ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.04.2020
Просмотров: 4236
Скачиваний: 3
12
Напряжения во втулке экспериментально определяли на специально изготовленном в ЦНИИ МПС стенде для натурных усталостных испытаний [16] с циклическим давлением от 0 до 500 кгссм2 и частотой пульсации от 300 до 700 циклов в минуту. Целью таких испытаний было получение данных о пределе выносливости конструкции. Результаты проведенных исследований позволили уточнить метод определения напряжений и запасов усталостной прочности в детали.
Являясь мощным аппаратом познания условий зарождения усталостных повреждений и развития трещин, метод усталостных испытаний не применим для оценки динамических напряжений, определяемых только на работающих развернутых дизелях для оценки влияния эксплуатационных факторов на напряженное состояние цилиндровых втулок.
Тепловое состояние цилиндровых втулок дизелей типа Д100 различной конструкции оценивали двумя способами: расчетом и термометрированием [16]. Как показали исследования, расчетная температура втулки с поперечными ребрами ниже, чем усиленной вследствии возрастания в 1,26 раза коэффициента теплоотдачи от стенки к воде из-за увеличения скорости протекания воды в каналах между ребрами. Экспериментально замеренные температуры выше расчетных примерно на 10. Расхождение объясняется ухудшением охлаждения стенки втулки из-за наличия в каналах проводов термопар. Расчетные и эксплутационные исследования теплового состояния втулки показали, а экспериментальные подтвердили выводы экспериментов о более высокой работоспособности цилиндровых втулок с поперечными ребрами. Расчетный и экспериментальный способы не учитывают граничных условий, характеризующих равенство усилий, моментов, радиальных перемещений и поворота сечений в точках сопряжения элементов втулки между собой.
Для определения напряжений и деформаций в деталях цилиндропоршневой группы предложена методика расчета оболочек
13
вращения и круглых пластин, находящихся под действием температурного поля и системы внешних нагрузок [7].
Расчет разделенной на элементы цилиндровой втулки заключается в решении статически неопределимой задачи, в которой вместе с уравнениями статики рассматриваются дополнительные уравнения совместности деформации.
Ввиду сложности математического аппарата указанная методика не нашла применения в производственной практике проектирования цилиндровых втулок и может быть использована только для расчета конструктивных вариантов детали на стадии эскизного проектирования. Оценка основных направлений развития методов и средств для определения динамической и температурной напряженности цилиндровых втулок позволяет сделать вывод об отсутствии в литературе достоверных расчетно-экспериментальных методик определения напряженного состояния конструкций на работающих высокофорсированных дизелях, учитывающих асимметричность цикла, динамику нагружения и подтверждающих учет эксплуатационных факторов.
1.2. Обзор и анализ опубликованных работ по применению технологических методов повышения работоспособности цилиндровых втулок
В настоящей главе рассматриваются наиболее поздние работы по применению безотходных технологических методов повышения работоспособности наружной поверхности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей. Износостойкость, упрочнение внутренней поверхности, вопросы технологии гидродинамики смазочного слоя между втулкой и поршнем, имеющие самостоятельные значения, в настоящей главе не анализируются и не рассматриваются.
14
Повышение работоспособности цилиндровых втулок связано с разработкой технологических мероприятий, направленных на релаксацию остаточных напряжений в процессе их изготовления [12]. Этого можно добиться совершенствованием технологического процесса термообработки втулок, исключением операции развертывания внутренней поверхности втулки после закалки ТВЧ и отпуска, введением операции естественного старения перед хонингованием. Вместо развертывания целесообразно применение силового хонингования крупнозернистыми брусками.
В поверхностном слое нагруженных цилиндровых втулок возникают упругие и пластические деформации. Последние вызывают релаксацию напряжений, устранить которую можно уменьшением действующих динамических нагрузок или повышением сопротивления усталости металла пластическому деформированию, т.е. повышением его релаксационной стойкости. Для этой цели наряду с использованием распространенных технологических процессов (естественное старение, низкотемпературный отжиг) находит широкое применение вибрационное старение [51]. Во многих случаях оно заменяет дорогостоящую термическую обработку, требующую сложного оборудования и сокращение времени старения.
Для повышения работоспособности цилиндровых втулок [30] при изготовлении применяют сухой поверхностный наклеп дробью внутренних и наружных поверхностей. Упрочнение оценивают по величине остаточных напряжений, для определения которых из упрочненных втулок вырезают кольца толщиной 10 мм. На поверхности колец наклеивают тензодатчики, по изменению показаний которых после разрезки кольца судят о напряжениях вокруг отверстия. Кроме упрочнения сухим дробенаклепом внутренняя и наружная поверхности втулки в поясе шириной 180 мм подвергаются накатыванию для обеспечения заданной величины натяга при посадке в блок-картер.
