CC BY
83
118
Проблематика транспортных систем
Заключение
В данной модели требуется информация, полученная методом опроса и путем исследования внешней информации, для определения необходимой маркетинговой переменной. Используются также статистические данные, показывающие рыночную долю марки в предшествующем периоде. Кроме этого, используется бухгалтерская отчетность для определения стоимости и расходов различных переменных. Эксперты определяют ожидаемый объем сбыта на основе статистических данных.
Библиографический список
1. Дуровин А. П. Маркетинг предпринимательской деятельности: Учеб. пособие. - Минск: НПЖ «Финансы, учет, аудит», 1997.
2. Белявский И. К. Маркетинговое исследование: информация, анализ, прогноз: Учеб. пособие. - М.: Финансы и статистика, 2005.
УДК 621.43.056
И. А. Ролле
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ, ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ ДНИЩ КРЫШЕК ЦИЛИНДРОВ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Ресурс работы крышек цилиндров тепловозных дизелей определяется степенью их форсирования. Рассмотрено моделирование полей температур и полей термических напряжений огневого днища крышки цилиндра дизеля Д49 при различных уровнях форсирования, механизма разрушения.
огневое днище, межклапанная перемычка, граничные условия, поле температур, поле напряжений, разрушение.
Введение
Основной частью крышки цилиндра, воспринимающей наибольшие тепловые и механические нагрузки, является огневое днище. На него приходится основная доля повреждений крышек (для дизеля Д49 до 90% -термоусталостные трещины перемычек между выпускными клапанами). Данная проблема становится особенно актуальной при форсировании дизелей, когда температуры и термические напряжения огневого днища значительно возрастают.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
119
1 Моделирование поля температур огневого днища крышки цилиндра дизеля Д49
1.1 Основные допущения. Постановка задачи
Так как через крышку цилиндра осуществляется теплообмен, имеющий множество составляющих, значениями большинства которых вследствие их малости можно пренебречь, задача теплообмена требует формализации. Для этого огневое днище можно рассматривать как пластину толщиной 5 с граничными условиями 3-го рода. Расчёт производился для дизеля Д49, форсированного по эффективной мощности до pe = 1,22 МПа
и pe = 2МПа, для крышек из серого чугуна СЧ30, высокопрочного чугуна ВЧ50 и алюминиевого сплава АК4.
1.2. Граничные условия
Со стороны газа присутствует как конвективный, так и лучистый теплообмен. Значения коэффициентов теплоотдачи можно определить, используя зависимости для конкретных типов двигателей, полученных из критериальных выражений [1], или используя положения теории пограничного слоя [2]. Особенно важным моментом является задание граничных условий в полости охлаждения. Например, для тепловозного дизеля Д49 в режиме холостого хода и частичной нагрузки теплообмен в полости охлаждения осуществляется при вынужденной конвекции. При увеличении нагрузки и номинальном режиме теплообмен будет осуществляться при поверхностном кипении, при котором значительно возрастает коэффициент теплоотдачи и, следовательно, плотность теплового потока. Граничные условия задаются также для гнёзд клапанов. Так как коэффициент теплоотдачи является функцией плотности теплового потока, то задача решается итерационным методом.
1.3 Результатаы моделирования
Тепловой поток:
q = k(Трез - Тв К
где к - коэффициент теплоотдачи от газа к охлаждающей жидкости, кВт/(м2-К);
Трез - результирующая по теплоотдаче температура газов, К;
Тв - температура охлаждающей жидкости, К.
Коэффициент теплоотдачи от газа к охлаждающей жидкости
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
120
Проблематика транспортных систем
к =
1
“1 5 1
—I—I— а Гт 1 a в
2
где аГт - средний коэффициент теплоотдачи от газа к стенке, кВт/(м •К);
ав - коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей жидкости кВт/(м2-К);
5 - толщина огневого днища крышки, м;
1 - коэффициент теплопроводности материала днища, Вт/(м-К).
Рис. 1. Результаты моделирования значений плотности теплового потока через огневое днище крышки цилиндра дизеля Д49 (материал ВЧ50):
1 - при pe = 1,22 МПа; 2 - pe = 2 МПа
Результаты моделирования теплообмена (рис. 1) показывают, что максимальное значение плотности теплового потока через крышку цилиндра дизеля Д49 имеет место в районе межклапанных перемычек. Это распределение зависит от геометрии головки поршня, так как она определяет поле скоростей газа у поверхности огневого днища крышки цилиндра и, следовательно, местные значения коэффициентов теплоотдачи. Температуры каждой точки на огневой поверхности и поверхности охлаждения можно найти из условия постоянства плотности теплового потока.
