Введение к работе
Актуальность темы. Форсировка современных дизелей по параметрам термодинамического цикла и частоте вращения коленчатого вала повышает интенсивность ударного нагружения, вибраций и колебаний элементов кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Отечественными и зарубежными исследованиями доказано, например, что под воздействием ударной возмущающей силы от сгорания топлива возникает колебательный процесс в масляном слое шатунного подшипника коленчатого вала, существенно влияющий на гидродинамические характеристики, несущую способность и эксплуатационную надежность подшипников скольжения, приводящий к разрушению деталей дизеля, в частности, к образованию усталостных трещин в азотированном слое галтелей коленчатого вала. При дальнейшей работе последнего от поврежденных зон из-за усталостных трещин полностью разрушается коленчатый вал.
За оценочный комплексный критерий степени воздействия ударного нагружения на гидродинамику масляного слоя КШМ принят коэффициент динамичности нагрузки Кд как параметр, наиболее полно характеризующий степень ударного нагружения и природу колебательных процессов в КШМ.
С целью предупреждения аварий, связанных с поломками коленчатых валов форсированных дизелей от динамики нагружения, на ОАО «Волжский дизель имени Маминых» выполнен комплекс исследований, направленных на разработку мероприятий, снижающих вредное воздействие ударных возмущающих сил и позволяющих таким образом восстановить эксплуатационную надежность коленчатых валов.
В данной работе изложены результаты проведенных автором исследований, связанных с разработкой элементов систем информационного мониторинга исследования процессов технологического вибрационного старения коленчатых валов и, следовательно, с повышением запасов усталостной прочности последних. Постановка этих исследований, как правило, вызвана непосредственными запросами производства, что само по себе предопределяет актуальность тематики и практическую ценность результатов, многие из которых получены впервые.
Актуальность работы подтверждается также тем, что она является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы ОАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0.13.07 «Создание и освоение производств новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых программ по развитию двигателестроения.
Цель работы - разработка элементов систем информационного мониторинга исследования процесса усталостной прочности азотированных коленчатых валов на базе усовершенствования конструкции последних, сводящегося к применению галтелей малого радиуса.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи исследований по разработке элементов систем информационного мониторинга исследования процессов и технологий:
-выбора радиусов галтелей для опытных коленчатых валов;
-выбора режимов упрочнения накаткой и разработка соответствующей оснастки;
-разработки технологии химико-термической обработки (азотирования) коленчатых валов;
-при моделировании динамического ударного нагружения КШМ как элемента системы управления технологическим вибрационным старением коленчатых валов;
-уточнения механизма взаимодействия динамического нагружения КШМ и демпфирования деталей цилиндро-поршневой группы дизеля как элементов системы управления технологическим вибрационным старением коленчатых валов;
-при динамическом ударном нагружении масляного слоя шатунного подшипника скольжения форсированного дизеля в условиях использования поверхностно-активных веществ как элементов системы управления технологическим вибрационным старением коленчатых валов;
-при разработке комплексного критерия для оценки динамической напряженности КШМ при инерционном нагружении как элемента системы управления технологическим вибрационным старением коленчатых валов;
-при проведении экспериментальной оценки динамического ударного нагружения коленчатых валов на работающих дизелях от действия сил давления газов;
-при проведении экспериментальной оценки динамики нагружения КШМ при инерционном нагружении форсированных дизелей;
-при исследовании эффекта П.А.Ребиндера в подшипниках скольжения форсированных дизелей как элементов системы управления технологическим вибрационным старением коленчатых валов;
-при испытаниях коленчатых валов и образцов-свидетелей на усталостную прочность;
-при проведении исследований влияния вибрационного старения на усталостную прочность коленчатых валов форсированных дизелей;
-при экспериментальной корректировке расчетов эффективности систем управления технологическим вибрационным старением коленчатых валов форсированных дизелей.
Методы и средства исследования. Поставленные задачи требовали параллельного применения теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретические исследования были проведены с использованием расчетно-аналитических методов теории упругости, строительной механики стержневых систем, сопротивления материалов и метода конечных элементов.
