Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ работ, посвященных исследованию надёжности работы деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания 8
1.1. Исследование надёжности работы и повреждений крышек цилиндров в эксплуатации 8
1.2. Современное состояние вопроса. Общие сведения 12
1.2.1. Анализ работ посвященных исследованию теплообмена в двигателях внутреннего сгорания 17
1.2.2. Анализ работ посвященных исследованию напряжённо-деформированного состояния деталей двигателей внутреннего сгорания 19
1.2.3. Анализ работ, посвященных исследованию прочностных свойств материалов термонапряжённых деталей двигателей внутреннего сгорания : 27
1.3. Выводы по главе 1 30
1.4. Задачи исследования и структура диссертации 31
Глава 2. Исследование теплового состояния крышек цилиндров различных конструкций при различной степени форсирования дизеля 33
2.1. Уравнение переноса теплоты применительно к крышке цилиндра 33
2.2. Граничные условия теплообмена для крышки цилиндра. 37
2.2.1. Граничные условия со стороны газа 37
2.2.2. Граничные условия со стороны полости охлаждения 43
2.2.3. Граничные условия во впускных и выпускных каналах 45
2.3. Основные результаты исследования теплового состояния крышек цилиндров 47
2.4. Выводы по главе 2 54
Глава 3. Исследование реологических свойств материалов крышек цилиндров 56
3.1. Исследование реологических свойств высокопрочного чугуна ВЧ70 57
3.2. Выводы по главе 3 62
Глава 4. Исследование напряжённо-деформированного состояния крышек цилиндров 64
4.1. Расчёт напряжённого состояния крышек цилиндров с использованием уравнений термоупругости 65
4.2. Расчёт напряжённого состояния крышек цилиндров с учётом пластического деформирования и релаксации напряжений в циклах нагружения 71
4.2.1. Нагружение 72
4.2.2. Раз грузка 74
4.2.3. Релаксация напряжений 75
4.2.4. Расчет остаточных напряжений межклапанной перемычки 78
4.3. Определение ресурса крышек цилиндров тепловозных дизелей. 87
4.4. Совершенствование режимов обкатки дизелей после постройки и ремонта 92
4.5. Выводы по главе 4 102
Заключение 104
Литература
- Анализ работ посвященных исследованию теплообмена в двигателях внутреннего сгорания
- Анализ работ, посвященных исследованию прочностных свойств материалов термонапряжённых деталей двигателей внутреннего сгорания
- Граничные условия со стороны полости охлаждения
- Расчёт напряжённого состояния крышек цилиндров с учётом пластического деформирования и релаксации напряжений в циклах нагружения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из основных направлении развития современного тепловозостроения является повышение уровня форсирования тепловозных дизелей, которое даёт возможность уменьшить их массу и габариты, а также повысить экономичность за счёт повышения механического к.п.д. В связи с этим все более актуальным становится вопрос надёжности, так как увеличение форсирования дизеля объективно ведет к её снижению.
На отечественных тепловозах в настоящее время устанавливаются дизели типа Д49, форсированные по эффективному давлению р„ От 1,2 до 2,0 МПа. У высокофорсированных дизелей данного типа наблюдается значительная тепловая напряжённость деталей іщлиндрово-поршневой группы, надёжность которой во многом определяет надёжность дизеля. В частности, одними из наименее долговечных и весьма дорогостоящих узлов остаются крышки цилиндров, основной неисправностью которых являются трещины огневого днища. Для повышения надёжности крышек цилиндров необходимо исследование условий их работы, выявление основных повреждающих факторов, совершенствование конструкции, технологии изготовления и ремонта.
Цель работы. Целью настоящей работы является научное обоснование и разработка методики расчета крышек цилиндров тепловозных дизелей, а также технологических решений, направленных на повышение их эксплуатационной надёжности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выполнить анализ надёжности крышек цилиндров тепловозных дизелей в эксплуатации и выявить основные виды их отказов.
-
Изучить основные повреждающие факторы, а также механизм повреждения крышек цилиндров тепловозных дизелей.
-
Провести систематизацию и анализ методик расчета крышек цилиндров, а также технологических решении, направленных на повышение их эксплуатационной надёжности.
