ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.04.2020
Просмотров: 4233
Скачиваний: 3
6
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, как на дизеле, так и в камере гидродробеструйной установки ГДЭУ-5.
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: 013.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», 015.05 «Создание и освоение производства локомотивов большой секционный мощности и высокопроизводительных машин для ремонта
7
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;
- поиск
путей реализации положительных решений,
полученных при
исследовании.
g
ГЛАВА 1
ОБЗОР ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫМ МЕТОДАМ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ
ЦИЛИНРОВЫХ ВТУЛОК И БЕЗОТХОДНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ
МЕТОДАМ ПОВЫШЕНИЯ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
В соответствии с принятой последовательностью составных частей настоящей работы, с целью более основанного определения и для постановки задач, в этой главе рассматриваются основные поздние литературные источники, посвященные расчетно-аналитическому и экспериментальному исследованиям напряженного состояния цилиндровых втулок от действия инерционных нагрузок, сил давления газов и температурного воздействия. Правильный выбор направления развития имеющихся решений и общее состояние вопроса оцениваются большей частью обзора литературы. Доля же отмеченной публикации со ссылкой в тексте используется при разработке и проверке расчетно-экспериментальных исследований.
1.1. Оценка основных направлений развития методов и средств для определения динамической и температурной напряженности цилиндровых втулок от действия инерционных нагрузок, сил давления газов и температурных воздействий
Изучение характера расхождений динамической напряженности, получаемой по различным схемам, моделям и экспериментальным методам в области работоспособности и несущей способности цилиндровых втулок, позволило определить различные источники несоответствий:
- качественные, обусловленные неполнотой постановки задач и несовершенством различных схем и методов, не учитывающих реальности и
р
ЗДИИВЛ* N~' ЗД
9
переменности нагружения и поведения цилиндровых втулок в динамических, «жестких» условиях эксплуатации на развернутых дизелях;
- количественные, вызванные погрешностями используемых методов, схем и снижающие достоверность получаемых результатов из-за неточностей воспроизведения в расчете и вычислительном процессе каждого элемента в совокупности цилиндровой втулки.
Для повышения достоверности получаемых результатов по оценке работоспособности и несущей способности следует сначала установить основные факторы в качественном содержании теоретической основы этих решений, которой в данном случае является процесс динамического нагружения цилиндровой втулки.
Характер нагружения сечений цилиндровых втулок механическими и тепловыми нагрузками сложен; способы экспериментального определения действительных напряжений, например, натурные усталостные дают также грубое представление о распределении напряжений на поверхностях втулок, а не в нагружаемых сечениях. Поэтому большинство расчетов на прочность втулок являются условными, весьма приближенными и позволяют сравнивать величины расчетных напряжений во втулках конструируемого двигателя с подобными напряжениями во втулках однотипных двигателей, работоспособность которых при напряжениях, определенных по данным расчета или эксперимента, подтверждена эксплуатацией.
Известна приближенная методика расчета цилиндровой втулки как тонкостенной оболочки постоянной толщины с жестким фланцем (Тимошенко, Войновский-Кригер). Наибольшие напряжения по подобной расчетной схеме возникают в месте соединения цилиндра и фланца. Методика не учитывает фактора «отгиба» фланца при действии осевой сжимающей нагрузки, контактного давления в затянутом стыке фланцевого соединения и концентрации напряжений в галтельной зоне. Большая разница между расчетными и экспериментальными напряжениями подтверждает, что
10
известная
расчетная схема [5] не полностью отражает деформативность цилиндровой втулки, что делает практически непригодной эту методику для расчета втулок дизелей в условиях высоких форсировок последних.
Рядом исследователей [38], [57] доказано, что напряженное состояние цилиндрической оболочки около отверстия разделяется на основное (без учета отверстия) и дополнительное, вызванное наличием отверстия. Следовательно, для упрощения расчет цилиндровой втулки разделяют на три части: расчет геометрических размеров втулки без учета отверстия, расчет напряженного состояния втулки в зоне отверстия, расчет возмущенного напряженного состояния, вызванного наличием отверстия. Указанные методики не нашли применения в практике дизелестроения из-за условных допущений, приводящих к значительным погрешностям расчета.
Для расчета напряженного состояния цилиндровых втулок в [11] рекомендован метод конечных элементов (МКЭ) через кольцевые конечные структуры треугольного сечения. Зона перехода опорного фланца во втулку аппроксимируется измельченными конечными элементами, что позволяет выполнять расчет нагруженного состояния без учета коэффициента концентрации напряжений. Реальная цилиндровая втулка заменяется структурой конечных элементов относительно простой формы, связанных между собой определенным числом узловых точек, расположенных на границах. При этом выбирается система функций, определяющих перемещения внутри каждого конечного элемента через перемещения узловых точек. Последние, при известных упругих свойствах элемента, позволяют определить его внутренние и внешние напряжения.
В теоретическом плане внедрение МКЭ как одного из мощных средств решения задач теории упругости позволяет рассчитывать напряжения, деформации и тепловое состояние деталей любой сложности и конфигурации в упругой и упругопластической областях. Однако, применительно к цилиндровой втулке необходимость задания большого числа элементов
11
(□1000) с конкретным заданием асимметрической нагрузки ограничивает возможности решения задач определения несущей способности при реальном многообразии нагрузок. В этом случае применять МКЭ необходимо для уточнения напряжений после решения задачи определения напряженно деформированного состояния цилиндровых втулок более простым способом. Применение МКЭ в зоне концентрации напряжений, как это показано в работе [19], дает разницу между расчетными и экспериментальными значениями напряжений на 40-50, что снижает достоверность расчетной методики с применением МКЭ и требует дополнительных уточнений. Кроме этого, МКЭ не учитывает асимметрии приложения динамических нагрузок.
При исследовании напряженного состояния цилиндровых втулок в статике применяют все известные методы измерения, для чего используют разнообразные приборы, большая часть которых основана на электрических методах измерения неэлектрических величин.
Одним из путей исследования напряженно-деформированного состояния цилиндровых втулок является статическая электротензометрия [16]. Перед испытаниями втулки цилиндров оборудовали тензодатчиками ПКБ-5-50, которые наклеивали клеем БФ-2 и для защиты от атмосферы покрывали лаком марки 1201. В качестве регистрирующего прибора при испытаниях использовался одноканальный усилитель ЦНИИ МПС. В результате проведенных исследований установлено, что основным видом деформации цилиндровой втулки является изгиб, а характер и специфика распределения напряжений во втулке соответствует имеющимся конструктивным отличиям. В рассмотренных материалах закон приложения нагрузок, оказывающий влияние на распределение внутренних усилий и моментов, неопределен. Не учитывается также влияние динамики нагрузок на напряженное состояние цилиндровой втулки.