ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.04.2020
Просмотров: 2475
Скачиваний: 5
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень условных сокращений 10
Введение 11
1 Постановка задачи 14
1.1 Обзор и анализ работ по применению технологических методов
повышения работоспособности цилиндровых втулок 14
1.2 Постановка задач исследований согласно цели работы и
достигнутому уровню развития 19
1.3 Объемы исследований 20
2 Проектировочная часть дипломного проекта 24
2.1 Безотходный дифференцированный технологический метод
упрочнения наружной поверхности цилиндровой втулки 24
2.2 Концентрация напряжений в цилиндровой втулке в условиях
поверхностного пластического деформирования 28
2.3 Безотходный технологический метод релаксации остаточных
напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки 31
2.4 Комплексный критерий для оценки виброударного нагружения
при гидродробеструйной обработке цилиндровых втулок 35
3 Теоретические основы динамически напряженного
состояния цилиндровой втулки высокофорсированного дизеля 43
3.1 Особенности применения метода конечных элементов
для расчета цилиндровых втулок 43
3.2 Приближенный расчет напряженного состояния цилиндровой
втулки высокофорсированного дизеля от действия сил инерции 46
3.3 Приближенный расчет напряженного состояния цилиндровой
втулки высокофорсированного дизеля от действия сил давления газов 52
3.4 Методика расчета температурных напряжений на наружной
поверхности цилиндровой втулки 55
3.5 Динамическая модель нагружения цилиндровой втулки в условиях
поверхностного пластического деформирования 58
3.6 Подготовка исследований перед выходом на дизель 60
3.7 Подготовка к динамическим испытаниям цилиндровой втулки
на развернутом высокофорсированном дизеле 64
3.8 Проведение динамических исследований цилиндровой втулки
на развернутом дизеле 66
3.9 Оценка точности экспериментов и погрешности измерений 67
4 Анализ особенностей (возможностей) практического применения и
экономической эффективности изложенного технического решения 72
4.1 Результаты расчетно-экспериментальных исследований
динамической напряженности цилиндровых втулок 72
4.2 Основные результаты проделанной работы 76
5 Технико-экономическое обоснование повышения эксплуатационной
надежности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей 78
5.1 Теоретические аспекты необходимости исследования 78
5.2 Определение трудоемкости выполнения НИР 79
5.3 Построение ленточного графика проведения НИР 83
5.4 Определение плановой себестоимости проведения НИР 85
5.5 Определение прибыли и договорной цены 91
5.6 Оценка научной и научно-технической результативности 93
6 Безопасность жизнедеятельности 96
6.1 Охрана труда 96
6.2 Промышленная безопасность 98
6.3 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях 106
Заключение 111
Список используемых источников 112
Приложение А 118
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ППД – поверхностное пластическое деформирование
МКЭ – метод конечных элементов
ДГР – дизель-генератор
ЦПГ – цилиндропоршневая группа
ДВС – двигатель внутреннего сгорания
ВМТ – внутренняя мертвая точка
ГДУ – гидродробеструйное упрочнение
ГДО – гидродробеструйное оборудование
ГДЭУ – гидродробеструйная элементная установка
УЗГ – ультразвуковой генератор
МСП – магнитострикционный преобразователь
САиОИ – средство анализа и обработки информации
КУ – комплексное устройство
УТС – усилительная тензометрическая станция
НИР – научно-исследовательская разработка
ВВЕДЕНИЕ
Многовековой опыт хозяйственной деятельности человека дает обширный материал о процессах изнашивания поверхностей. С самых древних времен люди сталкивались с проблемами износа и путями их решения. Очевидно, первой проблемой долговечности, с которой столкнулось человечество, был износ пола и дорог. Эта проблема была решена за счет применения более твердых и износостойких материалов, таких как каменные и мраморные блоки. Но именно эти памятники истории с тысячелетним возрастом (и сроком эксплуатации) наиболее наглядно демонстрируют неравномерность процессов изнашивания в разных зонах эксплуатации поверхности. Неравномерность износов приводит к нарушению макрогеометрии поверхности и, как следствие, к замене всей поверхности.
По мере создания и развития техники человечество столкнулось с узлами трения машин и механизмов. Многолетний и даже многовековой опыт использования узлов трения показывает, что даже простейшие узлы трения изнашиваются неравномерно: наибольшие износы наблюдаются в местах приложения нагрузки. И снова это приводит к нарушению макрогеометрии поверхности трения и выходу узла из строя.
