Моделирование напряженно — деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей

Основнаяпроблема современного дизелестроения — последовательное улучшение удельных энергетических, экономических и экологических показателей двигателей различного назначения — наиболее полно и динамичноразрешается" посредствомфорсирования^ рабочих процессов. Возможности этого направления сдерживаются^ все возрастающим, уровнем механических и тепловых нагрузок, неизменно сопутствующих наддуву двигателей.

В этих условиях надежность современных форсированных двигателей в значительной степени ' определяется работоспособностьюдеталей, образующих камеру сгорания. Многочисленные случаи отказов, деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей самых различных назначений заставляют все^ более тщательно подходить, к оценке условий работы* этих деталей на стадии проектирования и в эксплуатационных условиях.

Среди деталей ЦПГ втулка цилиндра занимает особое положение,' как по выполняемым функциям, так и по требованиям к ней предъявляемым. Особое значение имеет при этом обеспечение работоспособности верхней части втулки, которая подвержена воздействию монтажных усилий, максимальных механических и тепловых нагрузок. Поэтому" поиск путей форсирования рабочих процессов^ при ограниченном росте механической-и тепловой напряженности цилиндровых втулок составляет одну из основных задач, которую приходится решать конструкторам и исследователям.

Анализ опубликованных подходов к решению задачи напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей показывает, что последовательное форсирование дизелей по среднему эффективному давлению потребовало существенного пересмотра некоторых положений конструирования этой детали. В первую очередь эти изменения относятся к конструктивному оформлению наружной поверхности втулок и в дизелях последних модификаций достигаются посредством применения различных способов их закрепления в блоке.

Способ закрепления^ втулки в блоке является" одним из наиболее эффективных конструктивных факторов, определяющих условия работы, втулки и, следовательно, оказывающий влияние на все показатели, которыми" принято характеризовать её напряженно — деформированное состояние, включая виброактивность и процессы теплоотдачи в охлаждающую воду.

В настоящее время. достаточно отчетливо определилась тенденция, в соответствии с которой, конструктивное оформление полостей охлаждения, форсированных четырехтактных дизелей1 выполняется таким способом, при*, котором исключается охлаждение нижней части цилиндровой втулки.

Такое конструктивное решение обеспечивается постановкой-дополнительных опор и позволяет:

— выровнять температуру цилиндровой втулки по высоте и уменьшить её напряженно-деформированное состояние от воздействия тепловых нагрузок;

— уменьшить энергопотребление в системе охлаждения и-её емкость;

— улучшить тепловые условия протекания рабочего процессана долевых режимах работы двигателя и экономические показатели;

— повысить жесткость блок — картера.

Из изложенного следует, что' поиск путей ограничения роста" механической и тепловой напряженности цилиндровых втулок представляет собой комплексную задачу, в которой наряду с проработкой' более рациональных конструктивных форм следует признать целесообразными и практически важными теоретические разработки, призванные дать достаточно ясное представление о закономерностях распределения напряжений и деформаций вдоль образующей втулки и обоснованные рекомендации по размещению дополнительных опор.

Объект исследования. Цилиндровые втулки четырехтактных дизелей различного назначения.

Предмет исследования. Напряженно-деформированное состояние цилиндровых втулок четырехтактных дизелей.

В первой главе дана оценка современного состояниявыполненных исследований напряженно-деформированного состояния элементов, цилиндровых втулок четырехтактных дизелей от воздействия газовых и тепловых нагрузок.

Показано, что создание точных методов-исследования'с учетом-влияния' всевозможных, часто лишенных практического значения факторов, связано' со сложностью расчета и недостаточной очевидностью распределения усилий в. элементах конструкций. Математика до сих пор не располагает методами решения в замкнутой форме сложных дифференциальных уравнений высокого порядка в частных производных. Экспериментальное исследование работы конструкции в каждом отдельном случае практически неосуществимо. Все эти затруднения способствовали появлению прикладных инженерных методов расчета^ базирующихся на рабочих гипотезах, которые обычно основаны на экспериментальных исследованиях. Инженерные методы расчета нашли широкое применение, т.к. дают возможность наглядно представить и объяснить физическую картину силового взаимодействия отдельных частей конструкций и ими сравнительно легко пользоваться.

Большой вклад с современную теорию расчета оболочек внесли С. П. Тимошенко, В. З. Власов, В. Н. Беляев, С. Н. Кан, работы которых положены в основу строительной механики тонкостенных конструкций. Вопросы напряженно-деформированного состояния цилиндрических оболочек рассматривались в работах H.H. Иванченко, A.A. Скуридина, А. П. Пимошенко.

Развитие дизелей за последние годы предопределило появление многочисленных новых проблем. В частности, достаточно отчетливо наметилась тенденция применения в четырехтактных дизелях цилиндровых втулок с укороченными зарубашечными полостями охлаждения. Однако, в опубликованных исследованиях недостаточно полно отраженовлияние на напряженно-деформированное состояние цилиндровых втулок воздействий переменных газовых и тепловых нагрузок и отсутствуют обоснованные рекомендации по размещению дополнительных опор.