-
Усовершенствовать методику расчета напряженно-деформированного состояния и долговечности огневых днищ крышек цилиндров тепловозных дизелей с целью определения и прогнозирования количественных показателей эффективности предложенных решений.
-
Предложить способы повышения эксплуатационной надёжности крышек цилиндров тепловозных дизелей.
Объекты исследования. Основными объектами исследования являются крышки цилиндров тепловозных дизелей типа Д49.
Основные методы научных исследований. В работе использовались методы исследования теплового и напряженного состояния теплонапряжён-ных конструкций. Эксперименты выполнены на стандартных образцах из материалов крышек цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Математическое моделирование и обработка результатов экспериментального исследования выполнены с помощью ПЭВМ и программных компшіексов Solid Works, CosmosWorks, MatLab на базе численных методов, теории вероятности и математической статистики. Научная новизна.
-
Разработаны алгоритм н математическая модель оценки напряжённого состояния огневых днищ крышек цилиндров тепловозных дизелей, учитывающие пластическое деформирование материала и релаксацию напряжений.
-
Исследован процесс и получена количественная оценка упрочнения материала крышек цилиндров вследствие его пластического деформирования и релаксации напряжений, а также влияние его на напря-
жённое состояние. Предложена методика расчёта долговечности крышек цилиндров, учитывающая упрочнение материала.
-
Предложена числовая комплексная характеристика физико-механических свойств материала, характеризующая его сопротивляемость разрушению от циклически изменяющихся термических напряжений и даны рекомендации по выбору материалов деталей цилиыдро-поршневой группы дизелей для повышения их долговечности.
-
Предложен способ увеличения надёжности крышек цилиндров тепловозных дизелей за счёт выбора режимов горячей обкатки дизелей после постройки или ремонта, учитывающих приспособляемость материала к повторным тепловым нагруженням.
-
Разработана методика задания распределённых граничных условий теплообмена со стороны рабочих тел для теплового расчёта огневых днищ крышек цилиндров с помощью программных пакетов SoIidWorks и COSMOSWorks.
На защиту выносится:
-
Алгоритм и математическая модель для оценки напряжённого состояния огневых днищ крышек цилиндров тепловозных дизелей, учитывающие пластическое деформирование материала и релаксацию напряжений.
-
Результаты исследования процесса упрочнения материала крышек цилиндров тепловозных дизелей.
-
Методика расчёта долговечности крышек цилиндров, учитывающая упрочнение материала.
-
Числовая комплексная характеристика физико-механических свойств материала, характеризующая его сопротивляемость разрушению от циклически изменяющихся термических напряжений.
5, Способ увеличения надёжности крышек цилиндров тепловозных
дизелей за счёт выбора режимов их горячей обкатки после по
стройки или ремонта, учитывающих приспособляемость материа
ла к повторным тепловым нагружениям.
6. Методика задания распределённых граничных условий теплооб
мена со стороны рабочих тел для теплового расчета огневых
днищ крышек цилиндров с помощью программных пакетов
SolidWorks и COSMOSWorks.
Практическая ценность.
- предложенный способ увеличения надёжности крышек цилиндров те
пловозных дизелей за счёт уточнения режимов горячей обкатки дизелей
после постройки или ремонта позволит повысить надёжность работы
крышек цилиндров в эксплуатации;
предложенные методики исследования напряженно-деформированного состояния, долговечности крышек цилиндров и разработанные соответствующие математические модели, а также рекомендации по выбору материалов могут быть использованы при проектировании как крышек цилиндров, так и других термонагруженных деталей;
- разработанный алгоритм расчёта распределённых граничных условий
теплообмена, а также методика их задания позволят учесть их локаль
ность по поверхностям элементов конструкций, и тем самым уточнить
их тепловой расчёт на стадии их проектирования.
Достоверность. Достоверность результатов работы подтверждается
статистическими данными по выходу из строя крышек цилиндров тепловозных дизелей и результатами экспериментальных исследований. Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференции молодых учёных ПГУПС 2005 г., на 46-й международной научной конференции РТУ г. Рига 2005 г, на конференции
молодых учёных ПГУЛС 2006 г., на заседаниях кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС.
