CC BY
0
4. Петин, С. В. Повышение ресурса гидромеханических коробок передач улучшением трибологических параметров работы фрикционов: дис.... канд. техн. наук: 05.20.03 / Петин Сергей Викторович. - Самара, 2005. - 190 с.
5. ГОСТ Р 53228-2008. Весы неавтоматического действия. Ч. 1. Метрологические и технические требования. Испытания. - Введ. 2008-12-25. - М.: СТАНДАРТИНФОРМ, 2010. - 141 с.
6. ГОСТ Р 54071-2010. Весы неавтоматического действия. Ч. 2. Формы протоколов испытаний. - Введ. 2012-01-01. -М.: СТАНДАРТИНФОРМ, 2010. - 75 с.
7. Бухвалов, А. С. Повышение ресурса подшипников опорных катков гусеничных тракторов совершенствованием смазочной системы : дис.... канд. техн. наук: 05.20.03 / Бухвалов Артём Сергеевич. - Пенза, 2014. - 197 с.
8. Пат. № 2241555 Российская Федерация. Смазочная композиция / Едуков Д. А., Болдашев Г. И. - №2007121290/04 ; заявл. 06.06.2007 ; опубл. 20.12.2008, Бюл. 35. - 7 с.
УДК 621.436-224.2
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СНИЖЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ В ГОЛОВКЕ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЯ
Черкашин Николай Александрович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Надежность и ремонт машин», ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Спортивная, 8-а.
E-mail: SSAA [email protected]
Шигаева Виктория Владимировна, доцент кафедры «Надежность и ремонт машин», ФГБОУ ВПО Самарская
ГСХА.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Спортивная, 8-а.
E-mail: SSAA [email protected]
Макарова Маргарита Павловна, доцент кафедры «Надежность и ремонт машин», ФГБОУ ВПО Самарская
ГСХА.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Спортивная, 8-а.
E-mail: SSAA [email protected]
Дмитриев Григорий Николаевич, магистрант кафедры «Надежность и ремонт машин», ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Спортивная, 8-а.
E-mail: SSAA [email protected]
Ключевые слова: термическое, напряжение, деформация, усталость, трещина.
Цель исследований -снижение термических деформаций в головке цилиндров дизеля путем определения степени влияния различных факторов, влияющих на их возникновение и развитие. Рассмотрено общее напряженное состояние головок блока цилиндров (ГВЦ). Определены и проанализированы его основные части. Основной фактор, вызывающий повреждение огневого днища ГВЦ - это термические напряжения, достигающие своего максимума в межклапанных перемычках. Появление этих напряжений вызвано действием высоких температур горения топлива и их большой неравномерностью распределения по поверхности и толщине огневого днища головки блока цилиндров. Разница температур в зоне межклапанных перемычек и периферии днища может достигать значительных величин. Причинами этого перепада температур являются конструктивные особенности, теплопроводность материала и способ охлаждения нагретых поверхностей. Наличие в этой детали температурных перепадов приведет к неодинаковым удлинениям различных частей огневого днища ГВЦ. Эти удлинения (деформации) вызывают соответствующие им термические напряжения сжатия. При малоцикловом термическом нагружении постепенно происходит релаксация термических напряжений при наличии уже образовавшейся остаточной деформации. Это приводит к появлению напряжения растяжения. Напряжения растяжения особенно опасны для серого чугуна из которого изготовлена головка блока цилиндров. Придел прочности этого материала на растяжение в несколько раз меньше, чем на сжатие. С каждым термоциклом напряжения растяжения будут возрастать, так как серый чугун обладают малой пластичность. Остаточные деформации будут возрастать и в конечном итоге приведут к возникновению термоусталостных трещин. В результате проведенных теоретических исследований получена зависимость остаточных деформаций от различных факторов, определяющих долговечность ГВЦ. На основании этой зависимости, возможно определить направления дальнейших исследований по снижению термических напряжений и остаточных деформаций.
Частым дефектом головок блока цилиндров дизеля являются термоусталостные трещины межклапанных перемычек. По различным данным этому дефекту подвергаются до 80% современных дизелей. Вследствие этого головка цилиндров меняется на новую до четырех раз за весь срок службы дизеля.
Цель исследований - снижение термических деформаций в головке цилиндров дизеля путем определения степени влияния различных факторов, влияющих на их возникновение и развитие.
Задачи исследований - провести теоретический анализ и определить зависимость термической деформации от возможных влияющих факторов и оценить степень влияния термических деформаций на ресурс ГБЦ и определить направление исследования для повышения долговечности этой детали.
Головка цилиндров дизеля относятся к числу наиболее сложных и многофункциональных деталей. При работе она должна обеспечивать герметичность камеры сгорания и оптимальное охлаждение тепловос-принимающих поверхностей, поэтому подвержена влиянию многих факторов, которые влияют на ресурс этой детали [1].
К факторам, влияющим на возникновение и развитие термических деформаций относятся следующие [1]:
- материал изготовления детали;
- конструкция
- технология отливки и изготовления;
- условия эксплуатации.
Эти факторы обуславливают высокую общую напряженность этой детали. Эта напряженность имеет следующие составляющие [6]:
- монтажные напряжения (20-80 МПА);
- остаточные напряжения (10-13 МПА);
- термоструктурные напряжения;
- рабочие напряжения (20-40 МПА);
- термические напряжения (180-220 МПА).
