Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 10
1.1. Модели остова 10
1.2. Исследование упругих свойств остовов . 20
1.3. Выводы 27
1.4. Объект исследования 31
2. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИЙ ОСТОВОВ 33
2.1. Основные тенденции в компоновках остовов . 33
2.2. Компоновки основных типов МОД 39
2.3. Влияние ограниченной жесткости остова на его эксплуатационные повреждения 53
2.4. Анализ кинематических свойств остовов 72
2.5. Анализ условий стыковки деталей составных остовов 82
2.6. Выводы 85
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕСТКОСТИ И ДЕФОРМАЦИЙ ОСТОВОВ 87
3.1. Обще соображения 87
3.2. Анализ факторов деформаций 88
3.3. Анализ нагрузок остова 94
3.4. Исследование нормальной жесткости остова 108
3.5. Модель деформаций остова от уравновешенных нагрузок 126
3.6. Влияние тепловых нагрузок на деформации остова 131
3.7. Выводы 140
4. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЕ! ОТНОСИТЕЛЬНОГО
ПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОПРЯЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ОСТОВА МОД 143
4.1. Постановка задачи и цели расчетно-теорети-ческого исследования 143
4.2. Обоснование выбора метода исследования 144
4.3. Использование МКЭ для определения деформаций сложных конструкций 146
4.4. Расчетные модели остова малооборотного дизеля 149
4.5. Алгоритм расчета изменений зазоров в парах остова 159
4.6. Выводы 166
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОПРЯЖЕНИЙ ОСТОВА ПРИ РАБОТЕ МОД 168
5.1. Методика экспериментального исследования. Использованная аппаратура. Оценка точности эксперимента 168
5.2. Режимы проведения эксперимента и анализ результатов экспериментального исследования упругих деформаций остова дизеля 176
5.3. Сопоставление результатов расчетных и экспериментальных исследований 211
5.4. Выводы 213
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 215
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 219
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Модели остова
- Основные тенденции в компоновках остовов
- Анализ факторов деформаций
- Постановка задачи и цели расчетно-теорети-ческого исследования
- Методика экспериментального исследования. Использованная аппаратура. Оценка точности эксперимента
Введение к работе
Решения ЦК КПСС и Советского правительства о повышении эффективности работы транспорта обусловливают требования к надежности создаваемых энергетических установок и совершенствованию технической эксплуатации существующих.
Интенсификация работы современного транспортного флота предопределяет зависимость надежности энергетических машин от применяемых методов технической эксплуатации. Для современного флота характерно восстановление технико-экономических качеств СЭУ в процессе эксплуатационной деятельности судов - на стоянках под грузовыми операциями, в ожидании грузовых операций и т.п., при которых не всегда возможно проведение контрольных эксплуатационных испытаний элементов СЭУ. Это обусловливает зависимость надежности от качества и эффективности применяемых методов технического обслуживания. Последнее должно быть непрерывным и способствующим повышению надежности энергетического оборудования судов. Понятие ремонта СЭУ, как эпизодического восстановления энергетического потенциала, утрачивает обычный смысл. Межремонтные периоды судов увеличиваются, а надежность СЭУ в этих условиях приобретает все возрастающее значение. Эксплуатационное понятие надежности наполняется содержанием, отражающим в более полной мере его комплексность и динамичность.
Надежность современных СЭУ представляется характеристикой, обусловленной рядом взаимосвязанных свойств ряда энергетических агрегатов. Причем, в понятие надежности вводится приближение уровня энерготехнического потенциала СЭУ к запроектированному значению на протяжении всего срока службы судна. Поэтому повышение энергетического потенциала СЭУ за счет интенсификации ТО является важным резервом повышения провозной способности флота.
Показатели надежности - безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость, долговечность элементов СЭУ, эксплуатационниками чаще воспринимаются в дискретном понимании. Теперь же собственно надежность следует рассматривать с учетом определенных методов ТО.
В настоящей работе исследуется влияние эксплуатационных факторов на снижение надежности современных судовых МОД зависящей от изменения кинематики ползунных пар реальных КПМ.
