Введение к работе
Актуальность работы. Основная проблема современного дизелестроения - последовательное улучшение удельных энергетических, экономических и экологических показателей двигателей различного назначения - наиболее полно и динамично разрешается посредством форсирования рабочих процессов. Возможности этого направления сдерживаются все возрастающим уровнем механических и тепловых нагрузок, неизменно сопутствующих наддуву двигателей.
В этих условиях надежность современных форсированных двигателей в значительной степени определяется работоспособностью деталей, образующих камеру сгорания. Многочисленные случаи отказов деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей самых различных назначений заставляют все более тщательно подходить к оценке условий работы этих деталей на стадии проектирования и в эксплуатационных условиях.
Среди деталей ЦПГ втулка цилиндра занимает особое положение, как по выполняемым функциям, так и по требованиям к ней предъявляемым. Особое значение имеет при этом обеспечение работоспособности верхней части втулки, которая подвержена воздействию монтажных усилий, максимальных механических и тепловых нагрузок. Поэтому поиск путей форсирования рабочих процессов при ограниченном росте механической и тепловой напряженности цилиндровых втулок составляет одну из основных задач, которую приходится решать конструкторам и исследователям.
Анализ опубликованных подходов к решению задачи напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей показывает, что последовательное форсирование дизелей по среднему эффективному давлению потребовало существенного пересмотра некоторых положений конструирования этой детали. В первую очередь эти изменения относятся к конструктивному оформлению наружной поверхности втулок и в дизелях последних модификаций достигаются посредством применения различных способов их закрепления в блоке.
Способ закрепления втулки в блоке является одним из наиболее эффективных конструктивных факторов, определяющих условия работы втулки и, следовательно, оказывающий влияние на все показатели, которыми принято характеризовать её напряженно - деформированное состояние, включая виброактивность и процессы теплоотдачи в охлаждающую воду.
В настоящее время достаточно отчетливо определилась тенденция, в соответствии с которой конструктивное оформление полостей охлаждения форсированных четырехтактных дизелей выполняется таким способом, при котором исключается охлаждение нижней части цилиндровой втулки.
Такое конструктивное решение обеспечивается постановкой дополнительных опор и позволяет:
- выровнять температуру цилиндровой втулки по высоте и уменьшить её напряженно-деформированное состояние от воздействия тепловых нагрузок;
- уменьшить энергопотребление в системе охлаждения и её емкость;
- улучшить тепловые условия протекания рабочего процесса на долевых режимах работы двигателя и экономические показатели;
-повысить жесткость блок - картера.
Из изложенного следует, что поиск путей ограничения роста механической и тепловой напряженности цилиндровых втулок представляет собой комплексную задачу, в которой наряду с проработкой более рациональных конструктивных форм следует признать целесообразными и практически важными теоретические разработки, призванные дать достаточно ясное представление о закономерностях распределения напряжений и деформаций вдоль образующей втулки и обоснованные рекомендации по размещению дополнительных опор.
Объект исследования. Цилиндровые втулки четырехтактных дизелей различного назначения.
Предмет исследования. Напряженно-деформированное состояние цилиндровых втулок четырехтактных дизелей.
Цель исследования. Моделирование напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок от воздействия переменных газовых и тепловых нагрузок.
Поставленная цель достигается постановкой и решением нижеследующих задач.
1.Исследование напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей от воздействия переменных механических и тепловых нагрузок.
2. Разработка метода для сравнительной оценки уровня тепловой напряженности деталей ЦПГ дизелей различного назначения.
3. Теоретическая оценка виброактивности цилиндровых втулок четырехтактных дизелей при различных способах их закрепления в блоке.
4. Разработка метода контроля тепловой напряженности деталей ЦПГ в эксплуатационных условиях.
На защиту выносятся:
1. Математические модели для оценки напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырёхтактных дизелей от воздействия переменных газовых и тепловых нагрузок, а также результаты теоретической оценки их виброактивности в зависимости от способов закрепления в блоке.
2. Метод для сравнительной оценки тепловой напряженности деталей ЦПГ дизелей различного назначения.
3. Метод контроля напряженности деталей ЦПГ от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях.
Научная новизна результатов исследования состоит в том, что разработанные математические модели позволяют в каждом конкретном случае определять закономерности изменения напряженно-деформированного состояния вдоль образующей, т.е. обоснованно решать вопрос о размещении дополнительных опор, оперативно контролировать предельные тепловые нагрузки по цилиндрам двигателя в эксплуатационных условиях.
Теоретическая значимость выполненных исследований состоит в том, что предложены новые методы количественного описания тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду и контроля напряженности деталей ЦПГ от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях.
Практическая ценность выполненных в работе исследований состоит в том, что они позволяют более обоснованно назначить геометрические размеры элементов цилиндровых втулок на стадии их проектирования, сократить трудоемкость и затраты на экспериментальные доводочные исследования; контролировать в процессе эксплуатации двигателя уровни предельных нагрузок, т.е. рационально расходовать ресурс деталей цилиндропоршневой группы.
Достоверность и обоснованность полученных в работе научных результатов определяется использованием инженерных методов построения математических моделей, базирующихся на рабочих гипотезах, обоснованных экспериментальными исследованиями, привлечением обширных статистических данных и результатов испытаний двигателей.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на конференциях «Надежность и эффективность технических систем» в КГТУ в 2005, 2006 г. г;
- на 8, 9 и 10-ой межвузовских научно - технических конференциях аспирантов и соискателей БГА в 2007, 2008, 2009 г.;
- на XXIII межвузовской научно - практической конференции профессорско-преподавательского состава КПИ ФСБ РФ в 2008г;
- на межотраслевой научно - технической конференции, посвященной 100-летию заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д.т.н., профессора Истомина П.А., С – П. ГМТУ, г. С- Петербург, 2008г.;
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, из которых две в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы
