CC BY
40
УДК 621.436
ВПЛИВ ПЕРЕДІСТОРІЇ НАВАНТАЖЕННЯ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ НА РЕСУРСНУ МІЦНІСТЬ ПОРШНЯ
В.Т. Турчин, аспірант, НТУ «ХІІІ»
Анотація. Виконано оцінку ресурсної міцності серійного поршня дизеля 4ЧН12/14 без урахування впливу пошкоджень матеріалу за попередніми перехідними процесами при розгляді поточного перехідного процесу та з урахуванням впливу пошкоджень матеріалу за сукупністю експлуатаційних попередніх перехідних процесів. Показано переваги уточненої методики.
Ключові слова: камера згоряння (КЗ), поршень, тракторний дизель, ресурсна міцність, модель експлуатації.
Вступ
Сучасні підходи до проектування перспективних конструкцій двигунів передбачають суттєве підвищення рівня форсування. Матеріали деталей КЗ в таких умовах працюють на межі міцності. У зв’язку з цим актуальною стає задача більш точного визначення ресурсу та запасів міцності [1].
Аналіз публікацій
Сучасний підхід до оцінки ресурсної міцності dвикористовує принцип накопичення пошкоджень, при цьому ^0 [0;1] , коли dfs = 1 - момент руйнування деталі.
На процес накопичення пошкоджень високотермонавантажених деталей двигунів впливають такі фактори:
— малоциклова термічна утома, що визначається наявністю перехідних процесів аперіодичного навантаження дизеля;
— багатоциклова термічна утома,
що обумовлена високочастотною
періодичною зміною значень параметрів робочого тіла в циліндрі двигуна;
— процес повзучості матеріалу, який має місце на стаціонарних та прискорюється внаслідок перехідних режимів роботи двигуна;
— релаксація термопружних
напружень, що супроводжує процес повзучості за умов обмеження деформації останньої.
Усі зазначені фактори безпосередньо визначаються конкретними технологічними циклами роботи двигуна певного призначення, тобто є функцією моделі його експлуатації [1, 2, 3]. Для пошуку величини пошкоджень dfs в деталях КЗ найбільш розповсюдженим підходом є використання співвідношення Поспішила, яке отримано на основі узагальненого принципу Нейбера та модифікованих рівнянь Морроу, і енергетичного критерію міцності Сосніна.
Мета та постановка задачі
До теперішнього часу прогнозування ресурсної міцності поршнів проводили з використанням нестаціонарної моделі експлуатації двигуна, яка передбачає наявність 2 — 8 перехідних процесів [1]. Розрахунки значень dfs з використанням таких моделей виконують для кожного окремого перехідного процесу без урахування пошкоджень матеріалу на попередніх режимах.
Вказаний підхід передбачає проектування поршня з гарантованим рівнем тривалої міцності — коли за розрахунками ресурс поршня забезпечено, та в реальній експлуатації
поршень буде надійно працювати протягом заданого ресурсу.
На момент часу х енергія розсіювання при повзучості знаходиться за виразом
Відомо, що при незмінному рівні форсування двигуна, але в різних умовах його експлуатації ресурс поршнів може
відрізнятися в десятки разів. При цьому
важливо, що модель експлуатації тракторного дизеля характеризується
значною кількістю встановлених
технологічних циклів його роботи.
Наприклад, за даними [4] модель експлуатації колісних тракторів
сільськогосподарського призначення класів 2
— 3 складається з 18 окремих режимів. Це
означає, що при використанні для поршнів таких двигунів прийнятої методики запас ресурсної міцності може бути суттєво завищеним. Таким чином, метою роботи є визначення впливу передісторії
навантаження тракторного дизеля на ресурсну міцність поршня.
У роботі висунуті такі задачі:
— виконати розрахункову оцінку тривалої міцності поршня дизеля 4ЧН12/14 без врахування та з врахуванням передісторії навантаження двигуна;
— встановити вплив врахування передісторії навантаження двигуна на точність оцінки ресурсної міцності поршня.
Результати розв’язання задачі та їх аналіз
Одним з ефективних підходів оцінки накопичених пошкоджень у
високотемпературних зонах деталей КЗ є використання виразу [1]
dfs = df + ds = е
1
к N
Ік
+ и* е ик,
и к
(1)
де
df —
f - частка пошкоджень утоми; ds -частка пошкодження повзучості; кількість циклів до руйнування матеріалу в умовах
к-го циклу складного високо- та
низькочастотного навантаження деталі; ик -величина питомої енергії розсіювання при повзучості на к-му циклі навантаження; и *-прийнята критична величина питомої енергії розсіювання за умов повзучості; к - загальна кількість циклів навантаження двигуна за обраною моделлю його експлуатації.
и = т Є Ч Чdх
(2)
де є п - деформація матеріалу деталі за умов повзучості на ділянці часу dт ; 0 - діючі напруження на ділянці часу dт ; т -тривалість технологічного циклу
навантаження.