Реализация работы. Разработанные методики расчёта могут быть использованы при проектировании крышек цилиндров тепловозных дизелей и дизелей другого назначения, а также деталей любых высоконагруженкых конструкций, работающих в условиях макротеплосмен. Публикации. Основное содержание работы опубликовано в б печатных работах.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений и списка использованных источников из 101 наименований, содержит 68 рисунков, 19 таблиц. Общий объём работы 130 страниц машинописного текста.
Анализ работ посвященных исследованию теплообмена в двигателях внутреннего сгорания
Для определения направления и основных задач исследования необходимо выяснить механизм разрушения, то есть определить основной повреждающий фактор.
Отказ крышки цилиндра по причине трещинообразования огневого днища является скрытым, так как изделие в течение довольно продолжительного времени (в процессе развития повреждения) сохраняет свою работоспособность и это повреждение может быть обнаружено лишь при ремонте с его демонтажем. Следовательно, срок службы каждого изделия может быть оценен ориентировочно, в пределах межремонтного пробега.
В соответствии с правилами ремонта дизеля Д49 цилиндровая крышка подлежит замене при обнаружении трещин в любой части её огневого днища. Это необходимо для предотвращения полного разрушения днища -появления магистральной трещины между камерой сгорания и полостью охлаждения. Санкт-Петербургского узла, эксплуатирующих тепловозы 2ТЭ116 в грузовом движении и ТЭП70 в пассажирском. Анализ показал, что до 90% крышек из высокопрочного чугуна выбраковывается на каждом втором ремонте объёма ТР-2 по причине появления трещин межклапанных перемычек выпускных клапанов. Следовательно, можно предположить, что зарождение и развитие трещин происходит при пробеге локомотива от 200 до 400 тыс. км. Большинство крышек из серого чугуна выбраковываются уже на первом ТР-2. Сходство сроков службы крышек цилиндров дизелей 1А-5Д49 и 2А-5Д49, установленных соответственно на тепловозах 2ТЭ116 и ТЭП70 и имеющих разную номинальную мощность можно объяснить спецификой работы локомотивов в пассажирском и грузовом движении. Опыт вождения поездов показывает, что грузовые поезда в основном стараются формировать полновесными и дизели тепловозов, обслуживающих эти поезда, значительное время работают с нагрузками, близкими к номинальным. При работе тепловоза в пассажирском движении последний, как правило, имеет значительный запас по мощности, вследствие чего, время работы дизеля с такими нагрузками существенно меньше. К тому же при прохождении расчётных подъёмов пассажирский локомотив, имея в два и более раза высокую расчётную скорость, чем грузовой, затрачивает меньше времени на их преодоление, поэтому время работы дизеля пассажирского локомотива при номинальной нагрузке в этом случае также существенно меньше, чем грузового.
Для установления механизма развития повреждения был исследован характер разрушения межклапанной перемычки. Характерные повреждения межклапанной перемычки представлены на рисунке 1.3 а, б. Из него видно, что трещина строго перпендикулярна продольной оси межклапанной перемычки. Как следует из [29] наиболее вероятной причиной такого разрушения является действие нормальных к плоскости разрыва напряжений от растягивающих усилий или изгибающего момента. разрушения является действие нормальных к плоскости разрыва напряжений от растягивающих усилий или изгибающего момента.
Характер разрушения межклапанной перемычки крышки цилиндра дизеля Д49: а - из серого чугуна, б - из высокопрочного чугкна Гораздо реже разрушения встречаются в районе форсуночного стакана (рис. 1.4). Сторона огневого днища, на которой располагаются трещины данного типа, совпадает с направлением наклона форсуночного стакана. Объяснить данное повреждение можно следующим образом. При циклических нагревах огневое днище деформируется подобно мембране. При этом деформации днища ограничены местом сопряжения крышки с втулкой цилиндра по периферии и форсуночным стаканом по центру.
Жесткое соединение форсуночного стакана с верхней плитой крышки и промежуточным днищем, а также его наклон, создают условия для максимальной концентрации сжимающих напряжений при нагреве в месте сопряжения форсуночного стакана с огневым днищем, что возможно и является причиной разрушения данной области огневого днища.
