Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор конструкторских особенностей, материалов, методов исследования теплового и напряженно-деформированного состояния, методов оценки долговечности крышек цилиндров среднеоборотных дизелей транспортного назначения
1.1. Конструкторские особенности тепловозных и быстроходных судовых дизелей
1.2. Материалы, применяемые для изготовления крышек цилиндров
1.3. Методы исследования теплового и напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров
1.4. Обзор методов оценки долговечности конструкций, работающих при неизотермическом малоцикловом нагружении
1.5. Постановка задачи исследования 57
Глава 2. Расчетное исследование напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров
2.1. Теория течения и неупругого последействия 60
Глава 3. Расчетно-экспериментальное исследование остаточных напряжений в крышках цилиндров
3.1. Описание методики измерения остаточных напряжений в крышках цилиндров
3.2. Результаты тензометрирования крышек цилиндров дизеля 16ЧН26/26 после ускоренных испытаний
3.3. Описание методики расчета остаточных напряжений и анализ полученных данных
3.4. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными по остаточной напряженности
Глава 4. Разработка упрощенной расчетной модели межклапанной перемычки для оценки остаточных напряжений
Глава 5. Оценка долговечности крышек цилиндров среднеоборотных 138
дизелей
5.1.1. Определение параметров блока типового нагружения по данным хронометража для тепловозного дизеля
5.1.2. Определение параметров блока нагружения для судового дизеля
5.2. Оценка долговечности крышек цилиндров по результатам конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния
5.2.1. Определение долговечности крышки цилиндра по критерию термической усталости
5.2.2. Определение долговечности крышки цилиндра по критерию предельного времени релаксации
Выводы по работе 168
Литература
- Методы исследования теплового и напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров
- Теория течения и неупругого последействия
- Результаты тензометрирования крышек цилиндров дизеля 16ЧН26/26 после ускоренных испытаний
- Определение параметров блока нагружения для судового дизеля
Методы исследования теплового и напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров
Крышка цилиндра относится к неподвижным деталям двигателя. В соединении с блоком цилиндров она замыкает силовую схему двигателя сверху, формируя совместно с днищем поршня и стенками цилиндра камеру сгорания. Крышка характеризуется сложной конструкцией, связанной с наличием впускных и выпускных каналов сложной геометрии, полостей охлаждения, вспомогательных отверстий и т.д., а также тяжелыми условиями работы, характерными для современного дизеля. При работе двигателя на крышку одновременно действуют циклические температурные и механические (от сил давления газов), статические монтажные и технологические (остаточные) напряжения. Температура огневого днища крышки со стороны камеры сгорания может достигать 300...450С. Огневое днище при этом имеет неравномерное распределение температур по радиусу и толщине огневого днища (перепад температур может превышать 100 С), а максимальное давление в цилиндре составляет 18...20МПа [19,20].
Основным видом нагружения крышки цилиндра являются температурные нагрузки, возникающие из-за неравномерного нагрева днища в осевом и радиальном направлениях в условиях несвободного расширения элементов огневого днища при работе двигателя. Максимальный уровень температурных напряжений сжатия может достигать atmax--350...400 МПа и выше [16]. Конструкторское исполнение крышки цилиндра во многом определяет тип двигателя. При диаметрах цилиндра более 200 мм. используются крышки индивидуального исполнения (отдельно на каждый цилиндр) [2,5,6]. В настоящее время индивидуальные крышки цилиндров нашли применение и для двигателей с меньшими размерами цилиндра вследствие меньшей трудоемкости изготовления, удобства обслуживания, ремонта и эксплуатации. Крышки двухтактных двигателей с петлевой схемой газообмена наиболее просты по конструкции (ввиду отсутствия клапанов). Наличие газовоздушных каналов в головках и крышках четырехтактных двигателей с верхним расположением клапанов существенно усложняет конструкцию. Конструкторское исполнение во многом зависит от числа клапанов, приходящихся на один цилиндр, взаимного расположения газовых и воздушных каналов, полостей для охлаждающей жидкости, формы камеры сгорания, расположения форсунки, количества отверстий под крепежные шпильки.
Форма наружных стенок во многом определяется компоновочными соображениями, требованиями к прочности и жесткости конструкции. Выполнить все требования часто довольно сложно, так как многие из них взаимно противоречивы. Например, для улучшения наполнения стремятся увеличить диаметр отверстия под впускной клапан, что при прочих равных условиях ведет к уменьшению ширины межклапанной перемычки, повышает температурные напряжения в ней и затрудняет получение равной прочности элементов крышки.