На этой основе сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе выполнено исследование напряженнодеформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей от воздействия переменных газовых и тепловых нагрузок.

Поставленные задачи решаются5 методами вариационного исчисления. Такой выбор обусловлен тем, что эти методы позволяют получить сравнительно простые расчетные зависимости, учитывающие основные факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние элементов цилиндровой втулки, включая условия её закрепления в блоке.

Показано, что в такой постановке задача определения напряжений и деформаций цилиндрической оболочки, нагруженной любыми осесимметричными внешними силами, сводится к решению дифференциального уравнения четвёртого порядка с постоянными коэффициентами.

Последующая оценка напряженно-деформированного состояния цилиндровой втулки от воздействия переменной подвижной газовой нагрузки производится с учетом нижеследующих предпосылок.

1. Из теории тонкостенных цилиндрических оболочек следует, что при значениях безразмерного параметра К *Ь > 2%, где Ь — длина оболочки, напряженно-деформированном состояние сечений, расположенных ближе к одному из торцов конструкции, практически не зависит от граничных условий на другом конце системы. У выполненных конструкций цилиндровых втулок произведение К*Ь значительно больше 2тс.

2. На такте расширения газовая нагрузка на поверхность цилиндровой втулки интенсивно снижается. При перемещении поршня от верхней мертвой точки на одну треть полного хода газовая нагрузка во всех случаях уменьшается примерно в десять раз. С учетом процесса свободного выпуска становится равной нулю до прихода поршня в нижнюю мертвую точку.

3. С целью упрощения определения частного решения 1¥-ч непрерывная функция, характеризующая изменение давления на такте расширения, заменяется набором дискретных значений давления в надпоршневой полости, каждое из которых соответствует фиксированным положениям поршня. Посредством этого решение задачи о напряженно-деформированном состоянии цилиндровой втулки от воздействия переменной газовой нагрузки сводится к определению максимальных радиальных перемещений от набора ступенчато изменяющихся давлений, а суммарный эффект определяется как огибающая максимальных значений радиальных перемещений.

С учетом названных предпосылок в последующем предполагается, что напряженное и деформированное состояние верхней части втулки не зависит от граничных условий на нижнем торце, что позволяет вдвое уменьшить число постоянных в решении дифференциального уравнения.

Для оценки влияний граничных условий на верхнем торце втулки на закономерности изменения напряженного и деформированного состояния вдоль образующей втулки рассмотрены два предельных варианта:

1. Жесткая заделка верхнего торца.

2. Свободное опирание верхнего торца.

Выполненные расчеты закономерностей изменения ¡-¥-(х) вдоль образующей втулки показывают, что переход от варианта жесткой заделки к варианту свободного опирания сопровождается увеличением радиальных перемещений и смещением максимума в сторону верхнего торца втулки.

По нашему мнению, полученные аналитические выражения для оценки деформаций и напряжений от воздействия переменных подвижных газовых нагрузок могут быть использованы для обоснования места размещения третей дополнительной опоры с целью снижения напряженно-деформированного состояния верхней части цилиндровых втулок форсированных четырехтактных дизелей.

При оценке теплонапряженности деталей, ограничивающих камеру сгорания, в инженерных расчетах обычно пользуются средней по времени величиной удельного потока теплоты, среднимитемпературами деталей и температурными перепадами в. стенках. Для этого необходимо знать величину удельного потока теплоты, который в свою очередь зависит от относительных тепловых потерь в охлаждающую воду. В отличие от известных формул, в данной работе для оценки относительных тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду использованы трансцендентные зависимости, на основе которых получены сравнительно простые расчетные зависимости, устанавливающие взаимосвязь этих потерь от основных показателей рабочего процесса, поверхности охлаждения и средней скорости поршня.

Для решения задачи напряженно-деформированного состояния, элементов цилиндровой втулки от воздействия переменного по длине осесимметричного температурного поля использованыуказанные выше предпосылки с учетом закономерностей изменения температурьь вблизи рабочей поверхности втулки. В результате получено выражение, позволяющее в каждом конкретном случае определить закономерности-изменения радиальных перемещений вдоль образующей.

В третьей главе исследовано влияние условий закрепления втулки в" блоке на её виброактивность. Задача решается методами вариационного исчисления. Получена замкнутая расчетная формула для квадрата круговой частоты несимметричных собственных колебаний цилиндровой втулки, учитывающая формы колебаний в окружном и продольном направлениях, геометрические размеры втулки, механические характеристики материала и способы закрепления втулки в блоке. Рассмотрено пять вариантов закрепления, включая два варианта с промежуточными опорами. Для приближенной оценки радиальных перемещений стенки втулки в процессе колебаний использована зависимость, заимствованная’из работ H.H. Иванченко и A.A. Скуридина. На основании этой зависимости и полученной формулы для квадрата круговой частоты собственных колебаний дана оценка амплитудно-частотных характеристик цилиндровых втулок дизелей.

