Исследование и разработка методики оценки долговечности головок цилиндров тракторных дизелей с воздушным охлаждением

• Автор: Прыгунов, Максим Петрович
• Шифр специальности: 05.02.02, 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Владимир
• Количество страниц: 177 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДИК ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Виды и причины разрушения головок цилиндров
1.2. Методы повышения термостойкости головок цилиндров
1.3. Обзор работ по оценке усталостной долговечности головок цилиндров
1.4. Гипотезы накопления повреждений
1.5. Безмоторные стенды для исследования теплового и напряженно-деформированного состояния головок цилиндров
1.6. Цели и задачи исследования
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
2.1. Анализ конструктивных параметров головок цилиндров
2.2. Определение исходных данных для расчета
2.3. Решение задачи теплопроводности
2.4. Определение напряженно-деформированного состояния головки цилиндра
2.5. Расчет усталостной долговечности головки цилиндра
Выводы по главе
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
3.1. Характеристики расчетной модели головки цилиндра
3.2. Определение механических нагрузок действующих на головку цилиндра
3.3. Определение тепловых нагрузок действующих на головку цилиндра
3.4. Результаты расчета теплового состояния головки цилиндра
3.5. Анализ теплового напряженно-деформированного состояния головки цилиндра
3.6. Оценка долговечности головки цилиндра

Выводы по главе
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ
4.1. Объекты исследования
4.2. Цели и задачи исследования
4.3. Программа и методика проведения исследования
4.3.1. Программа исследования
4.3.2. Методика проведения исследования
4.4. Измерительная аппаратура
4.5. Безмоторный стенд
4.6. Определение температурных полей огневого днища головки цилиндра
4.7. Измерение перемещений наружных поверхностей головки цилиндра
4.8. Оценка погрешности экспериментального исследования
4.8.1. Оценка погрешности при определении температурных полей огневого днища головки цилиндра
4.8.2. Оценка погрешности при измерении перемещений наружных поверхностей головки цилиндра
4.9. Результаты экспериментального исследования и их анализ
4.10. Проверка предлагаемой методики по результатам эксперимента
Выводы по результатам экспериментальной работы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Температура в межклапапной перемычке головки цилиндра двигателя 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) на 19 режимах
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты расчета цикла двигателя 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т)
на 19 режимах
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Изменение тензора напряжений в межклапанной перемычке головки цилиндра двигателя 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) при переходе с режима 0 до 18 мощностных режимов

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Непрерывный рост удельных мощностей приводов объектов машиностроения обуславливает существенное возрастание нагрузок на их конструкцию. Так форсирование дизелей приводит к увеличению термических и механических нагрузок на детали, образующие камеру сгорания (КС), которые играют важную роль в формировании жизненного цикла двигателя. В результате протекания рабочего процесса поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) происходит нагрев головки цилиндра (ГЦ) со стороны КС, что сопровождается образованием на огневой поверхности температурных полей с ярко выраженным перепадом. Рост температур приводит к ухудшению механических свойств материала ГЦ, а перепадов - к увеличению термических напряжений. При работе тракторного дизеля на неустановившихся режимах, наиболее характерных для условий эксплуатации, тепловое напряженно-деформированное состояние (ТНДС) ГЦ постоянно изменяется во времени, что вызывает образование трещин в наиболее напряженных сечениях: перемычках межклапанных, а также между отверстиями под распылитель форсунки и клапаны. Появление трещин на перемычках ГЦ приводит к отказам двигателя. Это обстоятельство вызывает необходимость разработки методики оценки долговечности ГЦ на стадии проектирования с учетом характера нагружения двигателя при эксплуатации и создания методик ускоренной оценки долговечности и средств для их реализации на стадии доводки. Поэтому рассматриваемая тема исследований является актуальной.
Степень ее разработанности. По результатам выполненной работы разработана новая расчетно-экспериментальная методика оценки долговечности ГЦ и технические средства для ее ускоренного определения при доводке двигателя. Предложены математические модели для расчета температурных полей огневого днища ГЦ при работе двигателя на различных режимах. Доказана адекватность температурных полей при испытании на безмоторном стенде (БС) и при стендовых испытаниях дизеля. Введены новые предложения по выбору граничных условий (ГУ) при расчете ГЦ. Полученные результаты расширяют границы их приме-

Установка оборудована системами, регулирующими интенсивность охлаждения ГЦ 2 и цилиндра 7 за счет изменения расхода воздуха и масла. В качестве источников теплоты использовались электронагреватели 5, установленные внутри цилиндра 7 и в выпускном канале ГЦ 2. Для имитации сил давления газа внутрь цилиндра 7 подавался сжатый воздух через форсуночное отверстие. Данный БС позволял с высокой точностью имитировать стационарные тепловые и механические нагрузки. Однако вследствие большой тепловой инерционности электронагревателей 5 моделирование переходных процессов на данной установке не представлялось возможным.
Тепловые и комбинированные БС дополнительно подразделяются по источнику теплоты на электрические (ТВЧ, электрические спирали, силитовые стержни), радиационные (галогенные лампы) и химические (пропан).
Большим разнообразием конструкций отличаются БС, использующие электрические источники теплоты: индукционный нагрев токами высокой частоты и электронагревательные элементы (электрические спирали, силитовые стержни).
Индукционный нагрев деталей в электромагнитном поле высокой частоты обеспечивает высокие температурные перепады по поверхности и толщине детали, возможность получения удельных мощностей (до 4000 кВт/м2) и высокую скорость нагрева в поверхностном слое детали (до 100...200 °С). Реализация этого способа нагрева в основном затруднена сложностью регулирования скорости нагрева по толщине детали, что приводит к искажению его температурного поля по сравнению с реальным. К недостаткам можно отнести также сложность и громоздкость экспериментального оборудования.
Электронагревательные элементы (электрические спирали, силитовые стержни), напротив, отличаются высокой инерционностью, что ограничивает их применение при моделировании переходных процессов. Использование таких элементов целесообразно при испытании деталей на стационарных режимах.
В конструкциях БС большое распространение получил радиационный нагрев с помощью галогенных ламп. Использование таких нагревателей дает ряд преимуществ: