Влияние воздушного охлаждения огневого днища на теплонапряженное состояние крышки цилиндра тепловозного дизеля

УДК 621.43.016

ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЕ огневого ДНИЩА НА ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ КРЫШКИ ЦИЛИНДРА ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

А.В. Тринёв, доцент, к.т.н.,

А.Н. Авраменко, аспирант, НТУ “ХПИ”

Аннотация. Рассматривается влияние локального воздушного охлаждения огневого днища на составляющие теплонапряженного состояния и деформации крышки цилиндра тепловозного дизеля Д80. При выполнении расчетного анализа используются экспериментальные данные термометрии крышки цилиндра.

Ключевые слова: локальное воздушное охлаждение, крышка цилиндра, надежность, граничные условия, теплонапряженное состояние.

Введение

В представленной работе проведены расчетные исследования по анализу путей повышения надежности крышки цилиндра тепловозного дизеля Д80. Для проведения расчетных исследований теплонапряженного состояния (ТНС) деталей камеры сгорания в последнее время широко используются программные комплексы основанные на методе конечных элементов (МКЭ). К преимуществам таких комплексов можно отнести возможность работы со сложной геометрией детали в 3х мерной постановке, автоматическая разбивка расчетной модели на конечные элементы (КЭ), с последующим сгущением конечноэлементной сетки в местах резкого изменения геометрии, возможность учета шероховатости поверхности и величины посадочного натяга, а также решение контактных задач. Использование таких программных комплексов существенно расширяет возможности расчетных исследований посвященных анализу ТНС деталей камеры сгорания. Во время работы дизеля крышка цилиндра воспринимает знакопеременные нагрузки от действия газовых сил, учувствует в конвективном, радиационном и контактном теплообмене, подвергается коррозионному воздействию как со стороны камеры сгорания, так и со стороны полостей охлаждения. Основными требованиями к надежности крышки цилиндра являются жесткость крышки под действием газовых сил, минимальные градиенты температур и напряжений, равномерный теплоотвод от нагретых участков и интенсивная циркуляция охлаждающей жидкости в полостях охлаждения исключающая образование накипи.

Анализ публикаций

В существующих литературных источниках, посвященных анализу ТНС крышек цилиндров [1-5], практически не уделяется внимание анализу влияния конкретных конструктивных решений на улучшение ТНС крышки цилиндра. В основном вышеуказанные работы сводятся только к анализу полей температур, напряжений и деформаций, возникающих в крышке при работе дизеля. Геометрия расчетной модели крышки существенно упрощалась, что приводило к невозможности корректно задавать ГУ задачи теплопроводности и механики и, соответственно, негативно сказывалось на результатах моделирования [3, 4]. Отсутствие в литературных источниках экспериментальных данных по влиянию локального воздушного охлаждения огневого днища крышки на составляющие ТНС крыши цилиндра, а также самих ГУ 3го рода на теплообменных поверхностях каналов охлаждения существенно усложняет решение поставленной задачи. По свидетельству авторов [6], применительно к крышке цилиндра тепловозного дизеля Д49

запланированный срок службы крышек равен 20 лет или 3 млн. км пробега, тогда как фактическая наработка на отказ составляет 800 тыс. км. Основной причиной выхода из строя крышек цилиндра являются сквозные трещины в межклапанной перемычке выпускных клапанов, а также трещины в перемычке между впускными и выпускными клапанами [6]. Применение плавающих седел для выпускных клапанов в крышках дизелей Д49 приводит к образованию разгарной сетки трещин и выходу крышки из строя [6]. Из проведенного литературного обзора видно, что исследования, в которых анализируются составляющие ТНС крышки

Рис. 1. Разбивка крышки цилиндра на конечные элементы

Рис. 2. Схема подвода и отвода охлаждающего воздуха

цилиндра, и пути по повышению надежности крышек являются актуальными.

Цель и постановка задачи

Цель данной работы заключается в анализе путей повышения надежности крышки цилиндра. При моделировании ТНС крышки цилиндра в условиях локального воздушного охлаждения ставились задачи:

- проанализировать пути повышения жесткости и прочности крышки цилиндра;

- оценить влияние локального воздушного охлаждения огневого днища на распределение температур, напряжений и деформаций в крышке в зависимости от диаметра каналов охлаждения и давления охлаждающего воздуха;

- сделать вывод о целесообразности проведения экспериментальных исследований на дизеле по исследованию влияния локального охлаждения на надежность крышки цилиндра.

1- серийная крышка цилиндра;

2- крышка цилиндра с каналами охлаждения диаметром 5 мм;

3- крышка цилиндра с каналами охлаждения диаметром 6 мм;

4- крышка цилиндра с каналами охлаждения диаметром 7 мм;

Рис. 3. Изменение температуры на поверхности огневого днища крышки цилиндра в зависимости от конструктивных и регулировочных параметров

Основные этапы и результаты моделирования

Модель крышки цилиндра была выполнена по чертежам завода - изготовителя (КП Завод им. Малышева). Для крепления на блоке цилиндров крышка имеет 6 отверстий под силовые шпильки. Крышка имеет 2 отверстия под седла впускных клапанов, 2 отверстия под седла выпускных клапанов и центральное отверстие под форсунку. Огневое днище крышки выполнено толщиной 22 мм, а толщина полки, разделяющей полости охлаждения на верхнюю и нижнюю - 10 мм. Материал крышки - высокопрочный чугун. Поставленная задача решалась в стационарной 3х мерной постановке задачи теплопроводности и механики, в прямоугольных декартовых координатах, что дало возможность корректно задавать ГУ задачи механики и теплопроводности. При задании ГУ задачи