Освоение реальных механизмов характеризуется обеспечением их геометрических параметров только в момент постройки двигателя. Отклонениям этих параметров от первоначального состояния, определяемым упругими деформациями механизма (в основном - остова) достаточного внимания не уделяется. Однако, эти отклонения неизбежно возникают в процессе эксплуатации, они снижают работоспособность кинематических пар механизма и надежность функционирования всего дизеля.
Снижение надежности дизелей, кроме того, в значительной мере обусловливается повреждениями поверхностей сопряжений неподвижных пар нарушающих предусмотренные изготовителем условия передачи нагрузок. Повреждения таких сопряжений в судовых двигателях нередко возникают в практике эксплуатации современных МОД. Например, по данным ЧМП и из личного опыта автора, для двигателей фирмы Б и В типа VT2SF характерны износы номинально неподвижных стыков между составными деталями остова, а потому центровка главного механизма движения оказывается нестабильной и часто сопровождается возникновением интенсивных износов подшипников, а также пары поршневое кольцо - цилиндровая втулка. Использование установленной мощности значительно снижается из-за необходимости частых приработок пар трения. Обилие различных рекомендаций по предотвращению повреждений/3,II,17,52,85/ в подвижных и неподвижных парах МОД еще не позволило решить эту проблему в полной мере. До настоящего времени повреждения сопряжений в подвижных и неподвижных соединениях носят случайный, непрогнозируемый характер.
Устранение таких повреждений, как правило, связано с выводом судов из эксплуатации и проведением внеплановых ремонтных работ, нередко, в условиях специализированной ремонтной базы. Стоимость ремонтных работ по устранению подобных повреждений МОД, по данным ЧМП, составляет от I до 10 тыс.руб. (в зависимости от объема повреждений). Затраты на содержание сухогрузного судна дедвейтом 10-12 тыс.т в период проведения ремонта составляют 2-3 тыс.руб. в сутки. Продолжительность ремонта для устранения повреждений составляет 1-4 суток. В общем объеме ремонтных работ затраты времени и средств на устранение подобных повреждений составляют 10-20%. Помимо затрат на содержание судна и ремонт возникают убытки по причине недовыполнения плана перевозок.
Обеспечить условия передачи нагрузок в парах работающих дизелей можно лишь располагая достоверной математической моделью взаимодействия звеньев пар, построенной на представлении КПМ двигателей в виде особой динамической системы. В этой связи актуальным является анализ кинематических свойств реального механизма с учетом деформаций звеньев, возникающих в работающем двигателе .
При изучении НДС ряда деталей ДВС в последние годы получил широкое применение метод конечных элементов (МКЭ). Использование МКЭ позволило рассмотреть вопросы, связанные с работой остова, поршня, шатуна, цилиндровой втулки и вплотную подойти к исследованию влияния конечной жесткости этих деталей на условия их соп- ряжения, в частности, на изменение относительного положения направляющих относительно базовых поверхностей остова. Представилась возможность оценивать деформации остова, которые могут рассматриваться в качестве кинематических функций, что обусловливает возможность их использования для повышения достоверности конструкторских решений и оценки условий работы подвижных и неподвижных соединений в системе дизеля.
Однако, МКЭ является "машинным" методом расчета, требующим использования мощных ЭВМ. Непосредственное использование ЭВМ в процессе технической эксплуатации дизелей (для оценки технического состояния конструкций вследствие деформаций, выявления причин изменения положения звеньев в парах) в настоящее время не представляется возможным и, вероятно, нецелесообразно. В существующих условиях технической эксплуатации представляется рациональным совершенствование приближенных математических методов для инженерной оценки взаимоположения звеньев в парах и определения формы базовых поверхностей деталей. Применительно к остову, в настоящее время, в значительной мере такие методы разработаны в геометрической постановке и поэтому не позволяют учесть влияние упругих свойств, износов и остаточных деформаций звеньев механизма ДВС, как факторов, влияющих на надежность и ресурс в условиях форсировки нагрузки и снижения веса двигателей. Поэтому разработка и уточнение существующих приближенных методов учета влияния жесткости и деформаций на взаимоположение остова в парах с подвижными звеньями является весьма актуальной.
