Введение к работе
Общая характеристика работы. Диссертация посвящена вопросам повышения надежности цилиндровых втулок судовых дизелей за счет разработки комплекса мероприятий по снижению характеристик их колебаний (частоты и амплитуды), являющихся причиной возникновения кавитацион-ных явлений в охлаждающей жидкости и последующего коррозионно-эрозионного разрушения охлаждаемой поверхности цилиндровых втулок Кроме того, в диссертации исследован вопрос эффективности защитных покрытий на охлаждаемых поверхностях цилиндровых втулок, создаваемых за счет введения в охлаждающую жидкость присадок
Колебания втулок, а также пульсация рабочего давления в цилиндрах двигателей создают условия циклического нагружения бурта и как следствие, образование усталостных трещин в галтелях бурта втулки В диссертации проведены исследования влияния циклических нагрузок на напряженность материала бурта втулки, разработаны мероприятия по снижению напряжений методом демпфирования
Поскольку основной причиной вибрации цилиндровых втулок являются ударные импульсы поршней при перекладках шатуна, то ряд разделов диссертационной работы посвящен определению параметров вибрации цилиндровых втулок тронковых дизелей методами математического и виртуального моделирования На основе учета динамических нагрузок разработана математическая модель для определения частоты колебаний цилиндровой втулки, представляющая результирующую частоту колебаний втулки как сумму частоты свободных колебаний и частоты вынужденных колебаний от изменения давления газов в цилиндре Доказана адекватность полученной математической модели реальным процессам путем сопоставления ее с моделью, разработанной в виртуальной среде «Electronics Workbench» и прове-
4 денным физическим экспериментом с цилиндровой втулкой судового дизеля 44 8,5/11 на стендовой установке
Разработана методика демпфирования колебаний цилиндровых втулок путем установки упругой прокладки под буртом
Разработана и испытана присадка нового типа к системам охлаждения судовых дизелей, показавшая высокую эффективность защиты поверхностей охлаждения от коррозионного и эрозионного разрушений. Показана практическая реализация разработанных в процессе исследования теоретических результатов Получен патент на разработанную присадку
Актуальность проблемы. Коррозионно-эрозионное изнашивание в системах жидкостного охлаждения дизелей является фактором, снижающим их эксплуатационную надежность. Статистика отказов свидетельствует, что выбраковка цилиндровых втулок средне- и высокооборотных двигателей часто 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.
Согласно современным представлениям, эрозионные разрушения цилиндровых втулок развиваются в виде одновременно протекающих с различной интенсивностью процессов чисто механического разрушения при кави-тационной эрозии и коррозии
Анализ причин коррозионно-эрозионных повреждений стенок втулок и образования трещин под посадочными буртами, позволяют сделать вывод, что полностью исключить эти процессы в большинстве случаев невозможно. Однако изменения конструкции цилиндровых втулок, ведущих к снижению уровня вибраций, позволяют снизить интенсивность эрозионных разрушений и величину напряжений в опасных сечениях буртов и тем самым продлить срок службы втулок
Методологическую и теоретическую основу исследования вибрационных процессов цилиндровых втулок и оценки их влияния на эрозионное
5 разрушение составили труды ученых Л И Погодаева, А А Самарского, С Н Кана, С П Тимошенко, Н Н Иванченко, А А Скуридина, А П Пимо-шенко, О К Безюкова, В В Пахолко
Несмотря на глубокие и обстоятельные исследования ученых в области коррозионно-эрозионного разрушения поверхностей охлаждения судовых дизелей, такие актуальные вопросы как влияние конструкционных особенностей втулок на уровни их вибраций и напряжений, учет фактических условий закрепления втулок в блоке цилиндров при создании расчетных моделей, проверка расчетов уровней вибраций цилиндровых втулок, разработка методов демпфирования колебаний и снижения кавитации охлаждающей жидкости продолжают оставаться не до конца решенными
Существующие в настоящее время методики расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок не в полной мере отвечают задачам разработки оптимальных конструкций Отсутствие учета фактических условий закрепления втулки в блоке и воздействия на стенки сил газового давления в цилиндре, а также использование в методиках расчета эмпирических коэффициентов, приводят к сложности определения распределения амплитуд вибраций по поверхности втулки и применения данных методик на этапе конструирования детали
Поэтому необходимость усовершенствования методов расчета и разработки новых подходов к оценке вибрационных характеристик цилиндровых втулок обусловлена также тем, что при расчете ресурса втулки требуется учитывать неравномерность распределения и наличие локальных зон разрушений, обусловленных повышенными значениями виброускорений и напряжений в этих зонах
Среди способов повышения коррозионно-эрозионной стойкости цилиндровых втулок, а также блоков дизелей можно выделить три основных направления конструктивные улучшения деталей цилиндро-поршневои группы, технологическая обработка материала втулки и использование различных эксплуатационных мероприятий по снижению интенсивности корро-
