Расчетно-экспериментальный метод профилирования образующей поршня для повышения ресурса трибосопряжения "поршень-цилиндр" ДВС

• Автор: Дойкин, Алексей Алексеевич
• Шифр специальности: 05.02.02, 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 132 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Обзор литературы
1.2 Цель и задачи исследования
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЯ В ЦИЛИНДРЕ С УЧЕТОМ СТЕПЕНИ ЗАПОЛНЕНИЯ ЗАЗОРА НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМА СОХРАНЕНИЯ МАССЫ СМАЗОЧНОГО МАСЛА
2.1 Расчет параметров внутрицилиндровых процессов, индикаторных и эффективных показателей дизеля
2.2 Расчет теплового и силового воздействий на поршень и гильзу цилиндра
2.3 Уравнения движения поршня двигателя внутреннего сгорания на смазочном слое в цилиндре
2.4 Уравнения для определения поля гидродинамических давлений в смазочном слое трибосопряжения «поршень - цилиндр» ДВС
2.5. Модифицированное уравнение Элрода
2.6 Характеристики смазочного слоя статически нагруженного трибосопряжения
2.7 Расчет динамики движения поршня на смазочном слое в цилиндре
2.8. Выводы по второй главе
ГЛАВА 3 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯ «ПОРШЕНЬ - ЦИЛИНДР»
3.1 Теоретические основы и предпосылки к проведению
экспериментальных исследований
3.2 Экспериментальная оценка линейной интегральной интенсивности изнашивания исследуемого сопряжения
3.3 Определение ресурса сопряжения «поршень - цилиндр»
3.4 Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СОПРЯЖЕНИЯ «ПОРШЕНЬ -ЦИЛИНДР»
4.1 Методика оптимизации
4.2 Результаты расчёта
4.3 Описание пакета программ
4.4 Разработка технического решения
4.5 Выводы по четвёртой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 Исходные данные и результаты расчета параметров
внутрицилиндровых процессов и показателей дизеля ЧН 13/15
Приложение 2 Результаты расчета зависимости гидромеханических
характеристик от параметров профиля дизеля ЧН 13/
Приложение 3 Результаты экспериментальных исследований
Приложение 4 Охранные документы на объекты интеллектуальной собственности и акт использования результатов работы

ВВЕДЕНИЕ
Надежность основных трибосопряжений (ТС) с жидкостным режимом трения, к которым относится трибосопряжение «поршень - цилиндр» (сопряжение с поступательным движением шипа), в значительной мере определяет безотказность, долговечность и энергоэффективность двигателей внутреннего сгорания (ДВС). ТС «поршень - цилиндр» нагружено силами переменными по величине и направлению. Прогнозирование ресурса и совершенствование геометрии поверхностей трения сложнонагруженных ТС осуществляется с использованием гидродинамической теории смазки и контактного взаимодействия.
Значительный вклад в решение указанной задачи внесли многие отечественные и зарубежные исследователи: А.В. Белогуб, В.М. Волков, Б.Я. Гинцбург, О.П. Голубев, Е.А. Григорьев, H.A. Кузьмин, А.П. Маслов, В.Н. Никишин,
O.A. Пищаев, Г.М. Рык, В.И. Суркин, В.Н. Попов, С.В. Путинцев, Ю.В. Рождественский, JI.A. Савин, И.Я. Токарь, W.L. Blaiz, C. Chin, H.A. Ezzat, Р.К. Goenka, D.P. Hoult, D.F. Li, F.M. Meng, R.S. Paranjpe, S.M. Rohde, H. Wang, и др.
Известно, что часть времени, особенно при больших нагрузках поршень может работать в режиме трения при неполном заполнении маслом зазора между юбкой и цилиндром. В этом случае возможно контактное взаимодействие пары трения «поршень - цилиндр». Однако эти обстоятельства не учитываются при расчете трибосопряжения. Как правило, принимаются основные допущения гидродинамической теории смазки о полном заполнении маслом зазора между взаимодействующими телами.
При проектировании новых двигателей обычно используют комплексный подход, позволяющий учесть наиболее значимые факторы, влияющие на работоспособность сопряжения. К таким факторам относятся нерегулярная геометрия несущей поверхности (юбки) поршня, а так же интенсивность ее изнашивания. Конструкции поршней, обладающих нерегулярной геометрией, считаются весьма перспективными для ДВС. В связи с этим наиболее значимой в настоящее время считается задача по совершенствованию методов расчета параметров состояния

для установки поршневого пальца, внешнее днище, формирующее камеру сгорания и внутреннее днище.
Для оценки граничных условий теплового и механического нагружений поршня рассмотрен тепловой баланс и особенности газодинамического нагружения основных деталей цилиндропоршневой группы в ходе рабочего цикла дизеля типа ЧН 13/15 при использовании программы ANSYS DesignSpace for SolidWorks в соответствии с разработанной методикой [20], применяемой на кафедре ДВС ЮУрГУ.
Для оценки распределения температур по поверхности и в объеме поршня, созданы и представлены в виде совокупности конечных элементов твердотельная и конечно-элементная модели. Величины удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности для материала поршня корректировались в зависимости от температуры. Решение тепловой задачи формируется совокупностью граничных условий теплообмена, включающей: теплофизические свойства материалов, эквивалентные коэффициенты теплоотдачи и результирующие температуры среды.
Граничные условия теплового нагружения элементов поршня, учитывающие распределение коэффициентов теплоотдачи в объеме камеры сгорания дизеля, определены и приложены к конечно-элементной модели поршня. При определении распределения температур по поверхности и в объеме поршня, в соответствии с методом конечных элементов, минимизируется функционал, эквивалентный дифференциальному уравнению теплопроводности и граничным условиям. Для этого модель поршня представляют в виде системы конечных элементов определенной формы. В пределах каждого элемента конкретизируют свойства материала, в предположении, что при переходе через границы смежных элементов они изменяются дискретно и с учетом зависимости от температуры. В качестве функции формы, описывающей распределение температуры в элементе, обычно используется полином. Системой неизвестных являются температуры в узлах граней элементов, через которые затем выражают распределение температур в их пределах. Подставляя функцию формы в выражение функционала, находят его минимум по отношению к температурам узлов конечно-элементной модели при