В конце ХIХ века началось бурное развитие техники и промышленности. Появились станки, машины, тепловые двигатели, пароходы, автомобиля, железная дорога и другое. Начали применяться новые сплавы и неметаллические материалы для узлов трения. Применены смазки и системы смазывания узлов трения, герметизация и охлаждение трущихся поверхностей. Но подход распространения на всю поверхность трения процессов, протекающих только в какой-то ее части, или постулирование постоянства и неизменности скорости изнашивания ведущих процессов ко всей поверхности сопряжения оставались незыблемыми.
Поэтому и технологические процессы повышения износостойкости, изменяющие свойства поверхности детали, как правило, применяются таким образом, что в любой зоне поверхности трения они одинаковы в пределах технологического разброса. Таким образом, образуются детали с одинаковыми физико-механическими свойствами по всей поверхности трения независимо от реальных изменений условий внешнего нагружения в отдельных зонах и даже точках.
Изучение характера износа поверхностей узлов трения машин и механизмов показывает, что практически невозможно найти поверхность трения, в пределах которой все внешние факторы нагружения имели бы стабильные параметры. Вследствие этого практически все поверхности в разных точках изнашиваются неравномерно. Это приводит к искажению макрогеометрии поверхности трения, ухудшению точностных, индикаторных и других параметров машин и механизмов, снижению их эксплуатационных показателей и необходимости ремонта или замены.
Проблема поверхностного пластического деформирования (ППД) является одной из главных в безотходном технологическом процессе производства современных деталей машин. Такое большое значение ППД объясняется следующими основными особенностями поверхностного слоя:
-в условиях эксплуатации детали поверхностный слой менее способен противостоять усталости из-за природной склонности к концентрации напряжений, возникновения и развития усталостных трещин, износа, коррозии и так далее,
-в поверхностном слое действуют максимальные динамические напряжения от изгиба и кручения - главных видов нагрузки на детали.
Следовательно, максимально упрочняя конструкцию в целом, необходимо воздействие на поверхность, сводя к минимуму вредное влияние указанных особенностей.
В технической литературе отсутствует информация об исследованиях динамически напряженного состояния цилиндровых втулок на развернутых работающих дизелях, не создана методика и программа их испытаний на динамическую прочность. Вместе с тем, неучет динамических напряжений в поверхностном слое втулки исключает возможность применения безотходных технологических методов ППД для повышения работоспособности конструкции, так как основным критерием эффективности оценки последних является уровень остаточных напряжений, задаваемых в поверхностном слое детали адекватно уровню рабочих динамических напряжений. Неучет характера нагружения цилиндровых втулок при применении безотходных технологических методов и их влияния на уровень остаточных напряжений может привести к существенной ошибке при оценке запасов несущей способности и неверному представлению о прогнозируемом ресурсе, работоспособности и долговечности конструкции. Следовательно, нужны новые подходы к оценке динамических и остаточных напряжений при виброударном нагружении конструкции. Изложенное позволяет констатировать, что проблемы повышения работоспособности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей безотходными технологическими методами своевременны и для их решения требуются новые подходы. Актуальность еще более возрастает в связи с разработкой и освоением ОАО «Волжский дизель им. Маминых» нового семейства высокофорсированных дизелей ЧН 21/21 рядной и V-образной модификаций для стационарной, передвижной энергетики: дизель-генераторов ДГР 500/1500, дизелей ЧН 21/21 для маневренных тепловозов ТГМ-4, силовых агрегатов СА-10 для буровых установок, дизелей 6ДМ-21А для большегрузных автомобилей БелАЗ.
Выполнение работ является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы: «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», «Создание и освоение производства локомотивов большой секционный мощности и высокопроизводительных машин для ремонта железнодорожных путей», а также другими целевыми комплексными программами по развитию машиностроения и двигателестроения.
Целью работы является:
-совершенствование методов расчета динамически напряженного состояния цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей,
-разработка методологии исследования динамических напряжений и усталостной прочности цилиндровых втулок на работающих комбинированных дизелях,
-развитие на основе динамических исследований напряженного состояния цилиндровых втулок безотходных технологических методов повышения работоспособности и совершенствование на их основе прочностных критериев оценки результатов исследований.