Разработке методов учета жесткости упругих остовов в последнее время уделяется все большее внимание в нашей стране и за рубежом. Но, несмотря на это, до сих пор общепринятой методики, решающей проблему всесторонне, еще нет. Исследования касающиеся влияния конечной жесткости на кинематику КПМ и условия ра- боты присоединенных к двигателю вспомогательных деталей и узлов весьма скудны. Остовы МОД чаще рассматривавтся как малоповреждае-мые стационарные детали. Практика показывает, что техническое состояние остовов, как и остальных деталей механизма, существенно влияет на эффективность технической эксплуатации СЭУ. Приближенный учет влияния деформирования остовов на эксплуатационную надежность МОД, частично выполняемый судовыми механиками на базе их личного опыта, представляется нам недостаточно обоснованным, а потому восстановление построечного технического состояния дизеля, как показывает практика, никогда не достигается.
Модели остова
Создание модели методами идентификации объекта является одним из важных и сложных этапов процесса исследования. От степени соответствия модели реальному объекту зависят результаты исследования и окончательные выводы о его работоспособности. Ясно, что для одного и того же объекта возможно построение различных моделей. Вид модели определяется многими факторами: особенностями работы объекта, взаимодействием его с другими элементами двигателя, требуемой точностью исследования. Усложнение модели приводит к необходимости использования более сложных методов исследования. Усложняется обработка и анализ полученных результатов. Однако, во многих случаях удается получить удовлетворительные результаты уже на основе простых моделей.
Роль упрощенных моделей этим не ограничивается. Они полезны при ориентировочных расчетах, при освоении новых методов исследования. С их помощью можно сопоставить различные методы исследования, выявить их особенности и недостатки. Простая модель, нередко, позволяет выявить достаточно много особенностей в поведении реального объекта и выбрать оптимальные режимы его использования. Вместе с тем, простая модель должна быть в соответствии с целью исследования, достаточно адекватна реальному объекту.
Остов является ответственной и дорогостоящей деталью дизеля. Однако исследования условий работы остова как элемента механизма двигателя до последнего времени проводились изолированно, в аспекте обеспечения его прочности, и на этой основе, повышения надежности ДБС в целом.
Современные тенденции увеличения удельной мощности ДВС (при необходимости повышения их надежности) предъявляют высокие требования к достоверности методов исследований и возможно более полному учету условий работы реального остова.
Моделирование остовов в составе КПМ ДВС осуществляется в геометрической и динамической постановке.
Основные тенденции в компоновках остовов
Благодаря работам советских ученых отечественное двигателе-строение обладает достаточно обширным фондом материалов по конструированию двигателей / 6, 14, 65, 66, 89, 101, 102, 104 /. Однако, в литературе встречается мало работ, посвященных анализу конструкций, в частности, остовов МОД.
Остов двигателя является замыкающим звеном механизма. Функция замыкания обусловливает влияние упругих свойств остова на кинематику механизма. Отсюда вытекает необходимость нормирования допустимых деформаций конструкции остова.
Компоновка остова в значительной мере определяет величину его деформаций и стабильность формы. В технической литературе анализ компоновок остова используется для разработки его рациональности конструкции /21, 69 /, что сопряжено с назначением геометрических размеров составляющих остов деталей / НО /.
В данной работе, анализ конструкций остовов выполнен, именно с этой целью. Компоновка остова рассматривается как система расположения узлов и направляющих КПМ, отличающаяся структурой, пропорцией, свойствами и связями.
Совершенствование структуры, пропорций,свойств и связей в расположении узлов и направляющих КПМ является характерным для истории развития МОД.
Формирование современных компоновок остовов не было равномерным в процессе развития МОД. В значительной степени остовы обязаны своей компоновкой поршневой паровой машине с рядным расположением цилиндров. Остовы МОД на ранней стадии развития были аналогичны остовам паровых поршневых машин, они выполнялись составными в виде индивидуальных цилиндров с отдельными станинами, установленными на общей фундаментной раме.
Жесткость такого остова определялась жесткостью Ф.р., при этом использование материала было совершенно не рациональным. Здесь конструкция остова объединяет отдельные механизмы отсеков в единый двигатель с общим звеном - коленчатым валом. Такая компоновка остова была возможной только благодаря низкому уровню форсирования двигателей и чрезмерному запасу прочности, но достаточной жесткостью не обладала.