6 зионно-эрозионных разрушений поверхностей охлаждения Если конструктивные и технологические мероприятия, проводимые на стадии проектирования и изготовления двигателя, решают проблему повышения надежности строящихся машин, то повышение коррозионно-эрозионной стойкости охлаждаемых деталей эксплуатируемых дизелей должно решаться путем снижения агрессивного воздействия охлаждающей среды. Это может быть достигнуто применением специальных присадок комплексного воздействия, позволяющих снизить скорости процессов коррозии и эрозии. Таким образом, проблема повышения надежности втулок и блоков цилиндров судовых дизелей является актуальной для всех типов двигателей
Цель диссертационной работы заключалась в разработке комплексных методов повышения надежности цилиндровых втулок дизелей за счет оптимизации их вибрационных характеристик и создания защитных покрытий поверхностей теплообмена дизелей от коррозионно-эрозионного разрушения.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Выполнить всесторонний анализ существующих методик расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок дизелей с оценкой их теоретической базы 2 Разработать математическую модель втулки, которая позволяет вести расчет вибрационных характеристик при любом количестве опор и их взаимном расположении с учетом условий посадки втулки на этих опорах и при возбуждении колебаний ударом поршня и силами газового давления в цилиндре 3. Создать имитационную модель втулки с постановкой виртуального
эксперимента для оценки ее вибрационных характеристик. 4 Разработать имитационную модель демпфирующего устройства и методику выбора его механических характеристик
-
Провести физический эксперимент для проверки адекватности разработанных моделей
-
Разработать присадку к охлаждающей жидкости, которая осуществляла бы комплексную защиту тешюобменных поверхностей систем охлаждения судовых дизелей от коррозионно-эрозионного повреждения
-
Провести сравнительные экспериментальные исследования антиэрозионных и поверхностных свойств разработанной присадки
Основная идея и внутреннее единство работы. Основная идея диссертационной работы заключается в разработке методов, обеспечивающих повышение надежности цилиндровых втулок дизелей Решению этой проблемы посвящены все разделы диссертационной работы, в которых последовательно разработаны методы от оценки вибрационной активности вибрирующих поверхностей втулок до создания защитной присадки На основе полученных представлений о характере и величине параметров вибрации втулок разработана методика демпфирования колебаний втулок до значений, не превышающих порог возникновения кавитации в охлаждающих жидкостях Анализ разработанных моделей и взаимосвязи кавитационно-эрозийной стойкости углеродистых и легированных сталей с их механическими макрохарактеристиками определили условия создания защитного покрытия на основе бестокового никелирования Таким образом, основная идея комплексного решения проблемы повышения надежности элементов цилиндро-поршневой группы судовых дизелей проходит через все главы диссертации, что позволяет говорить о внутреннем единстве и целостности работы
Методы и объекты исследования. В диссертационной работе использовались теоретические и экспериментальные методы При разработке математической модели использовались методы математического анализа, линейной алгебры и математической статистики. При разработке и постановке эксперимента в виртуальной среде использовался метод аналогий «сила -ток» в прикладном пакете «ELECTRONICS WORKBENCH» При анализе
8 эффективности защитных функций присадки от кавитационной эрозии применялись положения теории физической химии, статистической термодинамики, теории поверхностных явлений, теории вероятности и математической статистики, современные установки, методы исследований и измерений Объектами исследований выбраны цилиндровые втулки, поверхности охлаждения блока цилиндров дизелей, выполненные из стали, чугуна и различных сплавов
Научные положения, выносимые на защиту:
математическая модель процесса вибраций цилиндровой втулки как несимметрично нагруженной тонкостенной цилиндрической оболочки;
методы расчета характеристик вибраций втулки, основанные на различных модификациях математической модели для различных условий заделки втулки в блоке цилиндров;
имитационная модель втулки на основе методов электромеханических аналогий и постановка виртуальных экспериментов с её помощью в среде Electronics Workbench,
результаты исследования влияния сопротивлений упругим деформациям в местах закрепления втулок на их вибрационные характеристики;
основы моделирования и расчета параметров демпфирующих устройств цилиндровых втулок,
состав и технология использования новой присадки к охлаждающей жидкости судовых дизелей, позволяющей осуществлять комплексную защиту поверхностей охлаждения от коррозионных и эрозионных разрушений
результаты исследования антиэрозионных свойств новой присадки на чугунных образцах с учетом её поверхностной и адсорбционной способностей;
методика контроля концентрации присадки в охлаждающей жидкости
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов исследований обусловлены корректным использованием метода математического моделирования, в котором втулка была представлена в виде статически неопределённой системы Раскрытие статической неопределенно-