ШЩ
15
Указанный способ обладает существенным недостатком: остаточные напряжения как основной критерий оценки эффективности поверхностного пластического деформирования не взаимодействуют с рабочими динамическими напряжениями во втулке, из-за чего нельзя создать равнопрочную конструкцию.
Как показали испытания образцов из цилиндровых втулок, проведенные на ОАО им. Малышева [16], никельфосфатированное покрытие наружной поверхности втулки повышает коррозионно-усталостную прочность только при условии предварительного качественного упрочнения наклепом. Без последнего коррозионно-усталостная прочность резко снижается.
Вопросам изучения кавитадионных процессов в наружных поверхностях цилиндровых втулок посвящены работы [8], [11]. Причиной снижения работоспособности втулок из-за кавитационных разрушений является вибрация стенок полостей охлаждения дизелей, в результате которой возникают разрывы жидкости и их уничтожение, приводящее к местным повышениям давлений и температур. На уменьшение кавитационных разрушений воздействуют конструктивными мероприятиями: оптимальным выбором толщины стенок цилиндровых втулок, зазоров между поршнем и втулкой, величиной межопорного расстояния и количеством посадочных поясов.
Проведенный анализ опубликованных работ по применению безотходных технологических методов повышения работоспособности цилиндровых втулок указывает на существенность влияния упрочнения наружных поверхностей втулок как одного из факторов повышения работоспособности высокофорсированных дизелей. Следует отметить также, что количество публикуемой литературы по технологическим методам повышения работоспособности цилиндровых втулок весьма ограничено.
16
1.3. Постановка задач исследований согласно цели работы и достигнутому уровню развития
На основании изучения состояния вопроса и выполненного выше предварительного анализа по выбору наиболее актуальных путей повышения работоспособности цилиндровых втулок могут быть определены, согласно принятой общей цели работы, следующие задачи исследований:
-
Проведение теоретических исследований процессов динамического и температурного нагружения цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей при инерционном нагружении, сгорании топлива и тепловом воздействии.
-
Выполнение экспериментальных разработок, следуя результатам теоретических исследований, внедрение в производство и эксплуатацию безотходного технологического метода повышения работоспособности цилиндровых втулок высокофорсированных дизелей путем поверхностного пластического деформирования — дифференцированного гидродробеструйного упрочнения наружной поверхности.
-
Разработка безотходного технологического метода, развитие и выполнение экспериментальных исследований релаксации остаточных напряжений во втулке путем ультразвуковой обработки.
-
Изыскание резервов дальнейшего повышения работоспособности цилиндровых втулок в условиях форсирования дизелей по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала.
1.4. Объекты исследований
Уровень динамических нагрузок в современных комбинированных дизелях возрос настолько, что при имеющихся в дизелестроении материалах каждая дальнейшая форсировка по параметрам термодинамического цикла и
17
частоте вращения коленчатого вала требует проведения большого комплекса работ по увеличению несущей способности цилиндровых втулок. Так, например, форсирование дизеля за счет повышения максимального давления цикла сопровождается ростом газовых сия, увеличением напряжений знакопеременного изгиба, ростом динамики нагружений и колебательных процессов в цилиндровых втулках. Оценка величины динамических напряжений и нагружающих сил позволяет определить возможность и целесообразность принятой степени форсирования, дать общее представление об ожидаемой работоспособности форсируемых дизелей в целом.
Высокооборотные четырехтактные дизели ЧН 21/21 нового семейства с различным уровнем форсирования по параметрам термодинамического цикла и частоте вращения коленчатого вала (рис. 1.1), выпускаемые ОАО «Волжский дизель им. Маминых», предназначены для широкого использования в народном хозяйстве: для буровых установок в составе силового агрегата СА-10 (NeD464 КВт), для маневровых тепловозов ТГМ-4 (NeD552 КВт), для автомоторис и дизельпоездов (NeD736 КВт), для карьерных автосамосвалов и автопоездов особо большой грузоподъемности (БелАЗ) (NeD772 КВт).
В связи с отмеченным форсированием дизелей ЧН 21/21 по параметрам термодинамического цикла определение и повышение несущей способности цилиндровой втулки связано с необходимостью изучения конструктивных и технологических возможностей этой детали, ее напряженно-деформированного состояния, неравномерностью распределения динамических напряжений по поверхности, способов поверхностно-пластического деформирования.
Цилиндровая втулка комбинированного дизеля ЧН 21/21 (рис. 1.2) изготавливается из чугуна марки АХНММ «мокрого типа», устанавливается в расточку блок-картера. Верхним уплотняющим фланцем, притираемым к