Повышение форсирования МОД обусловило увеличение напряжений и деформаций остова и снижало надежность двигателя в целом. Это способствовало развитию компоновки остова в направлении рационального использования материала за счзт объединения составляющих частей в блоки - блок-картеры и блоки цилиндров. Как следствие всего процесса развития, в последних конструкциях остов МОД трансформировался в составную рамно-коробчатую конструкцию.
Остовы современных МОД выполняются из ограниченного ряда функционально различных деталей.
Анализ факторов деформаций
Деформации остова определяют следующие факторы:
- модуль упругости материала;
- геометрические сечения остова и его деталей;
- линейные размеры остова и его деталей;
- вид нагрузки и кинематические граничные условия собственно остова и составляющих его деталей.
Остовы МОД выполняют стальными, чугунными либо комбинированными - часть деталей выполняют из чугуна.(чаще рубашки цилиндров) , а остальные детали делают стальными.
Модуль упругости для чугуна приблизительно вдвое меньше, чем для стали. Поэтому при одинаковых геометрических характеристиках и нагрузках чугунные остовы имеют более высокие деформации. Это объясняется недостаточным увеличением толщины (сечений) детали при переходе от стали к чугуну. Сталь представляется наиболее рациональным и перспективным материалом форсированных МОД. Выполнение остовов стальными позволяет, при невысокой материалоемкости, достичь высокой жесткости конструкций.
Очевидно, что различие модулей упругости стали и чугуна в комбинированных остовах необходимо учитывать при проектировании для обеспечения достаточно жесткой связи стыкуемых деталей. Упругие изменения в стыках разномодульных деталей могут быть неодинаковыми и вызывать проскальзывание поверхностей стыков как от действия переменных нагрузок, так при изменении температуры.
Геометрические сечения остова и его деталей определяют площади сечений и моменты инерции, являющиеся характеристиками нормальной и изгибной жесткости.
class4 РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЕ! ОТНОСИТЕЛЬНОГО
ПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОПРЯЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ОСТОВА МОД class4
Постановка задачи и цели расчетно-теорети-ческого исследования
При исследовании относительного положения звеньев в ползунных парах остова обнаруживается, что их контактирование определяется жесткостью конструкции и действующими нагрузками.
Анализируя выводы исследований нормальной жесткости остова видно, что они в большей мере отражают статическое (возможное) проявление факторов деформаций. При этом, действующие нагрузки, в отношении упругих изменений конструкции, являются такими же факторами деформаций как геометрические. Однако, функциональная зависимость нагрузок от времени обусловливает необходимость исследований изменений характера сопряжений в парах и положения базовых поверхностей именно от переменных нагрузок и, в частности, от нагрузок синфазных с возвратно-поступательным движением звеньев КПМ.
Нашей задачей является разработка алгоритма расчета упругих перемещений направляющих и базовых поверхностей остова от СДТ и СИ. В этой постановке исследования в литературе не обнаружены. Для разработки расчетного алгоритма используется МКЭ.
Применение МКЭ позволяет в значительной мере уточнить построенные модели деформаций остовов. В настоящей работе расчет деформаций остова производится в квазистатической постановке, при различных положениях коленчатого вала с интервалом 10.
Отметим, что расчет жесткости остова по МКЭ требует не только детального анализа конструкции, но и особого внимания к реализации метода (выбора КЭ, числа степеней свободы в узлах, кинематических и силовых граничных условий). От этих факторов во многом зависит точность расчета.
При определении деформированного состояния остова двигателя действие СДГ и СИ учитываем независимо. Эти силы, как показано ниже, прилагаем в соответствующих узлах расчетных моделей. Деформированное состояние остова определяется для продольной плоскости остова.
Поставленные цели при расчетном исследовании сводятся к следующим:
I). Найти закономерности изменения относительного положения в следующих парах остова в продольной плоскости:
а) сальник штока - шток поршня;
б) сальник втулки - рубашка цилиндра;
в) сальник втулки - ресивер продувочного воздуха;
г) втулка - поршень;
2). Найти изменения положения поверхности, определяющей посадку цилиндровой втулки в остове;
3). Найти закономерности перемещений лап рубашек цилиндров относительно ресивера продувочного воздуха;
4). Исследовать возможности принятых расчетных моделей и сравнить результаты расчетов с экспериментальными данными, полученными на дизеле в условиях эксплуатации.