9 ста проводилось энергетическим методом, разработанным С Н Каном для цилиндрических оболочек Определение компонент деформаций, являющихся функциями координат и времени, осуществлялось с использованием метода разделения переменных (метода Фурье) с получением однородного дифференциального уравнения (ДУ) четвертого порядка для функции, описывающей форму деформаций вдоль оси цилиндра Корни характеристического уравнения полученного ДУ находились численным методом простых итераций из условия нетривиальной совместности системы линейных алгебраических уравнений, составляющих граничные условия задачи Для их решения был использован матричный метод в соответствии с общей теорией систем линейных алгебраических уравнений Для нахождения величины деформации втулки в месте удара поршня в момент его контакта со стенкой была использована теория удара С П Тимошенко Вынужденные колебания втулки под воздействием распределенной силы газового давления были получены методом построения функции влияния единичного сосредоточенного импульса. Расчет амплитуд вынужденных колебаний, а также определение скорости поршня в момент его контакта со стенкой производились численным интегрированием уравнений движения с применением метода конечных разностей на основе теории разностных схем А А Самарского
Для исследования процесса вибраций цилиндровых втулок был применен метод компьютерной имитации путем реализации на ЭВМ виртуальной математической модели, включающей систему динамических уравнений При переходе от механических параметров модели к электрическим использовался метод электро-механических аналогий Для обработки экспериментальных данных, полученных в ходе натурного эксперимента, применялись методы математической статистики и теории вероятностей
Достоверность полученных результатов была подтверждена их проверкой на стендовой установке путем проведения измерений вибрационных характеристик цилиндровой втулки судового дизеля 448,5/11.
10 Эффективность разработанной присадки проверялась на стендовой установке с использованием магнитострикционного вибратора, широко используемого в практике исследования эрозионного разрушения металлов Научная новизна заключается в следующем
разработана математическая модель процесса вибрации втулки, позволяющая вести расчет вибрационных характеристик при любом количестве опор и любом их взаимном расположении с учетом условий посадки втулки на этих опорах при совместном возбуждении колебаний ударом поршня и силами газового давления в цилиндре,
разработана имитационная модель втулки и выполнен виртуальный эксперимент для получения ее вибрационных характеристик путем измерений в виртуальной среде,
-разработана имитационная модель и методика определения параметров демпфирующего устройства,
- разработана присадка для охлаждающей жидкости, обладающая высокими
антикоррозионными и антиэрозионными свойствами, обеспечивающая ком
плексную защиту теплообменных поверхностей систем охлаждения судовых
дизелей.
Практическая ценность работы. Разработаны математическая и имитационная модели цилиндровых втулок и процедуры их использования, которые обеспечивают получение данных о вибрационных параметрах втулок без проведения натурных испытаний, что позволяет осуществлять подбор оптимальных конструктивных решений на этапе проектирования и осуществлять демпфирование вибраций втулок при эксплуатации дизелей
На основе результатов использования разработанной математической модели получены практические данные влияния условий закрепления втулки в блоке на частоту и амплитуду вибраций, а также на величину вибрационных напряжений в области бурта втулки дизеля
Практическая ценность разработанной присадки к воде теплоэнергетических установок подтверждена патентом на изобретение № 2192505, выданным Российским агентством по патентам и товарным знакам 10 ноября 2002 г
Присадка испытана и принята к использованию на судах Управления технологического флота ОАО «Лукойл - Калининградморнефть»
Результаты работы приняты к внедрению в Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота в учебном процессе и реализованы в научной работе студентов и аспирантов судомеханического факультета
Апробация работ. Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на Пятой международной конференции «Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN'2005» (г Калининград, БГАРФ), научно-технической конференции «Наука и образование - 2005» (г Мурманск, Ml ТУ), научно-технической конференции «XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий» (г Миасс, 2006), 4 MIEDZYNARODOWA KOFERENCJA NAUKOWO
- TECHNICZNA «EXPO - SHIP 2006» (Szczecin, Akademia morska),
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты многолетних исследований, полученных автором самостоятельно, а также совместно с аспирантами, работавшими под руководством автора.
Лично автору принадлежат
разработка математической модели цилиндровой втулки,
выбор и постановка задач по разработке и исследованию процессов вибраций цилиндровых втулок судовых дизелей,
разработка программ и конкретизация теоретических и экспериментальных направлений исследования процессов вибрации цилиндровых втулок и создание комплексной присадки к системам охлаждения дизелей,
разработка имитационной модели втулки цилиндра и постановка виртуального эксперимента,
разработка стендовой установки и проведение натурного эксперимента по определению вибрационных характеристик цилиндровой втулки дизеля,
12 - разработка имитационной модели демпфирующего устройства цилиндровых втулок и создание методики выбора его механических характеристик
