесообразно проводить по напряжениям, а не по температурам. Эпицентр напряжений совпадает с точкой вероятностного возникновения термоусталостных трещин. Следует также отметить, что температуру, вызывающую критические напряжения, в камере сгорания снизить невозможно, сохранив при этом мощностные показатели двигателя. Отсюда следует решение о целесообразности изменять поля напряжений или напряженное состояние ГБЦ.