Расчёт поля температур проводился методом конечных элементов при помощи пакета COSMOS Works. Максимальную температуру при этом имела межклапанная перемычка выпускных клапанов (см. табл. 1).
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
121
ТАБЛИЦА 1. Результаты теплового анализа крышек цилиндров для номинального режима работы дизеля
Мате- риал Толщина днища, мм Осреднённый коэффициент теплоотдачи со стороны газа cp а г, Вт/(м2 • К) Температура газа по теплоотдаче, °С Осреднённый коэффициент теплоотдачи со стороны охла-=р ждения а , в Вт/(м2 • К) Тепловой поток q, Вт/м2 Тепло- вой поток qmаx, Вт/м2 Мак- сималь ная темпе- ратура, °С
СЧ30 25 555 782,5 1,84 -104 3,254-105 3,7 П05 428
560,6 927 2,2307 -104 4,3478-105 4,8 •Ю5 509
ВЧ50 13 555 782,5 1,8749 • 104 3,3504 • 105 3,75 •Ш5 438
560,6 927 2,2749 • 104 4,4776 • 105 5,1 •Ш5 487
АК4 25 555 782,5 2,68 -104 3,7656 -105 4,2 П05 257
560,6 927 2,46 • 104 5,0380 • 105 5,7 •Ю5 269
Примечание. В числителе представлены данные для pe = 2 МПа, в знаменателе - для pe = 1,22 МПа.
2 Определение напряжённого состояния днищ крышек цилиндров
2.1 Основные причины разрушений
Основными нагрузками, действующими на крышку цилиндра, являются: монтажные усилия от затяжки шпилек; усилия от давления газов; температурные напряжения. Как показывают исследования, проведённые разными авторами, коэффициент запаса прочности для крышки по монтажным усилиям и усилиям от давления газов превышает 10 и они не могут являться причиной разрушения. Основной причиной разрушения являются термические напряжения.
Температура огневого днища крышки цилиндра при работе двигателя меняется циклически. Следовательно, изменение термических напряжений тоже будет носить циклический характер. Если допустить предположение, что разрушение происходит вследствие многоцикловой термической усталости при изменении параметров рабочего процесса внутри каждого рабочего цикла, то оно наступило бы гораздо раньше, так как число рабочих циклов за период работы двигателя слишком велико. Кроме того, по результатам исследований [4], колебания температуры огневой поверхности крышки за рабочий цикл не превышают 8.. .15 °С и резко затухают по толщине огневого днища.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
122
Проблематика транспортных систем
Следовательно, можно предположить, что причиной разрушения являются макротеплосмены и, следовательно, циклический характер изменения термических напряжений при изменении температуры днища крышки в процессе изменения нагрузки на двигатель, его пусках и остановках -малоцикловая усталость (с числом циклов N £ 104). Основные процессы изменения структуры металла крышки, вызывающие повреждения, происходят в высокотемпературной части цикла и связаны с процессами ползучести металла и релаксации термических напряжений.
2.2 Расчёт поля напряжений
Рассмотрим рисунок 2. Вырежем мысленно средний участок межклапанной перемычки. Его можно представить как неравномерно нагреваемый по длине и по толщине элемент, находящийся между двумя опорами с некоторым коэффициентом защемления. Данный элемент будет испытывать деформацию сжатия реакциями опор, мПа,
S =kb E DT,
где b - коэффициент линейного расширения материала на 1 К;
Е - модуль упругости материала, мПа;
DT - изменение температуры при нагреве, К;
к - коэффициент защемления перемычки при сжатии.
Коэффициент защемления характеризует податливость областей крышки, граничащих с межклапанной перемычкой, и, по данным [3], для разных режимов работы изменяется от 0,3 до 0,7.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
123
Определив по указанной выше зависимости термические напряжения для каждой точки поверхности, получим поле напряжений, характерное лишь для высокотемпературной части первого цикла нагружения.
ТАБЛИЦА 2. Максимальные значения термических напряжений крышек цилиндров при номинальном режиме работы дизеля для перврго цикла нагружения
Ре СЧ30 ВЧ50 АК4
1,22 МПа 300 500 198
2 МПа 335 550 205
Расчёт поля напряжений проводился методом конечных элементов при помощи пакета COSMOSWorks. Максимальное напряжение при этом имела межклапанная перемычка выпускных клапанов (см. табл. 2).
2.3 Учёт эффекта циклической релаксации при определении напряженного состояния
Рассмотрим процесс циклической релаксации напряжений деформируемого элемента. Аналогичный процесс происходит и с материалом крышки.
