Расчетный анализ стационарных термоупругих напряжений гильзы цилиндра быстроходного дизеля

УДК 621.43.016

РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ СТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОУПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРА БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ

А.М. Левтеров, доцент, к.т.н., ХНАДУ,

А.Н. Авраменко, мл. научн. сотр., ИПМаш им. А.Н. Подгорного

НАН Украины

Аннотация. Рассматриваются расчетные варианты гильзы цилиндра быстроходного дизеля серийного и модернизированного исполнения с наплавкой на наружной поверхности из коррозионно-стойкого материала. Оцениваются причины возникновения отслойки наплавки на наружной поверхности гильзы. Задача решается в стационарной трехмерной постановке. Одним из путей уменьшения термоупругих напряжений в наплавленном слое рассматривается вариант с промежуточным слоем, имеющим усредненные коэффициенты линейного расширения материала гильзы и наплавки.

Ключевые слова: гильза цилиндра быстроходного дизеля, теплонапряженное состояние гильзы цилиндров, наплавленный слой.

Введение

Одним из основных факторов, определяющих эксплуатационную надежность ДВС, а также ограничивающих уровень его форсирования, является температурное и напряженно-деформированное состояние цилиндропоршневой группы (ЦПГ), в частности гильзы цилиндра.

Организация надежного теплоотвода от рабочих поверхностей гильзы цилиндра является неотъемлемым условием надежной работы деталей ЦПГ и двигателя в целом.

Анализ публикаций

Расчетно-экспериментальному анализу теплового и напряженно-деформированного состояния деталей ЦПГ посвящено множество работ [1 - 3].

Одним из характерных эксплуатационных дефектов гильзы цилиндра является коррозия поверхностей полостей охлаждения и кавитационный износ, которые снижают эффективность отвода теплоты от гильзы в систему охлаждения и ухудшают условия работы деталей ЦПГ. Проблема повышения коррозионной стойкости решается за счет нанесения

защитного слоя из нержавеющей стали на боковую поверхность гильзы при помощи, например, центробежного литья под давлением. Однако такая защита в эксплуатации отслаивается, что способствует снижению надежности гильзы цилиндра.

Цель и постановка задачи

В проведенном расчетном исследовании ТНС гильзы цилиндра штатного и модернизированного исполнения ставились и решались задачи:

- разработать трехмерную геометрическую и конечноэлементную модель гильзы цилиндра;

- провести сравнительный расчетный анализ полей температур и напряжений и гильзы цилиндра штатного и модернизированного исполнения;

- выявить причины, приводящие в эксплуатации к отслойке защитного покрытия наружной поверхности гильзы модернизированного исполнения.

Основные этапы и результаты исследования

Объект исследования - гильза цилиндра подвесного типа быстроходного дизеля 4 ЧН 12/14. В проведенном исследовании реша-

лась совместная задача теплопроводности и механики для расчета стационарного ТНС гильзы цилиндра в трехмерной постановке.

В данной работе рассматривается расчетный вариант гильзы цилиндра модернизированного исполнения, которая имеет на боковой поверхности наплавленный слой из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Геометрическая модель гильзы цилиндра была выполнена по чертежам завода “Серп и Молот” г. Харьков. Для уменьшения размерности решаемой задачи рассматривается четвертая часть гильзы при её сечении меридиональными плоскостями. Задача стационарного ТНС гильзы цилиндра решалась с использованием программного комплекса, основанного на методе конечных элементов (МКЭ), в декартовых координатах.

Схема задания граничных условий (ГУ) на участках теплообменной поверхности гильзы, а также сами значения ГУ выбирались на основании работ [3] для варианта с симметричным подводом теплоты. Для задания ГУ 2-го и 3-го рода на теплообменной поверхности гильзы было выделено 18 участков [3]. Схема закрепления гильзы идентична используемой ранее схеме, подробно рассмотренной в работе [3]. Граничные условия задачи механики учитывались в виде давления на поверхность зеркала цилиндра, равного максимальному давлению сгорания в цилиндре. Анализ расчета теплового состояния гильзы цилиндра при работе дизеля по нагрузочной характеристике на режиме с Ре = 0,8 МПа сводится следующему.

Максимальная температура гильзы цилиндра зарегистрирована на её кромке 252 °С (рис. 1, а). В области опорного бурта температура изменяется от 207 до 170 °С и в центральной части по высоте гильзы цилиндра не превышает 115 °С. В нижней части гильзы цилиндра температура достигает 108 °С.

Для оценки напряженного состояния гильзы цилиндра использовались интенсивности напряжений, представленные на рис. 2, б. Максимальная интенсивность напряжений зарегистрирована в области опорного бурта и достигает 270 МПа (на рис. не показано). В районе кромки интенсивность напряжений достигает 290 МПа. По высоте гильзы цилиндра интенсивности напряжений изменяются от 218 до 4 МПа (рис. 1, б).