Надёжность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования [64]. Причинами снижения надёжности, то есть преждевременных отказов деталей дизелей могут быть: ошибки проектирования (недостаточный учёт свойств конструкционных материалов, несоответствие расчётных режимов их работы действительным и т.д.); дефекты изготовления (отступления от чертёжных размеров, нарушение технологии производства, дефекты сборки, контроля и т.д.); нарушение режимов эксплуатации и технического обслуживания [15, 39, 89, 90]. Все эти причины встречаются в эксплуатации, однако отказы, вызванные нарушением технологии изготовления, ремонта и режимов эксплуатации относительно легко идентифицируются и, как показывает анализ (рис. 1.5), доля их в общем количестве отказов невелика, поэтому они не являются предметом исследования в данной работе.
Проблема обеспечения надёжной работы дизелей является одной из важнейших как железнодорожного, так и других видов транспорта. От её решения во многом зависит эффективность и безопасность эксплуатации транспортных средств. Решению этой проблемы посвящены труды многих отечественных и зарубежных авторов, таких как М.Д. Рахматулин, И.П. Исаев (МИИТ); Н.А. Фуфрянский (ВНИИЖТ); А.А. Серёгин, В.А. Четвергов, Е.С. Павлович, В.П. Парамзин (ОмИИТ); Т.В. Ставров (ВНИКТИ); В.В. Стрекопытов, КГ. Киселёв, Л.К. Шилов, В.Н. Иванов (ПГУПС) и др. Работа деталей цилиндро-поршневой группы дизеля связана с воздействием на них высоких циклически изменяющихся температур и вызванных ими термических напряжений, давлений газов, монтажных усилий, а также воздействием агрессивной среды.
Как показывают исследования, проведённые разными авторами [69, 101], коэффициент запаса прочности для крышек цилиндров по монтажным усилиям и усилиям от давления газов достаточно велик и в некоторых случаях превышает 10. Напряжения от этих усилий становятся значительными при диаметре цилиндра свыше 300 мм.
K.D. Haller, рассматривая в работе [101] напряженное состояние межклапанной перемычки выпускных клапанов дизеля Cooper-Bessemer (ЧН 34,3/41,9) установил, что монтажные усилия и давление газов вызывают увеличение напряжений при номинальном режиме работы на 30 МПа (с 290 до 320 МПа), то есть всего в 1,1 раза. Вследствие чего эти два фактора не могут являться основной причиной разрушения. Этот вывод, а так же результаты анализа характера повреждения крышек, приведённые выше, позволяют сделать заключение о том, что наиболее вероятной причиной разрушения является действие термических напряжений.
Большинство разрушений в теплонапряжённых деталях начинается с зон, где температурные деформации ограничены, а также в зонах с высокой концентрацией напряжений [69]. Эти разрушения нельзя объяснить одноразовым или кратковременным действием тепловой нагрузки, так как они наступают не сразу, а часто через весьма значительное время (сотни, а иногда и тысячи часов) работы двигателя. Изменения температуры и давления в течение рабочих циклов двигателя также не может быть главной причиной разрушения теплонапряжённых деталей. Колебания температуры наружных слоев в какой-то степени снижают долговечность деталей, однако эти колебания и связанные с ними напряжения не велики и быстро затухают по мере удаления от поверхности.
Анализ работ, посвященных исследованию прочностных свойств материалов термонапряжённых деталей двигателей внутреннего сгорания
Поскольку время работы дизеля при переходных процессах невелико по сравнению с временем работы на установившихся режимах [65], а максимальные колебания температуры поверхности огневого днища крышки цилиндра тепловозного дизеля на номинальном режиме работы невелики (не превосходят 10 - 12) и быстро затухают по толщине днища (см. п. 1.2), то, задача анализа теплового состояния огневого днища крышки цилиндра может рассматриваться как стационарная задача для каждого из установившихся режимов нагрузки дизеля.