Отступление при конструировании от принципа симметрии может привести к перенапряжению конструкции, особенно при наличии высоких температурных градиентов. Так, асимметричное расположение отверстия под форсунку по отношению к отверстиям под клапаны снижает прочность центральной части днища в результате ухудшения условий охлаждения, асимметрии температурного поля и полей напряжений.
Крышки цилиндров тепловозных и судовых среднеоборотных дизелей разнообразны по конструкции. Для 4-х тактных форсированных среднеоборотных дизелей преимущественное распространение получили 4-х клапанные конструкции, с центрально расположенной вертикальной форсункой, с принудительным жидкостным охлаждением, с плоским (или почти плоским) огневым днищем. Таковы крышки цилиндров дизелей MTU Series 8000, Caterpillar, MAN B&W S35/40ME-B, Kawasaki Heavy Industries LTD ADD30, FAIRBANKS MORSE, ЧН26/26, ЧНЗО/38 и др. 4-х клапанная компоновка крышки цилиндра позволяет добиться улучшения наполнения цилиндров, а вместе с этим и снижения расхода топлива. Кроме того, за счет большего коэффициента наполнения снижается средняя температура цикла. Симметрия данной конструкции (при центральном вертикальном расположении форсунки), по сравнению с 2-х и 3-х клапанными крышками, способствует повышению её надежности. Расположение форсунки при 4-х и 3-х клапанной компоновке чаще всего центральное вертикальное, но иногда из условий компоновки и удобства обслуживания форсунку размещают наклонно. Примером такой компоновки могут служить двигатели ЧН26/26 и ЧН16/17.
Наиболее сложной конструкцией отличаются крышки четырех- и двухтактных двигателей с клапанно-щелевой схемой газообмена. Крышки цилиндров 2-х тактных дизелей характеризуются большей теплонапряженностью. По форме крышки могут быть прямоугольными, круглыми, в виде шестигранника или восьмигранника. При круглой форме возможно равномерное размещение по периферии крышки значительного числа крепежных шпилек, что обеспечивает наилучшее уплотнение газового стыка и равномерное деформирование крышки под действием монтажных усилий. В быстроходных многоцилиндровых двигателях для уменьшения длины двигателя применяют крышки прямоугольной формы. В этом случае крышка крепится к корпусу обычно четырьмя шпильками, расположенными по углам. В четырехтактных двигателях два впускных и два выпускных клапана располагают вокруг форсунки, расположенной в центре днища головки. В составных крышках двухтактных дизелей верхняя часть, выполненная из легкого сплава, имеет значительную высоту, что создает дополнительный теп-лоотвод от нижней, теплонапряженной части, изготавливаемой из чугуна. Нижняя часть воспринимает нагрузку от сил давления газов, обеспечивая жесткость конструкции. Нижнюю и верхнюю части стягивают специальными шпильками.
Повышение надежности работы крышек цилиндров связано в первую очередь со снижением температур и перепадов температур в днище крышки, являющемся наиболее нагруженным ее элементом. Решение вопросов улучшения охлаждения и устранения образования отложений также вносит свой вклад в конструкторское исполнение крышек.
С ростом форсирования двигателей стала актуальной задача повышения эффективности охлаждения. Создание крышек с организованным движением охлаждающей жидкости было связано с использованием промежуточного днища. Примером такой конструкции может служить нижняя часть комбинированной (составной) крышки цилиндров тепловозного двигателя ДН 23/30 (рис. 1.2.), днище которой отлито из высокопрочного чугуна, а также конструкция крышки двигателя ЧН 26/26 (рис. 1.З.). Несмотря на усложнение технологии изготовления и последующую очистку внутренних полостей эта мера позволила снизить температуру огневого днища крышки цилиндра двигателя ЧН 26/26 в среднем на 3-5%.
Составная конструкция, верхняя часть которой изготовлена из легкого сплава, позволяет интенсифицировать теплоотвод от нижней части, однако материалы при этом имеют существенное различие в коэффициентах линейного расширения, что может приводить к перенапряжению отдельных частей и всей конструкции в целом. Кроме того, в данном случае как показала практика Коломенского завода, не всегда удается обеспечить необходимую жесткость конструкции.
