Введение к работе
Коррозионно-эрозионное изнашивание в системах жидкостного охлаждения дизелей существенно снижает их эксплуатационную надежность. Статистика отказов свидетельствует, что выбраковка цилиндровых втулок средне- и высокооборотных двигателей (СОД и ВОД соответственно) в 20-50% случаев происходит по причине эрозионных повреждений боковой поверхности и на посадочных поясах. Примерно столько же втулок выбраковывают из-за трещин под посадочными буртами. При этом по износу «зеркала» цилиндра наработка втулок составляет не более 60% от расчетного ресурса.
Как показывают исследования коррозионно-эрозионных разрушений в системах охлаждения дизелей ученых Л.И. Погодаева, Н.Н. Иванченко, А.А.Скуридина, А.П. Пимошенко, O.K. Безюкова, интенсивность эрозионных разрушений при вибрационной кавитации и величина напряжений в опасных сечениях буртов могут быть снижены за счет конструктивных мер, ведущих к уменьшению уровня вибраций втулок, и тем самым продлен срок их службы.
В основе определения ресурса цилиндровых втулок лежит научная структурно-энергетическая теория изнашивания, которая устанавливает связь между долговечностью детали и уровнем действующих напряжений и виброускорений, определяющим ведущий механизм разрушения. Однако существующие в настоящее время методы расчета вибраций втулок цилиндров не в полной мере отвечают задачам разработки оптимальных конструкций.
Так, внедренные на некоторых типах дизелей конструктивные меры в виде установки дополнительных опор и уплотнительных соединений с целью снижения уровня вибраций и защиты бурта от разрушений, приводили к негативным последствиям, которые не могли быть спрогнозированы на основе имеющихся расчетных моделей. В частности, указанные конструкционные изменения приводили к более интенсивному износу отдельных частей втулки, разрушению блоков и обрыву опор, в то время как согласно расчетам ожидалось снижение уровня вибраций.
Поэтому основная проблема исследования состоит в усовершенствовании методов расчета и разработке новых подходов к оценке вибрационных характеристик цилиндровых втулок,
позволяющих установить связь между конструкционными
особенностями втулок и уровнем их вибраций и напряжений.
Необходимость создания таких методов вызвана также тем, что при
расчете ресурса втулки требуется учитывать наличие локальных зон
разрушений, обусловленных повышенными значениями
виброускорений и напряжений в этих зонах, а существующие в настоящее время методы расчета не показывают фактическое распределение виброускорений и напряжений втулки.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методов моделирования вибраций цилиндровых втулок ДОС любых конструкций под воздействием локальных и распределенных внешних нагрузок. Разработанная модель должна удовлетворять следующим условиям:
решать задачи по определению амплитуд и частот колебаний втулок и выявлению зон, наиболее опасных с точки зрения эрозии поверхности и усталостных разрушений материала;
иметь возможность применения на стадии конструирования детали либо изменения существующих конструкций цилиндровых втулок;
выступать основой при разработке оптимальных конструкционных решений с целью повышения ресурса втулок.
Для достижения поставленной цели были определены следующие основные задачи исследования:
Провести всесторонний анализ существующих методов расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС и оценку их теоретической базы.
Разработать математическую модель втулки для расчета вибрационных характеристик при любом количестве опор и их взаимном расположении с учетом условий посадки втулки на этих опорах и сил газового давления в цилиндре.
Разработать имитационную модель втулки и поставить виртуальный эксперимент по получению ее вибрационных характеристик путем прямых измерений в виртуальной среде.
Провести физический эксперимент для проверки адекватности разработанных моделей.
С помощью разработанных моделей оценить местоположение зон, наиболее подверженных эрозионным разрушениям, и
показать практическое применение модели в разработке нового
конструкционного решения с целью снижения вибрационных
напряжений.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования в настоящей диссертационной работе являются вибрационные процессы, приводящие к эрозионным разрушениям цилиндровых втулок и образованию трещин под буртами. Предметом исследования являются цилиндровые втулки тронковых средне- и высокооборотных судовых дизельных двигателей.