В пользу рассмотрения данной задачи как стационарной можно также привести следующий аргумент. Нагрузка на дизель, а, следовательно, и распределение температур и температурных напряжений являются случайными величинами. В машиностроении, в этом случае, для расчёта ресурса работы, при обработке статистических данных спектров изменения нагрузок случайные нагрузки приводят к полным нагрузкам определённой частоты, используя, например, метод полных размахов [21, 48, 83]. Так, в работе [83], в результате обработки статистических данных спектра режимов работы тепловозных дизелей по сети дорог, следуя данному методу, авторами было определено средневероятное число полных с максимальным размахом температур циклов теплосмен (от номинальной мощности до холостого хода или остановки) для дизеля тепловоза 2ТЭ116. При этом за 1 час осуществляется в среднем 1,31 полного цикла теплосмен, что составляет 1 полный цикл на 30,6 км пробега при средней скорости движения 40 км/час, или 0,033 цикла на километр пробега тепловоза. При этом в одном цикле нагрузки период нагрева равен периоду охлаждения (рис. 2.1). Эти периоды равны 0,38 часа или 23 минуты.
Решая задачу теплообмена для крышки цилиндра, её огневое днище можно представить в виде пластины толщиной 8 с граничными условиями 3 - го рода [50, 57, 70, 71] (рис. 2.2), Со стороны газа присутствует как конвективный, так и лучистый теплообмен. Доля лучистой составляющей теплового потока в процессе интенсивного сгорания доходит до 40%. Со стороны охлаждения теплообмен может осуществляться в режимах вынужденной конвекции, так и поверхностного кипения в зависимости от нагрузки на дизель.
На границах днища со стороны газа и со стороны охлаждения задаются коэффициенты конвективной теплоотдачи газа а,- и охлаждающей жидкости аВ) а так же значения их температур Тг и Тн. Среднюю плотность теплового потока проходящего через огневое днище крышки цилиндра можно подсчитать по формуле:
Для нахождения плотности теплового потока необходимо определить граничные условия со стороны газа и полости охлаждения. Граничные условия теплообмена для крышки цилиндра 2.2.1. Граничные условия со стороны газа
В рабочем процессе дизеля выделяется ряд фаз, отличающихся разными условиями теплообмена [50]. Процесс впуска характеризуется относительно малым изменением состава рабочего тела, его температуры и давления. Суммарный тепловой поток qz в этот период равен конвективному тепловому потоку qrKi. Процесс сжатия характеризуется примерно постоянным количеством и составом рабочего тела, ростом давления и температуры, сменой направления теплового потока. Суммарный тепловой поток qz в этот период также равен конвективному тепловому потоку Процесс интенсивного сгорания топлива характеризуется интенсивно изменяющимися до высоких значений давлением и температурой газа, интенсивным конвективным и радиационным теплообменом, изменением состава рабочего тела. Суммарный тепловой поток при этом есть сумма теплового потока за счёт конвекции qrK, теплоотдачи лучеиспусканием газов дГ1, и пламени qnjl : Конец процесса расширения характеризуется примерно постоянным количеством рабочего тела и его составом. Суммарный тепловой поток имеет те же составляющие, что и при процессе интенсивного сгорания. Процесс предварительного выпуска характеризуется переменным количеством рабочего тела постоянного состава при резком изменении давления и температуры, при этом:
Процесс принудительного выпуска характеризуется переменным количеством рабочего тела постоянного состава при относительно малых изменениях температуры и давления. Суммарный тепловой поток формируется в основном за счёт конвективной составляющей. Основное количество теплоты к стенкам камеры сгорания передаётся в период процесса сгорания-расширения (см. табл. 2.1).
Интенсивность конвективного теплообмена в цилиндре двигателя зависит от характера и интенсивности движения рабочего тела в камере сгорания. Они в свою очередь определяется скоростью движения поршня, особенностями организации рабочего процесса, формой камеры сгорания [69]. Сложность гидродинамических и физических процессов в камере сгорания затрудняет определение интенсивности нестационарного конвективного теплообмена. Поэтому в результате экспериментальных исследований различными авторами были предложены эмпирические зависимости для определения коэффициента теплоотдачи, связанного с параметрами рабочего тела в цилиндре и параметрами, характеризующими конструктивные особенности камеры сгорания. Для дизелей типа Д49 для нахождения мгновенных значений коэффициента конвективной теплоотдачи газа может быть использована формула Вошни [50,69]:
Формула была получена Г. Вошни на сходном с дизелем Д49 по конструктивным параметрам и организации рабочего процесса дизеле S-300 мм, D=240 мм, п=900 об/мин. Она учитывает различия в интенсивности движения рабочего тела в отдельные периоды рабочего цикла, размеры цилиндра, дополнительную турбулизацию, вызываемую процессом сгорания и излучение пламени.