Теория течения и неупругого последействия
Анализ работ [3,4,5,15,16,26,28,31,39] показывает, что при существующих конструкторских исполнениях и уровнях форсирования современных среднеоборотных дизелей обеспечить упругое деформирование материала крышки цилиндра в условиях рабочих нагрузок не всегда возможно.
По данным хронометража на Коломенском заводе, число циклов полных тепловых смен для крышек цилиндров транспортных дизелей может доходить до 1-Ю5 циклов [36]. Обеспечение необходимой долговечности крышки цилиндра при существующих температурах возможно лишь за счет приспособляемости. В работе [4] выполнен анализ зависимости долговечности от уровня температуры для теплонапряженных деталей камеры сгорания. Автор приводит величину допустимого размаха пластических деформаций в стабилизированном цикле (ширина петли гистерезиса) Аєрі=0,0001 для высокопрочного чугуна выше которого приспособляемость не возможна.
Доля неупругих деформаций в цикле зависит от температуры, степени стеснения тепловых деформаций и свойств материала. Коэффициент жесткости нагружения (степень стеснения), определяемый как отношение механической деформации к термической деформации к = -м- [72], для межклапанных пере мычек лежит в диапазоне 0,4 до 1 и выше. При жестком нагружении размах деформаций в цикле нагружения остается постоянным. Если при нагреве напряжения превысили условный предел текучести материала, то при разгрузке (охлаждении) появятся остаточные напряжения противоположного знака (рис. 1.17). Со временем остаточные напряжения накапливаются и могут достигать предела текучести материала в области растяжения. Остаточные напряжения после первого цикла деформирования способствуют тому, что при последующем нагружении часть температурного перепада (tmjnmax) во втором цикле бу 48 дет расходоваться на компенсацию растягивающих напряжений, таким образом, напряжения сжатия в высокотемпературной части цикла снижаются. Кроме того, материал при пластическом деформировании упрочняется, что снижает долю пластических деформаций в последующих циклах нагружения, происходит приспособляемость материала, с его последующим деформированием фактически в области упругости.
За счет приспособляемости (квазиупругого деформирования) удается обеспечить высокие показатели по долговечности. Как видно из рис. 1.17. при температуре tl размах пластической деформации во втором и третьем циклах нагружения существенно уменьшился.
В соответствие с теоремой о приспособляемости, установленной Меланом [61,74], конструкция приспособится к действию повторных нагрузок после некоторого количества циклов, если возможно найти такое не зависящее от времени распределение остаточных напряжений, что их сумма с упругими напряжениями в каждой точке тела образует безопасное напряженное состояние, под которым понимают область напряжений, ограниченную поверхностью текучести: где o-fj - тензор упругих напряжений Pij - тензор остаточных напряжений а? — компоненты тензора напряжений в рассмотренном цикле
То есть при циклическом нагружении напряжения должны лежать в области, ограниченной поверхностью текучести (необходимое условие безопасного состояния). Сущность этого утверждения состоит в следующем: если приспособляемость конструкции к действию повторных нагрузок вообще возможна, то она обязательно наступит. С другой стороны справедлива и обратная теорема о приспособляемости, которую вкратце можно сформулировать следующим образом: если сумма остаточных и упругих напряжений будет лежать или выходить за пределы поверхности текучести, то приспособляемость невозможна.
На явлении приспособляемости основана оценка ресурса крышек цилиндров на Коломенском заводе. Методика основана на получении данных по остаточной напряженности крышек после некоторой наработки. Сущность методики состоит в следующем: если остаточные напряжения в наиболее напряженных областях огневого днища (межклапанных перемычках) не превышают предельно допустимого значения, то для данной партии деталей гарантируется безотказная работа (с долей отказов 7%) в течение всего срока эксплуатации дизеля. Допустимый отказ в этот период связан с различием, как свойств материала отдельных деталей, так и с неодинаковыми условиями нагружения. Методика позволяет оценить остаточный ресурс крышек цилиндров дизелей с раз 50 личной степенью форсирования, при наличии данных об остаточных напряжениях. Так, на рис. 1.18. показаны диаграммы накопления остаточных напряжений в крышках дизелей ЧН 26/26 в течение моторесурса при различных температурах на поверхности огневого днища крышки. Предельным уровнем остаточных напряжений является экспериментально установленной уровень 200 МПа. Видно, что температуры порядка 360С являются предельными с точки зрения обеспечения заданного ресурса конструкции.
