Исследование и прогнозирование долговечности поршней двигателей внутреннего сгорания

• Автор: Глинкин, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.02.02, 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Владимир
• Количество страниц: 174 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения.

Введение
Глава 1. Обзор методик оценки долговечности поршней и задачи дальнейших исследований.

1.1 Условия нагружения поршней и причины образования трещин в

кромке камеры сгорания

1.2 Методы повышения термостойкости поршней

1.3 Критерии разрушения теплонапряженных деталей и обзор методик

оценю долговечности поршней.

1.4 Обзор моделей усталостного роста трещин

1.5 Тепловые стенды для исследования теплового и напряженно

деформированного состояния поршней.
Выводы и постановка задач исследования
ГЛАВА 2. Методика прогнозирования долговечности поршней двигателей
внутреннего сгорания.
2.1 Определение исходных данных для расчета
2.2 Решение задачи нестационарной теплопроводности.
2.3 Определение теплового напряженнодеформированного состояния
поршня.
2.4 Оценка усталостной долговечности.
2.5 Методика прогнозирования долговечности при наличии трещины.
2.5.1 Моделирование развития трещины в круглой пластинке с центральным отверстием
2.5.2 Определение коэффициента интенсивности напряжений для трещины
в кромке камеры сгорания поршня
2.5.3 Построение модели коэффициента интенсивности напряжений
2.5.4 Определение критической длины трещины
2.5.5 Расчетная оценка долговечности при наличии трещины.
Выводы по главе.
ГЛАВА 3.Численная реализация методики прогнозирования долговечности
поршней двигателей внутреннего сгорания.
3.1 Характеристики расчетных моделей поршней
3.2 Определение нестационарных тепловых нагрузок на поверхности
3.3 Результаты расчета теплового состояния поршня.
3.4 Анализ теплового напряженнодеформированного состояния поршня.
3.5 Оценка усталостной долговечности поршня
3.6 Результаты расчета остаточного ресурса поршней.
Выводы по главе.
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование термостойкости поршней при
циклическом нагружении
4.1 Объекты исследований
4.2 Цели и задачи исследований
4.3 Программа и методика проведения исследований.
4.3.1 Программа исследований.
4.3.2 Методика проведения исследований.
4.4 Измерительная аппаратура.
4.5 Безмоторный тепловой стенд.
4.6 Регистрация усталостных трещин.
4.7 Оценка погрешности экспериментальных исследований
4.8 Результаты экспериментальных исследований и их анализ
4.9 Проверка предлагаемой методики по результатам эксперимента
4. Анализ результатов моторного эксперимента
Выводы по результатам экспериментальной работы
Литература


Вдобавок к этому, колебания температуры рабочего тела в течение цикла приводят к локальному нагреву поверхностного слоя кромки КС. Согласно А. К. Костину, Н. Д. Чайиову и др. КС (0. С. Практически оценить величину таких колебаний не всегда удастся, поскольку для этого требуются малоинерционные датчики температуры, а с технологической точки зрения выполнить монтаж средств измерения сложно. Игнорирование составляющей тепловой нагрузки, по мнению некоторых исследователей, при моделировании теплового состояния поршня, может вносить -% ошибку в конечные результаты [,2,6]. Длительность переходных процессов по результатам исследований составляет от 5 до секунд [,7,]. Температура поршня стабилизируется в течение 3. Кромка КС поршня при этом, обладая переменным сечением, является концентратором напряжений, что является причиной возникновения термоусталостиых трещин. В работе М. К. Овсянникова и Г. А Давыдова [] отмечается случай, когда термоусталостные трещины, появляясь на поверхностях поршней, после незначительного проникновения вглубь приостанавливаются в своем развитии. При появлении трещины большую роль начинает играть механическая нагрузка. Развитие термоусталостных разрушений не всегда идет от поверхности. Иногда оно начинается внутри детали, от каких- либо структурных несовершенств или технологических дефектов. Образование трещин связано с нестационарными режимами работы двигателя. При переходе с режима холостого хода на режим номинальной мощности резко изменяется температура газов, коэффициент теплоотдачи и вследствие, теплофизические процессы, происходящие на кромке КС. Поршень нагревается неравномерно, что приводит к возникновению температурных градиентов. Так как материал в поверхностных слоях расширяется интенсивнее, чем материал в толщине поршня, то кромка КС испытывает сжимающие напряжения. При дальнейшей работе двигателя величина этих напряжений уменьшается, так как температурное поле поршня выравнивается. При переходе с номинального режима работы на режим холостого хода, в кромке КС происходят обратные процессы. Напряжения возникающие в кромке КС при резкой смене режима нагрузки, как правило, превышают значения предела текучести материала поршня. Это приводит к тому, что в кромке КС возникают пластические деформации. Их величина будет накапливаться с каждой сменой режима работы двигателя. Причинами образования трещин могут являться показатели, которые, по сути, характеризуют рабочий цикл двигателя и его тепловое состояние. Так, например, увеличение зазоров в ЦПГ как следствие износа, вызовет нарушение теплоотдачи от поршня к цилиндру, что повлечет за собой повышение температурного состояния поршня и росту температурных градиентов в кромке КС. По данным Коломенского тепловозостроительного завода увеличение зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра привело к заметному росту температуры цельноалюминиевого неохлаждаемого поршня двигателя ЧН/. С до 0 °С), а над компрессионным кольцом на % (с 5 °С до 5 °С) (рис. Таким параметром также может выступать, например угол опережения подачи топлива, который определяет характер тепловыделения в процессе сгорания топлива и соответственно распределение тепловых потоков по поверхностям ЦПГ []. S производственно-технологические дефекты, возникающие из-за низкого качества изготовления деталей (усадочные раковины, пористость, мсжкристаллические трещины, волосовины и ДР. S эксплуатационные дефекты, являющиеся следствием условий работы двигателя (трещины термической усталости). Эксплуатационные дефекты могут быть вызваны достаточно большим перечнем факторов []. Такой причиной, например, может стать неэффективная ориентация канала галерейного охлаждения в поршне, что приведет к повышению температурного режима работы поршня и увеличит напряженность в кромке КС []. Все это определенно отразиться на долговечности поршня. Так, например, отказ системы терморегулирования тракторного дизеля воздушного охлаждения 8ДВТ-0 привел к оплавлению днища поршня и задиру его боковой поверхности через 0 моточасов [7]. Рис.