-
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
-
Обзор и анализ работ по применению технологических методов
повышения работоспособности цилиндровых втулок
Наиболее интересными с точки зрения разнообразия внешних факторов воздействия на процессы трения и изнашивания являются детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а более конкретно - основная трущаяся пара "втулка цилиндра - поршневое кольцо" (термин "втулка" употребляется применительно к судовым и тепловозным двигателям, а "гильза" - к автомобильным, тракторным и авиационным двигателям).
Детали цилиндропоршневой группы относятся к наиболее напряженным и ответственным деталям дизеля. Ресурс двигателя определяется, в первую очередь, надежной и долговечной работой основной трущейся пары – втулка (гильза) цилиндра и поршневое кольцо.
Эти детали находятся в наиболее тяжелых условиях эксплуатации и являются наименее долговечными из основных деталей двигателя. На процесс износа втулок цилиндров, поршней и поршневых колец оказывает влияние большое количество факторов, зависящих от типа двигателя, конструктивных особенностей, уровня форсировки, применяемого топлива и масла, подготовки обслуживающего персонала, климатической зоны эксплуатации и многого другого.
До настоящего времени нет единого мнения среди исследователей о природе изнашивания втулок цилиндров ДВС. Многие авторы отмечают, что втулка цилиндра одновременно подвергается молекулярно-механическому, коррозионно-механическому и абразивному изнашиванию и что процесс молекулярно-механического изнашивания наиболее вероятен в верхней части цилиндра, где вследствие недостаточной смазки, малой скорости поршня, высоких температур и давлений нарушается непрерывность масляной пленки, и в отдельных точках возникает схватывание поверхностей трущихся пар.
С другой стороны, высокие температуры поверхности втулки, разрыв масляной пленки и тепловое излучение процесса сгорания топлива способствуют интенсивному образованию окисных и лаковых пленок. Наличие этих пленок на поверхности трения препятствует соприкосновению поверхностей и тем самым устраняет вероятность схватывания поверхностей трущихся пар.
Коррозионно-механический износ втулок цилиндров состоит во взаимодействии металла поверхностей трения с газообразными и жидкими продуктами сгорания топлива, окисления масла и воды. Коррозионно- механический износ состоит обычно из двух фаз : фазы воздействия агрессивного вещества на металл и образования окисной пленки и фазы удаления этой пленки с поверхности трения. Считается, что для цилиндров двигателей основное значение имеет электрохимическая коррозия являющаяся результатом взаимодействия с металлом слабых кислот растворенных в воде и сконденсировавшихся на стенках цилиндров Образование конденсата происходит при температуре стенки, равной или меньшей температуры насыщения водяного пара, которая зависит от параметров работы двигателя и переменна по углу поворота коленчатого вала Максимальные значения температуры насыщения водяного пара достигаются при повороте коленчатого вала на угол 10÷20° от верхней мертвой точки а затем быстро снижаются.
Можно предположить, что интенсивность электрохимической коррозии будет пропорциональна количеству сконденсировавшейся воды, то есть иметь максимум в верхней части втулки и уменьшаться к нижней части. Однако неоднократные проверки характера износа цилиндров при работе двигателя при предельно низких тепловых режимах, когда коррозионно-механическое изнашивание имеет доминирующее значение, показали, что цилиндры обычно имеют износ, приблизительно одинаковый по длине образующей цилиндра, и даже при максимуме в их средней и нижней частях. Отсюда видно, что природа коррозионно-механического износа втулки изучена еще недостаточно и не все процессы объяснимы с ее точки зрения. Нельзя рассматривать только коррозионно-механический износ втулок без учета остальных факторов.
Большое количество работ посвящено вопросу изучения абразивного изнашивания деталей машин и, в частности, цилиндров двигателей. Абразивное изнашивание деталей ЦПГ вызывается, в основном, частицами минерального происхождения, проникающими в цилиндр вместе с воздухом. Максимальный износ находится в верхней части втулки, сильно изнашивается верхнее компрессионное кольцо и канавка под него в поршне. Абразивное изнашивание заключается в процессе микрорезания и царапанья поверхности детали твердыми абразивными частицами, их интенсивным дроблением между поршнем и стенкой цилиндра.
Подробно рассматривая процесс абразивного изнашивания цилиндров автомобильных двигателей, влияние концентрации пыли, ее грануляция на процесс изнашивания цилиндров, можно получить расчетные формулы износа цилиндра по образующей, показывает механизм измельчения частичек пыли между поршнем и цилиндром при движении поршня и влияние ее грануляции на износ. При попадании пыли в масло максимальный износ наблюдается в нижней и средней частях цилиндра.