Темп роста остаточных напряжений (рис. 1.18.) характеризует интенсивность накопления повреждений в структуре материала, а значит, качественно характеризует механизм деформирования материала. Методика, основанная на уровне остаточных напряжений, таким образом, качественно показывает, работоспособна конструкция или нет, что является одним из ее недостатков, поскольку в настоящее время требуется количественная оценка долговечности.
К существенным недостаткам методики можно также отнести: необходимость выборки партии крышек из эксплуатации с последующей их разрезкой для определения остаточных напряжений, недостаточная оперативность метода, не позволяющая применить его к проектируемой конструкции, сложность и дороговизна метода контроля остаточных напряжений.
Результаты тензометрирования крышек цилиндров дизеля 16ЧН26/26 после ускоренных испытаний
Типичным примером является крышка цилиндра, в межклапанных перемычках которой появляются и накапливаются со временем напряжения растяжения, которые оказывают решающее воздействие на долговечность детали. Такие разрушения характерны также для тонких перемычек головок поршней, например в дизелях ЧН 30/38, возникал высокий уровень технологических растягивающих напряжений, связанных с неправильным выбором режима термической обработки, проводимой на заготовке до её механической обработки. Изменение режима закалки (повышение температуры воды в ванне с 20 до 90...95С и выполнение основной механической обработки до термообработки) позволили снизить остаточные напряжения до безопасного уровня и обеспечить надежную работу поршней в эксплуатации.
Технологические остаточные напряжения могут, не вызывая разрушений узлов и деталей, приводить, при последующей работе на дизеле, к искажению исходной геометрии, нарушению точности, снижающих их служебные свойства. Так на дизелях типа ДН 23/30 в сварных конструкциях блоков цилиндров имели место случаи значительных отклонений положения опор коленчатого вала. Выполненные на Коломенском заводе исследования [81 ] показали, что основной причиной необратимых деформаций блоков цилиндров являлась релаксация (во времени) высокого уровня технологических остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления (при сварке его элементов). Повышение температуры высокого отпуска блоков до рекомендуемых значений и увеличение времени выдержки при этой температуре позволили значительно снизить уровень остаточных напряжений и исключить недопустимое искажение геомет
При доводке дизелей типа ДН 23/30, отмечались случаи возникновения радиальных трещин на фасках выпускных клапанов. Клапаны изготовляются из сплава 4Х14Н14В2М, а на рабочие фаски наплавляется кобальтовый стеллит марки ВЗК. Основной причиной появления трещин, как показали выполненные исследования, являлось наличие высокого уровня суммарных температурных растягивающих напряжений, обусловленных осевым и радиальным перепадом температур в тарелке клапана и значительным различием коэффициентов линейного расширения основного металла и наплавки [82]. Одним из основных мероприятий по устранению указанных трещин являлось внедрение специально разработанного режима термической обработки клапанов, обеспечивающего в наплавленном слое высокий уровень благоприятных сжимающих остаточных напряжении в пределах 100...120 МПа [82].
Исследования возникающих в процессе эксплуатации дизеля остаточных напряжений в элементах крышек цилиндров, работающих в упруго-пластическом цикле нагружения, позволяют по темпу накопления остаточных напряжений (в зависимости от времени работы на дизеле) определять запас долговечности этих деталей и оценивать эффективность конструкторских и технологических мероприятий, направленных на повышение ресурса [3,4]. Поэтому, из эксплуатации, через определенные нарастающие сроки наработки как тепловозных, так и судовых дизелей, отбираются партии крышек цилиндров и головок поршней для определения уровня и характера распределения остаточных напряжений в их элементах.
Рассмотрение технической литературы показывает, что, определение остаточных напряжений может производиться различными методами. В книге [83] все они условно разделяются на две основные группы: физические и механические методы. К механическим методам, чаще всего, относят разрушающие методы контроля. В работе профессора Дуброва А.А. «Проблемы измерения характеристик напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов сложных технических объектов» рассмотрены неразрушающие методы контроля остаточной напряженности. Дана также оценка возможности применения того или иного метода в инженерной практике, способы повышения эффективности применения и повышения достоверности данных, полученных не-разрушающим методом. Главное направление развития средств диагностики материалов, по мнению автора - поиск возможностей определения неких механических характеристик материала, связанных с его напряженным состоянием, по параметрам физических полей, используемых для диагностики.