Экспериментальные методы исследований основаны на разработке элементов систем информационного мониторинга исследования процессов и технологий базирующихся на электро-тензометрии, механических методах и приборе «Стресскан-500» при исследовании начальных технологических остаточных напряжений после поверхностного пластического деформирования (ППД) элементов коленчатых валов и образцов-свидетелей.
Научная новизна работы:
Предложен базис элементов систем информационного мониторинга исследования процессов и технологий:
-
вибрационного старения коленчатых валов форсированных дизелей в условиях динамики нагружения КШМ от сгорания топлива, инерционного воздействия и использования поверхностно-активных веществ;
-
корреляции вибрационного старения и усталостной прочности коленчатых валов форсированных дизелей;
-
дифференцированного гидродробеструйного упрочнения противовесов и щек коленчатого вала, а шатунной и коренной шеек - ультразвуковой обработкой;
4. демпфирования динамики нагружения КШМ форсированных
дизелей с применением в системе смазки поверхностно-активных ве
ществ (ПАВ);
5.экспериментальной корректировки расчета экономической эффективности систем управления технологическим вибрационным старением коленчатых валов форсированных дизелей.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
За счет использования новых элементов информационного мониторинга при исследовании процессов и технологий: достигнут переход к эффективному управлению технологическим вибрационным старением; получены научно обоснованные рекомендации по оценке и прогнозированию динамической напряженности элементов коленчатых валов; разработана технология упрочняющей обработки наружных поверхно-
стей щек и противовесов коленчатых валов, для которых достигалось активное снижение неравномерности результирующих напряжений по сечениям элементов конструкции; снижены материалоемкость изготовления коленчатого вала и трудоемкость его изготовления.
Результаты исследования внедрены в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» (г. Балаково) при изготовлении коленчатых валов форсированных дизелей с высоким технологическим уровнем и эксплуатационной надежностью.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 52 конференциях различного уровня:
«Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и то плив» (Москва, 1960); «Создание и техническое обслуживание локомотивов большой мощности» (Ворошиловград, 1985); «Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания» (Москва, 1986); «Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей» (С.-Петербург, 1989,1990,1991,1992,1993); «Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК СНГ» (Саратов, 1989-2011); «Декада науки» (Саратов, 1989); «Динамика и прочность автомобиля» (Москва, 1990); «Проблемы развития локомотивостроения» (Луганск, 1990); «Конверсия производства деталей двигателей внутреннего сгорания» (Харьков, 1991); «Комбинированные двигатели внутреннего сгорания при МГТУ им.Баумана (Москва, 1987, 1988,1989,1990); На ВДНХ СССР (1991,2 серебряных медали); «Комплексные методы повышения надежности и долговечности деталей технологического оборудования» (Пенза, 1992); Совет ОПМиК НПО ЦНИИТМАШ (Москва, 1982, 1993); «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Саратов, 2002 - 2011); Научно-технической конференции (Москва,2003);Научно-техническом семинаре (Саратов,2007); Научно-практической конференции (Моск-ва,2003); Научно-техническом семинаре (Саратов, 2011); Научно-практической конференции (Пенза, 2008); Научно-практической конференции (Пенза,2010); Научно-технической конференции (С.Петербург, 2010); Конференции (Оренбург, 2010); На научных семинарах кафедр «Управление и информатика в технических системах» и «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ в 2000-2011 годах; На научных семинарах кафедр «Управление в социальных и технических системах» и «Информационные технологии в бизнесе» Балаковского института бизнеса и управления в 2000-2011 годах.
Теоретические исследования выполнены на кафедрах «Управление и информатика в технических системах» и «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета, экспериментальные - в ОАО «Волжский дизель им. Маминых».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 157 научных трудов, в том числе 4 монографии, 2 учебных пособия, получено 27 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, включает 113 страниц текста, 35 рисунков, 16 таблиц и приложения, список литературы содержит 111 наименований.