Для дальнейшего расчёта действительные условия нестационарного теплового нагружения с учётом сделанного ранее допущения заменяются эквивалентными стационарными, полученными из условия равенства количества теплоты, воспринимаемой участком поверхности в действительном и условном эквивалентных процессах [50, 69]: 1".
Для четырёхтактных дизелей У3 «Г + б-г 0,8)(ГГГ — 273). Тепловой поток или коэффициент теплоотдачи по поверхности огневого днища крышки цилиндров неравномерен (рис. 2.3). Эта неравномерность определяется характером распределения скоростей движения рабочего тела у его поверхности, который в свою очередь определяется геометрией головки поршня. [42,50, 51, 70, 71, 72, 86].
Граничные условия со стороны полости охлаждения
Результатами экспериментального исследования установлено (гл. 3), что при пластическом деформировании, вследствие стеснения тепловых деформаций при термоциклировании, высокопрочному чугуну свойственно анизотропное упрочнение (эффект Баушингера). Программа учитывает это за счёт изменения положения характерных и вспомогательных точек кривой деформирования в плоскости о-є согласно теореме Прагера. Таким образом, кривая деформирования материала в циклах нагружения-разгрузки описывает петлю пластического гистерезиса до момента полного упрочнения, при котором приращение пластической деформации за цикл мало и достигается предел релаксации напряжений. При этом достигает предельного значения и величина остаточного напряжения в модели межклапанной перемычки.
На рис. 4.12, 4.13. показаны исходные и предельные кривые пластического деформирования материала крышки цилиндра - чугуна ВЧ50, для дизелей с различным уровнем форсирования, полученные при расчёте. о, Мпа
Кривые деформирования в первом и предельном циклах нагружения материала межклапанной перемычки (ВЧ50) крышки цилиндра дизеля Д49 при Ре=1,22 МПа.
Из рисунков видно, что с ростом числа циклов нагружения и температуры цикла пределы прочности и текучести в «холодной» части цикла заметно снижаются, что особенно важно при определении ресурса работы крышек цилиндров. Так на дизеле Д49 при форсировании до Ре=2 МПа это снижение для предельного цикла составляет 80 МПа (на 16%). При форсировании дизеля до Ре=1,22 МПа это снижение составляет 50 МПа (на 10%).
В таблицах 4.2 - 4.3. и П.4.1 - П.4.4., представлены изменения напряжений цикла в зависимости от его номера. В обозначениях принято: т,-термическое напряжение, вызванное изменением температуры и стеснением тепловой деформации (точки С, С, С на рис. 4.10), Д тР(М - величина падения напряжений в «горячей» части цикла за счёт релаксации напряжений (отрезки С-С, С -С" и т.д. на рис. 4.10), арел - величина оставшихся напряжений «горячей» части цикла (точки С, С т.д. на рис. 4.10), а величина остаточных напряжений «холодной» части цикла (точки D, D и т.д. на рис. 4.10). Графики изменения остаточных напряжений приведены на рис. 4.14-4.16.
Из таблиц 4.2 - 4.3. и П.4.1 - П.4.4., и рис. 4.14 - 4.16 видно, что при эксплуатации новых (неработавших ранее) крышек цилиндров накопление остаточных напряжений в материале во всех случаях происходит наиболее интенсивно в первые циклы нагрузки в первые часы работы двигателя, вследствие высокой интенсивности пластической деформации и релаксации напряжений. Наибольшие значения остаточных напряжений имеют межклапанные перемычки огневых днищ крышек из высокопрочного чугуна, а наименьшие - из алюминиевых сплавов.
Для проверки адекватности разработанного алгоритма и программы был выполнен контрольный пример для первого цикла нагружения межклапанной перемычки с механическими свойствами материала образца и режимами нагружения используемыми в экспериментальной части. Разница значений изменения пределов прочности полученных при испытаниях и при расчёте не превышает 6% (рис. 3.4). 4.3. Определение ресурса крышек цилиндров тепловозных дизелей
Основные результаты расчёта напряжённо-деформированного состояния крышек цилиндров позволяют оценить ресурс их работы и сделать окончательные выводы о возможности использования различных материалов и конструктивных решений.