Анализ расчета ТНС гильзы цилиндра модернизированного исполнения (с наплавкой из нержавеющей стали на боковой поверхности) сводится к следующему.

а

б

Рис. 1. Тепловое (а) и напряженное (б) состояние гильзы цилиндра штатного исполнения

Температурное поле гильзы модернизированного исполнения, представленное на рис. 2, а, практически не отличается от температурного поля гильзы цилиндра штатного исполнения (рис. 1, а), что объясняется незначительным влиянием наплавки на боковой поверхности гильзы на теплоотвод от гильзы цилиндра в систему охлаждения.

а

б

Рис. 2. Тепловое (а) и напряженное (б) состояние гильзы цилиндра модернизированного исполнения

Поле интенсивностей напряжений гильзы модернизированного исполнения представлено на рис. 2, б.

Интенсивность напряжений в области кромки достигает 270 МПа. По высоте гильзы напряжения изменяются от 100 до 15 МПа (рис. 2, б). Из рисунка видно, что наличие наплавки из нержавеющей стали на боковой поверхности гильзы приводит к существенному приросту интенсивностей напряжений в области наплавки, что объясняется отличием коэффициентов температурного расширения материала гильзы - серого чугуна (асч = 1,1-10"5, 1/ °С) и материала наплавки -нержавеющей стали (асч = 1,7-10-5, 1/ °С).

Согласно аналитической зависимости, предложенной академиком Г.С. Писаренко для оценки напряжений на границе раздела двух разнородных материалов, основной вклад в прирост напряжений вносят различие в коэффициентах линейного расширения разнородных материалов и закон подвода теплоты во времени (стационарный и нестационарный) [4].

Интенсивность напряжений в наплавленном слое изменяется от 105 до 130 МПа (рис. 2, б). Наличие такого прироста интенсивностей напряжений в наплавленном слое и вибрации гильзы при работе дизеля, характерные для гильз цилиндра подвесного типа, в эксплуатации приводят к отслойке наплавки и коррозии боковой поверхности гильзы.

Для снижения напряжений в наплавленном слое в работе предлагается использовать промежуточный слой между боковой поверхностью гильзы и наплавкой из нержавеющей стали, имеющий усредненные коэффициенты температурного расширения материала гильзы и наплавки (Патент Украины на полезную модель № 24565 [5]).

Наличие такого промежуточного слоя позволяет, в среднем на 30 - 40 %, снизить интенсивность напряжений в наплавленном слое и тем самым улучшить эксплуатационные показатели гильзы цилиндра быстроходного дизеля.

Выводы

В результате проведенного исследования можно отметить:

- температурное поле гильзы цилиндра быстроходного дизеля характеризуется значительными температурными градиентами, как в осевом, так и радиальном направлении;

- интенсивности напряжений в наплавленном слое значительно превышают напряжения в теле гильзы и достигают 130 МПа, что обусловлено различными коэффициентами температурного расширения материала наплавки и гильзы цилиндра;

- для улучшения эксплуатационных характеристик гильзы цилиндра с наплавкой в работе предлагается использовать промежуточный слой, имеющий усредненные коэффициенты температурного расширения материала наплавки и гильзы.

Литература

1. Шеховцов А.Ф., Гонторовский П.П., Аб-

рамчук Ф.И., Левтеров А.М., Шиман-ский В.К. Напряженно-деформированное состояние поршня быстроходного дизеля при нестационарных нагружениях // Двигатели внутреннего сгорания, 1989.

2. Шеховцов А.Ф., Гонторовский П.П., Аб-

рамчук Ф.И., Левтеров А.М. Влияние вставки под первое поршневое кольцо на напряженно-деформированное состояние поршней быстроходных тракторных и комбайновых дизелей // Двигатели внутреннего сгорания. - 1987. -Вып. 46. - С. 3 - 10.

3. Левтеров А.М. Исследование теплового и

напряженно-деформированного состояния деталей цилиндропоршневой группы быстроходного дизеля при нестационарных нагружениях: Дисс. ... канд. техн. наук. - Харьков, 1991. - 213 с.

4. Писаренко Г.С., Можаровский Н.С., Анти-

пов Б.А. Сопротивление жаропрочных материалов нестационарным силовым и температурным воздействиям. - К.:

Наукова думка, 1974. - 200 с.

5. Складений клапан двигуна внутрішнього

згоряння. Патент України на корисну модель № 24565 / Шеховцов А.Ф., Марченко А.П., Триньов О.В., Авраменко А.М., - и 2007 00197; Заявл. 09.01.2007; Опубл. 10.07.2007, Бюл. № 10. - 3 с.

Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 8 декабря 2008 г.