Методы исследования
Методологическую и теоретическую основу моделирования вибрационных процессов и оценки их влияния на эрозионное разрушение цилиндровых втулок составили труды ученых Л.И. Погодаева, А.А. Самарского, С.Н. Кана, СП. Тимошенко, Н.Н. Иванченко, А.А. Скуридина, А.П. Пимошенко, O.K. Безюкова, В.В. Пахолко.
Для определения вибрационных характеристик цилиндровых втулок были использованы методы математического моделирования, вариационный принцип Гамильтона - Остроградского, математические методы решения дифференциальных уравнений и систем линейных алгебраических уравнений, в том числе метод разделения переменных (метод Фурье), численные итерационные методы, матричный метод. Для нахождения величины деформации втулки в месте удара поршня в момент его контакта со стенкой была использована теория удара СП. Тимошенко. Вынужденные колебания втулки под воздействием распределенной силы газового давления были получены методом построения функции влияния единичного сосредоточенного импульса. Для интегрирования уравнений движения применялись численные методы на основе теории разностных схем А.А. Самарского.
Процесс вибраций цилиндровых втулок исследовался методом компьютерной имитации с использованием метода электромеханических аналогий. Для обработки экспериментальных данных применялись методы математической статистики и теории вероятностей.
Информационная база исследования
В качестве информационных источников в диссертации использованы:
- научные источники в виде сведений и данных, в том числе
экспериментальных, из приведенных в библиографическом списке
книг, журнальных статей и материалов научных конференций;
результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.
Научной новизной обладают:
- математическая модель втулки, позволяющая учитывать
реальные условия заделки втулки в блок, изменение сил давления
газов в цилиндре и получать расчетную осциллограмму вибраций;
- получение распределения амплитуд вибраций по поверхности
втулки и определение зон, наиболее подверженных эрозионному
разрушению;
- применение метода имитационного моделирования для
определения вибрационных характеристик цилиндровой втулки с
учетом её конструкционных особенностей;
- результаты исследований влияния упругих сопротивлений
деформациям в местах закрепления втулок на их вибрационные
характеристики.
В работе впервые показано, что установка демпфирующей прокладки под буртом втулки приводит к снижению амплитуд асимметричных циклов изменения напряжений в области бурта и снижению виброускорений втулки.
Личный вклад автора
Все теоретические исследования в работе выполнены автором самостоятельно, а экспериментальные исследования и разработка мер для снижения вибрационных напряжений втулки — в составе групп, возглавляемых научным руководителем работы.
Автору принадлежит разработка математической модели и решение задачи по определению амплитуд вибраций втулок с учетом распределенных нагрузок, оценка вибрационных напряжений в опасном сечении бурта втулки.
Практическая ценность работы
Разработаны метод виртуального эксперимента и имитационная модель цилиндровых втулок, которые обеспечивают получение
данных о вибрационных параметрах втулок без проведения серий натурных испытаний, что позволяет осуществлять подбор оптимальных конструкционных решений на этапе проектирования.
На основе разработанной математической модели получены практические данные влияния условий закрепления втулки в блоке, в том числе жесткости закрепления, на частоту и амплитуду вибраций, а также величину вибрационных напряжений в области бурта втулки СДВС типа 48,5/11.
Результаты работы приняты к внедрению в Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота в учебном процессе и научной работе курсантов и аспирантов судомеханического факультета.
Научные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель вибраций втулки для различных условий заделки втулки в блок с учетом изменяющихся сил давления газов в цилиндре.
Имитационная модель втулки и экспериментальное определение её вибрационных характеристик в виртуальной среде.
Влияние демпфирующей прокладки под буртом втулки на снижение её виброускорений и амплитуд асимметричных циклов изменения напряжений в области бурта. Апробация результатов исследования
Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Судовые энергетические установки» БГАРФ, восьмой межвузовской научно-технической конференции аспирантов, соискателей и докторантов БГАРФ (г.Калининград 2006г.), Пятой международной конференции «Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN'2005» (г.Калининград, БГАРФ), научно-технической конференции «XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий» (г.Миасс, 2006).
Публикации результатов исследования
По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объем диссертационной работы