Под ресурсом работы будем понимать количество приведённых циклов нагружения дизеля с полным размахом температур, которое выдерживает крышка цилиндра до появления усталостной трещины,
Так как циклы нагружения двигателя сопровождаются выдержками при высоких температурах (см. гл.1, рис. 1.6), в которых происходит релаксация напряжений, то число циклов до разрушения снижается. В этом случае влияние на общее повреждение числа циклов нагружения и времени пребывания при высокой температуре в условиях циклического деформирования и релаксации температурных напряжений условно разделяют. Условие разрушения записывают в виде: где: dYcmi dim - соответственно доли усталостного и статического повреждения.
При выраженной релаксации температурных напряжений долю статического повреждения можно определить как отношение накопленных остаточных напряжений растяжения сгжт к предельному для данного материала напряжению схн:
Максимальным значением ав является предел прочности материала при растяжении. В этом случае условие разрушения имеет вид: Окончательно число циклов до разрушения можно определить: лЧ -к-КК- (4-15) Однако зависимость (4.15) предложенная в [69] не учитывает снижение предела прочности при растяжении вследствие действия эффекта Баушингера, который, как показано в главах 2 и 3, свойственен для материалов применяемых в двигателестроении. С учётом этого предлагается следующая зависимость для определения числа циклов до разрушения:
Результаты расчёта долговечности крышек цилиндров приведены в таблице 4.4. Ресурс работы в тыс.км определялся исходя из результатов [83], полагая, что за 30,8 км пробега тепловоза совершается один цикл теплосмены. Величина АєІП принималось равной средней величине пластической деформации за цикл.
Как видно из таблицы 4.4 крышка цилиндра дизеля Д49, выполненная из алюминиевых сплавов обладает наибольшей долговечностью.
Помимо предела прочности и величины остаточных напряжений большое влияние на долговечность крышек цилиндров в условиях циклического пластического деформирования и релаксации напряжений оказывает пластичность материала. При достаточной пластичности в случае достижения остаточными напряжениями предела текучести при растяжении в «холодной» части цикла происходит «обратное упрочнение» за счёт пластической деформации. В огневом днище крышки из серого чугуна, обладающего низкой пластичностью этого не происходит, что значительно сокращает её ресурс. Учитывая это обстоятельство, к основной рекомендации по выбору материалов, предложенной Стефановским Б.С., Насыровым Р.А, Заорски М. [35, 65, 87] (см. п. 1.2.2), численно выраженной параметром -JL и справедливым лишь при однократном нагружении в Есс упругой зоне изменения напряжений, следует добавить характеристику пластичности материала. Для характеристики сопротивляемости разрушению материала от циклически изменяющихся термических напряжений предлагается числовая комплексная характеристика его физико-механических свойств:
Расчёт напряжённого состояния крышек цилиндров с учётом пластического деформирования и релаксации напряжений в циклах нагружения
Отрезок OD = a,K.m определит величину остаточного напряжения при снятии тепловой деформации. Отрезок CD остаётся прямым на интервале изменения напряжений равном в случае растяжения-сжатия сумме пределов текучести при растяжений и сжатии, описывающей «поверхность текучести» (см. главу 1). В случае превышения остаточными напряжениями «поверхности текучести» эти напряжения будут вызывать обратные пластические деформации.