Методика экспериментального исследования. Использованная аппаратура. Оценка точности эксперимента
Экспериментальная проверка изменений относительного положения поверхностей в подвижных парах остова и изменения положения базовых поверхностей выполнялась для апробирования проведенных расчетов и более полного учета специфических особенностей конструкции.
Методически экспериментальные исследования выражались в определении геометрических изменений формы под действием переменных нагрузок. В настоящее время применяется много способов измерения деформаций / 20, 53, 112, 123 / деталей и конструкций. Однако, принципиально все измерения деформаций можно выполнять контактным и бесконтактным способами.
В настоящей работе измерение относительных перемещений поверхностей в стыках: лапы рубашек цилиндров - ресивер продувочного воздуха, фланец ресивера - пояс нижнего уплотнения цилиндровой втулки, фланец рубашки цилиндра - пояс верхнего уплотнения цилиндровой втулки, выполнено посредством контактных датчиков. Контактный способ использовался также при замерах угловых перемещений (наклонов) базовой поверхности установки цилиндровых рубашек на ресивере.
В качестве контактных датчиков применялись калиброванные консольные балочки с наклеенными проволочными датчиками сопротивления. Балочки одним концом жестко крепились через посредство стойки на одной детали остова, а контакт с другой деталью пары осуществлялся посредством регулировочного винта (рис. 5.1; 5.2).
Применение проволочных датчиков сопротивления в данном случае обосновывается их простотой, малыми габаритами и высокой точностью. Проволочные датчики сопротивления практически безинерци-онны, что дает возможность записи их показаний при быстро протекающих процессах. Эти свойства проволочных датчиков позволяют широко использовать их при динамических нагрузках / 70, 98, 112, 123 /.
Использование съемных балочек с датчиками сопротивления обусловлено рядом причин, основными из которых являются:
1) Возможность взаимозаменяемости балочек в процессе эксперимента;
2) Необходимость устранения влияния температурной погрешности на показания датчиков, т.к. уровень температур в зонах замеров достигает верхнего рабочего предела тензодатчиков (около 70С);
3) Использование съемных балочек позволяет устанавливать их только на период замеров и организовывать термостатирова-ние в период записи контролируемого параметра.
Подготовка балочек к измерению относительного перемещения деталей остова состояла в наклейке, изоляции датчиков сопротивления с последующей тарировкой балочек в сборе со стойкой.
Наклейка датчиков сопротивления на поверхность балочек осуществлялась клеем Б-2. Этот клей обеспечивает удовлетворительную адгезию при температурах деталей двигателя / 53 /. Тензомеры для балочек выбирались с базой 10 мм. Термокомпенсационный датчик раз мешался рядом с рабочим на стальной пластине, закрепленной на стойке. Перед наклейкой тензодатчиков на балочки производилась предварительная наклейка защитной подложки из кальки под места выводов датчиков для предохранения замыкания контактов через поверхность детали. Выводы датчиков припаивались к соединительной колодке в виде металлизированной текстолитовой планки, устанавливаемой на клею на поверхности балочки. Для фиксации измерительного кабеля у колодки использовались обжимы на стойках балочек.
Изоляция наклеенных тензодатчиков производилась эпоксидной смолой,модифицированной пластификатором. Для предотвращения тензодатчиков от механических повреждений они помещались в металлический кожух, закрепленный на стойке балочки. В кожухе установлены фиксаторы для предотвращения прогиба балочки на величину более 2-х мм от среднего положения. На свободном конце кожуха выполнены отверстия для установки регулировочного винта в балочку.
Термостатирование датчиков в процессе регистрации параметров осуществлялось путем подачи воды в трубчатые петли, встроенные в кожухи. Номинальный режим охлаждения датчиков в процессе всего эксперимента поддерживался подачей воды с температурой 300 К.
Тарировка балочек осуществлялась на лабораторном приспособлении путем задания перемещений на регулировочный винт. Контроль задаваемого перемещения осуществлялся линейным индикатором с точностью 5 мкм и регистрацией выходного сигнала на фотобумаге штатного осциллографа.