Рис. 3. График циклического деформирования образца из чугуна ВПЧ-НМ (по результатам [5], время выдержки 50 мин)
Релаксационные процессы можно описать при помощи уравнения Максвелла:
s = Sе
k ta
где s0 - исходное напряжение;
k, a - постоянные, зависящие от температуры; t - время релаксации.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
124
Проблематика транспортных систем
Из рисунка 3 видно, что уже после первого цикла нагрева-охлаждения появляются остаточные напряжения растяжения в низкотемпературной части цикла, обусловленные увеличением пластичности, ползучестью материала и релаксацией напряжений в высокотемпературной части цикла. В дальнейшем от цикла к циклу происходит постепенное упрочнение и переход к симметричному циклу работы материала. Остаточные напряжения низкотемпературной части цикла в зоне упругости определяется величиной ст-ст0. Напряжения в каждом цикле нагружения определяется наложением исходных и остаточных напряжений.
Для расчёта поля реальных напряжений крышки цилиндра необходимо иметь опытные данные релаксации напряжений в образцах из материала крышки при рабочих температурах.
Таким образом, накопление остаточных напряжений растяжения и невысокий предел прочности чугуна при растяжении являются причиной появления трещин термической усталости межклапанных перемычек в низкотемпературной части цикла.
Говоря о долговечности работы материала, можно опираться на теорему Мелана [6], согласно которой конструкция приспособится к повторным нагружениям, то есть её поведение после некоторого числа первых циклов станет чисто упругим, если можно найти такое не зависящее от времени распределение остаточных напряжений, что их сумма с напряжениями от внешних нагрузок в каждой точке тела образует безопасное напряжённое состояние, то есть «состояние внутри поверхности текучести» (или s02). При этом необходимо учитывать влияние температуры на характеристики материала.
Следует отметить ограниченную приспособляемость чугуна при работе в условиях термоциклирования вследствие отсутствия возможности пластической деформации в низкотемпературной части цикла.
Заключение
По результатам исследований можно сделать вывод, что материал крышки работает в условиях циклических теплосмен. Он должен обладать достаточно высоким коэффициентом теплопроводности, малым коэффициентом термического расширения, достаточной пластичностью при высокой прочности. Основная причина разрушения - термическая усталость материала.
Библиографический список
1. Костин А. К. Тепло напряженность двигателей внутреннего сгорания. - Л.: Машиностроение, 1979. - 222 с.
2. Петриченко Р. М., Петриченко М. Р. Конвективный теплообмен в поршневых машинах. - Л.: Машиностроение, 1979. - 232 с.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
125
3. Салтыков М. А. Разработка и применение моделей разных уровней для расчёта рабочих напряжений в крышках цилиндров транспортных дизелей // Двигателестроение. - 1987. - №4. - С. 10-14.
4. Розенблит Г. Б. Теплопередача в дизелях. - М.: Машиностроение, 1977. - 216 с.
5. Салтыков М. А. Оценка сопротивления чугуна с шаровидной формой графита при температурных циклических нагрузках для прогноза ресурса деталей цилиндропоршневой группы двигателей транспортного назначения // Двигателестроение. - 1983. -№6. - C. 35-38.
6. Гохфельд Д. А., Чернявский О. В. Несущая способность конструкций при повторных нагружениях. - М.: Машиностроение, 1979. - 263 с.
УДК 691.3
Л. Б. Сватовская, М. Н. Латутова
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФОСФАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК ОСНОВА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИХ ПРОЧНОСТИ И ЭКОЗАЩИТНОСТИ
Определены энергетические основы прогнозирования свойств новых фосфатных материалов. Рассмотрена возможность получения материалов с улучшенными строительно-техническими свойствами, которые могут быть полезными при решении некоторых проблем транспортного строительства с учетом экологии.
фосфатные материалы, изменение изобарно-изотермического потенциала (свободной энергии), водостойкость, прочность, тяжелые металлы, нефтезагрязнения.
Введение
Реалии сегодняшнего дня таковы, что наиболее общей системой знаний является химическая термодинамика, определяющая основы процессов, превращений и свойств материалов различного предназначения [1], [2]. Именно эта система знаний привлечена в данной работе для прогноза прочности, долговечности и экозащитности фосфатных материалов.
1 Обоснование основной гипотезы
Основная идея работы состоит в том, что свойства глинофосфатного материала - прочность, водостойкость, морозостойкость, долговечность и экозащитность - могут быть улучшены с учетом природы продуктов твердения, образование которых отвечает наиболее отрицательному значению изменения изобарно-изотермического потенциала реакции, характеризующего полезную работу, совершаемую системой при твердении. При этом можно ожидать не только повышения прочности, водостойкости и долговечности материала, но и одновременно обезвреживания нефтезагрязнений
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