Согласно теореме Прагера [30] поверхность текучести (в нашем случае отрезок CD of"" + а ) сохраняет свои размеры, но движется в пространстве напряжений (в плоскости а-є) в направлении приращения деформации. Данное правило описывает эффект Баушингера. 4.23. Релаксация напряжений
Релаксация напряжений - это происходящий во времени процесс перехода упругой деформации в пластическую, сопровождающийся снижением напряжений. Она имеет два периода (рис. 4.6): первый - период неустановившейся релаксации, в котором происходит резкое падение напряжений, и второй, в котором скорость релаксации становится постоянной и минимальной. Релаксация напряжений, так же как и пластическое деформирование, вызывает при последующей разгрузке остаточные напряжения. О.МПа т, час Рис.4.6. Релаксация термических напряжений в межклапанной перемычке при различных температурах
Первый период релаксации для таких материалов, как, например, высокопрочный чугун при напряжениях и температурах, характерных для межклапанной перемычки выпускных клапанов, длится несколько часов. На величину релаксации напряжений при нагреве влияют: температура нагрева, начальное напряжение и время релаксации,
Для описания процесса релаксации напряжений используют представление об упруго-вязком теле Максвелла [33, 61, 85] выраженное уравнением В отличие от уравнения Гука для упругого тела [68] в него входят две постоянные Е и М, относящиеся соответственно к упругой и пластической стадиям деформации. Максвелл предложил считать, что в случае возникновения деформаций течения и ползучести уменьшение напряжения происходит пропорционально величине начального напряжения. Таким образом, исходное уравнение (4.9) принимает вид
Релаксация напряжений сплава АЛ25 при т0 = 200 МПа и различных температурах (время испытания 400 часов) [100]. Расчёт остаточных напряжений межклапанной перемычки Нагрузка на дизель, а, следовательно, изменение температуры и температурных напряжений его деталей носит циклический характер.
При запуске дизеля и увеличении нагрузки температура перемычки увеличивается на величину AT (рис. 4.10). При этом в материале развивается деформация сжатия є = аАТ (где а - коэффициент температурного расширения материала) и возникает напряжение а = кЕє (где Е - модуль упругости материала при данной температуре, к 1 - характеризует степень стеснения деформаций). Если бы работа материала была лишь упругой, то изменение напряжений происходило бы по линии ОА . Но в современных высокофорсированных дизелях температура перемычки выпускных клапанов достигает, а иногда и превышает 400С, что учитывая снижение прочностных характеристик материала при нафеве, вызывает напряжение превышающее предел текучести т02.
Диафамма циклического процесса изменения напряжений межклапанной перемычки Так как при превышении напряжением в точке А предела текучести материал начинает пластически деформироваться, то при деформации аАТ напряжение достигает лишь величины ас по кривой деформирования материала. Одновременно в перемычке происходит релаксация напряжений на величину а ег .,1 =СС\ При снятии тепловой нафузки снимается деформация аДГ, перемычка разгружается по линии C D =OA\ при этом в конце первого цикла нафужения появляются остаточные напряжения аж„л. При повторном нафужении при увеличении температуры на величину Д7, нафузка увеличивается по линии D C, однако за счёт упрочнения в первом цикле нафужения в материале будет развиваться лишь релаксация напряжений по линии С С" на величинудст . При разгрузке по линии C"D" получим величину остаточного напряжения иаап2. Далее от цикла к циклу величина релаксации напряжений убывает, соответственно убывает и приращение остаточных напряжений. Материал приспосабливается к нагрузкам и работает в основном с упругими деформациями.
Таким образом, видно, что особенно интенсивно накопление остаточных напряжений происходит в первых циклах нагружения, когда возможны пластическое деформирование и высокая скорость релаксации напряжений.
Следуя данной методике, был составлен алгоритм (рис. 4.11) и написана программа его реализации в Matlab. Данная программа учитывает изменение механических характеристик материала и скорости релаксации напряжений при изменении температуры. При расчете использовались зависимости, приведённые вп.4.2.1 -4.2.3.
В исходных данных программы задавались: время высокотемпературной части цикла - Дг = 0,38 часа [83, 84] , коэффициент линейного расширения материала #, модули упругости для упругой 1 и пластической Е2 зон кривой деформирования, коэффициент стеснения деформаций к, изменение температуры в цикле AT. Исходная кривая деформирования задавалась в виде зависимости a = f{s) с помощью характерных (предел текучести оу и предел прочности ав) и промежуточных точек. Данная зависимость с достаточной точностью была аппроксимирована полиномом третьей степени. Также полиномом описывалась зависимость положения характерных и промежуточных точек в плоскости а-є от температуры для высокотемпературной части цикла. Таким же образом, задавались коэффициенты уравнений релаксации напряжений и их зависимость от температуры.