Существует стандартная классификация неразрушающих методов диагностики, разделяющая их по характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом и по способам получения первичной информации на девять видов: магнитные, электрические, вихретоковые, радиоволновые, тепловые, оптические, радиационные, акустические и капиллярные. Каждый из видов, в свою очередь подразделяется на различные группы. В сущности, определение свойств материала сводится к установлению изменений неких параметров используемого физического поля. Иными словами, если на объ-ект исследования, обладающий некоторыми заранее неизвестными способностями сопротивления внешним воздействиям, оказать воздействие физическим полем, имеющим известные или заданные параметры то изменения параметров используемого поля, вызванные реакцией объекта, будут представлять «отпечаток» его свойств в области, заданной типом физического поля, в качестве которого могут выступать:
Определение параметров блока нагружения для судового дизеля
Из приведенных данных видно, что первый цикл нагружения осуществляется по начальной кривой деформирования а — є. Напряжение сг002 =-316МПа (е=-0Д84%; р=-0,02%) соответствует условному пределу упругости материала при сжатии. Далее материал работает в области неупругого деформирования и при т=-0,287% о- —ЗТЗМПа. После достижения максимальной температуры цикла, происходит выдержка в течение получаса при постоянной деформации, то есть релаксация напряжений. При этом максималь 132 релаксации напряжений производится по формуле (2.26), полученной в главе
И. Время выдержки на режиме полной мощности дизеля в течение первого цикла соответствует времени работы на указанном режиме при стандартных приемо-сдаточных испытаниях, которым подвергаются все дизели, выпускаемые ОАО «Коломенский завод».
Разгрузка происходит по линии, параллельной начальному участку упругого деформирования материала. После полной разгрузки до нулевого значения деформаций, в перемычке возникают растягивающие остаточные напряжения ст=96МПа.
Во втором цикле нагружение перемычки происходит по линии, совпадающей с линией разгрузки предшествующего цикла. Таким образом, уже после первого цикла, материал начинает работать в квазиупругой области, когда линии нагружения совпадают с линиями разгрузки и параллельны начальному участку линейного деформирования, а петля гистерезиса отсутствует. Термические циклы осуществляются с постоянной амплитудой цикла:
При этом происходит постоянное смещение средней составляющей 7т цикла в сторону положительных значений за счет релаксации напряжений во время выдержки при максимальной температуре цикла.
После 1100 циклов нагружений при суммарном времени выдержки на режиме полной мощности 580 часов (линия 4), расчетная величина остаточных напряжений в перемычке составила гост=164МПа. Полученные результаты хорошо согласуются с данными экспериментального определения остаточных напряжений в 7 крышках цилиндра, снятых с одного и того же дизеля 16ЧН26/26 после проведения ресурсных ускоренных испытаний при указанном количестве циклов теплосмен и суммарном времени выдержки. Среднее значение остаточных напряжений в перемычках между выпускными клапанами составило гппт = 143МПа.
Таким образом, разработанная математическая модель обладает достаточно высокой степенью адекватности и может быть применена на практике для расчета остаточных напряжений. Более того, хорошее соответствие экспериментальным данным позволяет использовать эту модель для предварительной оценки долговечности конструкции. Последующая, более точная оценка должна осуществляться на основе трехмерного конечно-элементного анализа.
Поставим задачу приближенной оценки максимального (предельного) времени релаксации, в течение которого конструкция может работать в квазиупругой области в условиях теплосмен на двигателе. Предельное время соответствует суммарному времени выдержки на режиме полной мощности (Ne =3680 кВт), при котором в процессе разгрузки растягивающие напряжения в конструкции достигают предела упругости материала. В этом случае в конструкции будет иметь место знакопеременное неупругое деформирование материала. Последнее означает, что конструкция теряет свою несущую способность.
С учетом принятого правила кинематического упрочнения при циклическом деформировании, предел текучести в области растяжения снижается пропорционально достигнутому упрочнению в области сжатия. Расчетное значение максимального сжимающего напряжения в перемычке между выпускными клапанами составило ттах = -373 МПа, то есть превысило (по модулю) предел упругости материала при сжатии 7 02 =-316МПа (Г = 350С) на 57МПа. В результате, новый предел упругости при растяжении составит O"Q02 = 360 57=303МПа ( при Т = 20С).
Таким образом, первоначально циклический предел текучести материала составляет S(0)= о 002 +о-„ 02 =316+360=373+303=676МПа. В дальнейшем, вследствие релаксации напряжений, предел упругости материала при сжатии будет постоянно уменьшаться. Термические циклы будут осуществляться с постоянной амплитудой цикла, которая согласно формуле (4.5) равна аа =222 МПа.