Термические напряжения оказывают максимальное воздействие на огневое днище ГБЦ. Появление этих напряжений вызвано действием высоких температур горения топлива, и их большой неравномерностью распределения по поверхности и толщине огневого днища ГБЦ. Разница температур в зоне межклапанных перемычек и периферии может доходить до 200°С [2]. Причинами такого перепада температур являются конструктивные особенности, теплопроводность материала этой детали и способом охлаждения нагретых поверхностей.
Наличие в теле детали температурных перепадов (градиентов) приводит к неодинаковым удлинениям различных частей детали. Так как целостность не должна нарушаться, то появляются деформации и соответствующие им термические напряжения[3].
Градиенты температур ГБЦ достигают своего максимума при прогреве и остановке дизеля и наблюдаются как по плоскости огневого днища, так и по его толщине. Поэтому общее термическое напряжение определяется по формуле
<Тт = (7т1 + <ГТ2 , (1)
где оТ1 - напряжение от перепада температур по поверхности огневого днища;
оТ2- напряжение от перепада температур по толщине огневого днища. Величины этих напряжений можно оценить следующими зависимостями:
аДТ
°т1 - 7Г7Т. (2)
\Е Ё/
где ос - коэффициент теплового линейного расширения;
ДТ^ - перепад температур на огневом днище;
Е - модуль упругости;
/ = —, (/^, - площади сечения перемычек впускного и выпускного клапанов).
2/г1
«ЕДТ
0"т2 = "Т-7 , 3
2(1—/ц) 4 '
где {1 - коэффициент Пуассона;
ДТ2 - перепад температур по толщине огневого днища.
Учитывая зависимости (2) и (3) уравнение (1) можно записать в виде:
«ДТт а£ДТ2
<7Т = 7Г"А + -7 1 4
(Я)
При установившемся режиме работы двигателя градиент температур снижается, т.е. происходит релаксация термических напряжений. Деформации, вызванные этими напряжениями, могут быть определены зависимостью:
£т = |, (5)
где £т - деформация от термических напряжений.
Уравнение (5) можно представить в виде
<гт — sE . (6)
Учитывая уравнение (1), выражение (6) можно представить в виде:
от = ЕOi + £2) , (7)
где Ех и е2 - деформации по поверхности и толщине огневого днища.
Приравнивая выражения (4) и (6) получим:
/ДТт дт2 \
^ + ^ = И
Учитывая, что s1 + s2 = £т, уравнение (8) можно записать в виде:
^ = + <9>
Из анализа полученной зависимости видно, что на появление остаточных деформаций максимально влияют градиент температур и коэффициент линейного расширения материала детали.
При охлаждении дизеля будет происходить дальнейшая релаксация термических напряжений при наличии уже образовавшейся деформации, что приведет к появлению напряжений растяжения [4]. Эти напряжения особенно опасны для серого чугуна, из которого изготовлена головка блока цилиндров [5]. Предел прочности серого чугуна на растяжение в несколько раз меньше чем на сжатие [7]. С каждым циклом «нагрев - охлаждение», напряжения растяжения будут возрастать, что приводит к появлению трещин, вследствие наступающей термической усталости.
Заключение. Таким образом, для снижения термических деформаций и повышения ресурса ГБЦ следует снижать перепад температур, т.е. увеличивать отвод тепла от наиболее нагретых зон огневого днища и уменьшить воздействие участков огневого днища с максимальной деформацией на соседние менее нагретые зоны. Также на величину термических деформаций в значительной степени влияют теплофизиче-ские и механические свойства материалпа изготовления ГБЦ.
Библиографический список
1. Черкашин, Н. А. Пути повышения долговечности головок цилиндров тракторных дизелей II Известия Самарской ГСХА. - Самара, 2011.-С. 86-89.
2. Межецкий, Г. Д. Механика образования трещин в деталях двигателей внутреннего сгорания при малоцикловом термоусталостном режиме / Г. Д. Межецкий, В. В. Чекмарев, Д. В. Межецкий II Вестник Саратовского госагроуниверсите-та им. Н.И. Вавилова. - 2009. - №10. - С. 54-58.
3. Черкашин, Н. А. Снижение напряжений в межклапанных перемычках головок цилиндров дизелей / Н. А. Черкашин, В. В. Шигаева, Г. Н. Дмитриев II Достижение науки агропромышленному комплексу : сб. науч. тр. - Самара, 2014. - С. 268-271.
4. Межецкий, Г. Д. Теоретические основы повышения долговечности головок и крышек цилиндров дизелей / Г. Д. Межецкий, В. В. Чекмарев, А. А. Захаров II Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2005. -№2. - С. 55-57.
5. Черкашин, Н. А. Обоснование рационального выбора конструкционного материала для корпусных деталей двигателя II Актуальные проблемы АПК в XXI: сб. науч. тр. СГСХА. - Самара, 2004. - С. 98-99.
6. Захаров, А. А. Повышение долговечности головок цилиндров дизелей при восстановлении путем применения де-концентраторов напряжений : дис....канд. техн. наук : 05.20.03 / Захаров Александр Анатольевич. - Саратов, 2005. - 207 с.
7. Бондаренко, С. И. Влияние формы графита на термическую стойкость чугуна [Электронный ресурс] / С. И. Бонда-ренко, И. П. Гладкий II Вестник ХНАДУ. - 2006. - №33. - URL: http//cyperleninka/ru/areticle/nA/liyanie-formy-grafita-na-termlcheskuyu (дата обращения: 28.04.2014).