У технологічному циклі навантаження тракторного двигуна, який для основних сільськогосподарських операцій в середньому триває 5 хв. [5], зміна діючих температур та напружень можуть відповідно перевищувати 100° та 10 МПа. Це приводить до необхідності при визначенні повзучості матеріалу ds розбивати кожен з к технологічних циклів в (1) на окремі інтервали, кількістю і, та проводити розрахунки за модифікованим виразом
dfs = df + ^ = е
- — + ~те е (Є п Чо Чх:) (3)
к Nk и к і п 1 , (3)
а для визначення пошкоджень утоми df приймати ефективну температуру циклу
1
й
*(к) = _■_ К *(к) +
еф. 2 к тах
е *(к)х к щ _ъ ъ .
(к)
(4)
Для матеріалів деталей камери згоряння, зокрема поршня, процес повзучості матеріалу характеризується
£ п = АЄХР (-V *) \0К 1 - ®г) щҐ
ґ (1+ Dє-[l), £ „(0) = 0
(5)
де (, о - діючі температури та напруження на ділянці часу dт ; Д,, к1, D, а - коефіцієнти повзучості, що залежать від тривалості технологічного циклу т ц
навантаження двигуна; ш - параметр
пошкоджень матеріалу Ю.Н. Работнова
W = В0ЄХР ("к2Іf) \sl(1 -w Г )Щ , (6)
w (0) = 0, w О [0;1],
де B0, к2, r, n - коефіцієнти повзучості.
Видно, що швидкість повзучості залежить від попередньо накопиченої деформації повзучості Е n та параметра пошкодження матеріалу w . У зв’язку з цим розрахунки на кожному і -ому інтервалі за виразом (3) слід виконувати на l підінтервалах:
df = df + ds = е + Д* е е е (Е п it l) (7)
fs f s к Nß U к і i 11 . (7)
З урахуванням процесу релаксації напружень на кожному з l підінтервалів визначення df в (7) здійснюється на основі
0 max = MAX (0 і,i = І2— ік ) ,
(8)
о min = MIN (о і, і = 1,2,..., ік),
де дійсні величин напружень о і на початок кожного з інтервалів t(к) наданого циклу визначаються з урахуванням процесів пластичності і повзучості.
Нами проведено чисельний експеримент щодо використання методики (7) у двох варіантах: без урахування впливу пошкоджень матеріалу за попередніми перехідними процесами при розгляді поточного перехідного процесу та з таким урахуванням.
Об’єкт дослідження - серійний поршень дизеля 4ЧН12/14 зі струменевим масляним охолодженням, літрова потужність двигуна Nл = = 21,3 - 25 кВт/л, що відповідає 4-й категорії трактора за ISO. Розрахунок dfs виконано на базі 10000 год. Чисельний експеримент проведено для моделі експлуатації [5]. Нестаціонарну модель експлуатації отримано за методикою [1]. Результати розрахунків за двома варіантами використання виразу (7) наведено на рис. 1.
Рис. 1. Накопичені пошкодження за період експлуатації: dfs — накопичені
пошкодження без урахування впливу
попередніх перехідних процесів; dfsпр — накопичені пошкодження з урахуванням впливу попередніх перехідних процесів
З рис. 1 видно, що розрахунки за першим варіантом dfs забезпечують ресурсну міцність поршня при форсуванні двигуна до Nл = 22,7 кВт/л, за другим варіантом — при вказаному рівні форсування величина накопичених пошкоджень ^пр= 0,75, що відповідає запасу міцності у 25%.
Висновок
Результати виконаної роботи свідчать, що врахування передісторії навантаження при оцінці ресурсної міцності поршня дозволяє зменшити запас міцності конструкції при одночасному забезпеченні гарантованого ресурсу.
Таким чином, уточнена методика оцінки ресурсної міцності поршнів дозволяє ще на стадії проектування використовувати
властивості матеріалу з більшою ефективністю при перспективному
форсуванні сучасних транспортних дизелів. Подальший напрямок робіт передбачає
пошук шляхів уточнення інших методик на основі уточнення уявлень щодо процесів втрати міцності.
Література
1. Пильов В.О. Автоматизоване
проектування поршнів швидкохідних дизелів із заданим рівнем тривалої міцності: Монографія. — Харків:
Видавничий центр НТУ «ХПІ», 2001. — 332 с.
2. Багиров Д.Д., Златопольский А.В. Двига-
тели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин. - М.: Машиностроение, 1974. - 220 с.
3. Тракторы. Проектирование, конструиро-
вание и расчет / И.П. Ксеневич, В.В. Гуськов, Н.Ф. Бочаров и др. / Под общей ред. И.П. Ксеневича. - М.: Машиностроение, 1991. - 544 с.
4. Ажиппо Н.А., Балюк Б.К. Прогнозирова-
ние долговечности подшипников скольжения тракторных двигателей на стадии
их проектирования // Двигателестрое-ние. — 1985. — № 8. — С. 17 — 20.
5. Коваль И.А., Вахтель И.Ю., Диденко А.М. Ускоренные испытания двигателей // Тракторы и сельхозмашины. — 1974. — №12. — С. 3 — 5.
Рецензент: Ф.І. Абрамчук, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 24 травня 2007 р.