415/18, 419/21 и ЧН 13/14 при различных способах их закрепления в блоке. Показано, что постановка третей дополнительной опоры является эффективным средством воздействия на амплитудно-частотную характеристику цилиндровой втулки, при этом собственные частоты резко увеличиваются, а амплитуды — уменьшаются.

В четвертой главе разработан новый метод контроля напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях. В основу метода положены следующие предпосылки.

Совокупность свойств, заложенных в конструкцию двигателя в процессе проектирования и определяющих его способность с заданным качеством вырабатывать механическую энергию, характеризуется полем режимов, допустимых для длительной эксплуатации. Под упомянутым полем понимается часть координатной плоскости Рс — п, ограниченная слева и справа вертикалями nmm=const и пн — constсверху — верхней ограничительной характеристикойснизу — нижней ограничительной характеристикой или координатной осью гг. Положение границ описанного поля определяется только свойствами двигателя и не зависит от свойств потребителя энергии, т. е. оно обладает свойством инвариантности относительно возможных режимов работы двигателя. Следовательно, для оценки условий функционирования^ деталей цилиндропоршневой группы в исходном состоянии, на основе входных в рабочий цилиндр и выходных из рабочего цилиндра параметров (информативные параметры) необходимо сформировать количественную структуру, которая во всех точках поля давала бы постоянное численное значение, т. е. обладала свойством инвариантности относительно возможных возмущений со стороны потребителя. В такой постановке задача формирования инвариантных количественных структур сведена к установлению явного вида уравнения поверхности, устанавливающего взаимосвязь между входными в рабочий цилиндр (независимые переменные) и выходными из рабочего цилиндра зависимые переменные) параметрами. В зависимости от технических возможностей контроля параметров в эксплуатационных условиях для построения ограничительной характеристики могут быть использованы различные входные и выходные параметры. В работе для построения ограничительной характеристики использованы параметры воздуха перед впускными органами двигателя, частота вращения коленчатого вала, температура отработавших газов по цилиндрам двигателя. Последовательность выполнения вычислительных операций показано на конкретном примере.

В результате выполненных исследований на защиту выносится:

1. Математические модели для оценки напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырёхтактных дизелей от воздействия переменных газовых и тепловых нагрузок, а также результаты теоретической оценки их виброактивности в зависимости от способов закрепления в блоке.

2. Метод для сравнительной оценки тепловой напряженности деталей ЦПГ дизелей различного назначения.

3. Метод контроля напряженности деталей ЦПГ от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях.

Выводы:

— изложенный в данной главе исследования подход позволяет формировать ограничительные по тепловой напряженности характеристики на основе стендовых испытаний двигателя и традиционно контролируемых параметров рабочего процесса. В каждом конкретном случае может быть установлено максимальное количество подлежащих контролю параметров, на основе которых может быть построена ограничительная характеристикас использованием стандартных возможностей персональных компьютеров, разработанная форма представления ограничительной характеристики позволяет оперативно оценить допустимость уровня тепловой напряженности деталей цилиндропоршневой группы на произвольном режиме работы двигателя в диапазоне изменения частоты вращения п min < п < пн. Важно также отметить, что при этом автоматически учитывается влияние изменения параметров окружающей среды на протекание ограничительной характеристики;

— при наличии аппаратурных средств, позволяющих осуществлять оперативный контроль среднего индикаторного давления в эксплуатационных условиях, могут быть сформированы ограничительные характеристики, в которых tg или Pz замещены средним индикаторным давлением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе результатов выполненных в данной работе исследований напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок четырехтактных дизелей сделаны нижеследующие выводы:

1. В работе методами вариационного исчисления получены математические модели, позволяющие в каждом конкретном случае обосновано решить вопрос о размещении дополнительной промежуточной опоры и величины охлаждения верхней части цилиндровой втулки с целью уменьшения её напряженно-деформированного состояния от воздействия переменных тепловых и газовых нагрузок, снизить энергопотребление в системе охлаждения и её емкость, улучшить тепловые условия протекания рабочего процесса на долевых режимах работы двигателя и экономические показатели.

2. Предложен новый метод расчета относительных тепловых потерь дизелей в охлаждающую воду, в основу которого положены трансцендентные зависимости, обеспечивающие методу универсальность и приемлемую для практических приложений точность.

3. Результаты расчетов виброактивности цилиндровых втулок при различных способах их закрепления в блоке показывают, что постановка третей дополнительной опоры является эффективным средством изменения амплитудно-частотной характеристики втулки, при этом частоты собственных колебаний увеличиваются, а амплитуды радиальных перемещений уменьшаются, что способствует снижению эффективности протекания кавитационных разрушений охлаждаемой наружной поверхности.

4. Для контроля напряженно-деформированного состояния деталей ЦПГ от воздействия тепловых нагрузок в эксплуатационных условиях, предложен новый метод расчета ограничительной о тепловой напряженности характеристики, в основу которого положены инвариантные относительно режимов работы двигателя количественные структуры. Разработанная методика практического применения ограничительной характеристики позволяет оперативно контролировать тепловую напряженность деталей цилиндропоршневой группы по цилиндрам на произвольном режиме работы двигателя.