теплопроводности были использованы результаты термометрии крышки цилиндра дизеля Д70 (16 ЧН 25/27, Ые = 2940 кВт, Ре = 1.2 МПа, п = 1000 мин'1), приведенные в работах проф. Г.Б. Розенблита, с последующей их корректировкой применительно к размерности дизеля Д80 (16 ЧН 26/27). Схема задания ГУ задачи теплопроводности и механики, значения ГУ и обоснование корректности задания ГУ представлены в работе [7]. Разбивка крышки на КЭ представлена на рис. 1. Для возможности создания циркуляции воздуха вокруг седел выпускных клапанов в крышке цилиндра были заменены отверстия под плавающие седла выпускных клапанов на отверстия под запрессовку седел (рис.2.).

В данной работе для подвода охлаждающего воздуха была использована запатентованная

-т

1 у

1- серийная крышка цилиндра;

2- крышка цилиндра с каналами охлаждения диаметром 5 мм;

3- крышка цилиндра с каналами охлаждения диаметром 6 мм;

4- крышка цилиндра с каналами охлаждения диаметром 7 мм;

Рис. 4. Изменение интенсивности напряжений огневого днища крышки цилиндра в зависимости от конструктивных и регулировочных параметров

схема подвода воздуха [8], применительно к крышке дизеля Д80, для седел впускных и выпускных клапанов, одноименным

межклапанным перемычкам и отверстию под форсунку представленная на рис.2.

Особенностью предложенной схемы является транзитная циркуляция воздуха через огневое днище минуя впускной и выпускной тракты ДВС, что существенно повышает эффективность охлаждения. В расчетных вариантах крышки исследовались каналы охлаждения с диаметром 5,

6, и 7 мм; давление охлаждающего воздуха - 0.1, 0.2 и 0.3 МПа. Величина диаметра канала выбиралась исходя из условий прочности и жесткости огневого днища, а давление охлаждающего воздуха по рекомендациям [9, 10]. Основные результаты расчетного анализа сводятся к следующему.

На рис. 3. представлены графики зависимости температуры на поверхности огневого днища крышки (перемычка между выпускными клапанами Т} и перемычка между впускными и выпускными клапанами Т2) в зависимости от давления охлаждающего воздуха и диаметра каналов охлаждения. На рис. 4. представлены графики зависимости интенсивности напряжений на поверхности огневого днища крышки (перемычка между выпускными клапанами Т} и перемычка между впускными и выпускными клапанами Т2) в зависимости от давления охлаждающего воздуха и диаметра каналов охлаждения. На рис. 5. представлены графики зависимости прогиба огневого днища по перемычке между разноименными клапанами в зависимости от вышеуказанных параметров.

1- серийная крышка цилиндра;

2- крышка цилиндра с каналами охлаждения диаметром 5 мм;

3- крышка цилиндра с каналами охлаждения диаметром 6 мм;

4- крышка цилиндра с каналами охлаждения диаметром 7 мм;

Рис. 5. Изменение интенсивности напряжений огневого днища крышки цилиндра в зависимости от конструктивных и регулировочных параметров

Из графиков, приведенных на рис. 3 - 5 видно, что наиболее эффективным способом снижения температур, напряжений и деформаций огневого днища крышки цилиндра, для исследуемого теплового режима крышки, является применение каналов охлаждения диаметром 7 мм с давлением охлаждающего воздуха 0.3 МПа. Это дает возможность снизить максимальную температуру межклапанной перемычки между выпускными клапанами с 290 до 204 оС, интенсивность напряжений в поверхностном слое разноименной межклапанной перемычки с 691 до 533 МПа и максимальный прогиб огневого днища с 0.154 до

0.091 мм. Такое снижение составляющих ТНС и деформированного состояния крышки цилиндра существенно повысит длительную прочность и надежность одной из самых теплонапряженных деталей тепловозного дизеля. Выбор оптимальных значений давления охлаждающего воздуха и диаметра каналов охлаждения требует

дополнительных исследований на дизеле.

экспериментальных

Выводы

В результате проведенного расчетного

исследования можно отметить:

- использование локального воздушного охлаждения огневого днища крышки являются перспективным направлением для исследований по повышению надежности крышек цилиндра форсированных тепловозных дизелей;

- варьируя геометрией каналов охлаждения и давлением охлаждающего воздуха можно существенно влиять на составляющие ТНС крышки цилиндра;

- выбор давления охлаждающего воздуха нужно обосновывать не только с позиции снижения температур, напряжений и деформаций огневого днища крышки, но и с

учетом энергетических затрат, необходимых для функционирования системы локального воздушного охлаждения;

- для однозначной оценки влияния системы локального охлаждения на ТНС крышки цилиндра необходимо проведения моторных испытаний на дизеле, с учетом реальных условий эксплуатации.

Литература

1. Розенблит Г.Б. Особенности расчета и задания

граничных условий при моделировании температурных полей в клапане и крышке цилиндра дизеля / Двигателестроение. -1982, №9 - С. 21-24. .

2. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. - М.:

Машиностроение, 1977. - 216 с.

3. Чайнов Н.Д., Григорьев О.А. Трехмерная

конечноэлементная модель анализа термических перемещений и напряжений головки цилиндров тракторного дизеля /“Известия вузов”. Машиностроение. - 1988, № 5 - С. 79 - 83.

4. Третяк Е.И. Математическое моделирование

трехмерной нестационарной

теплопроводности крышки цилиндра в декартовых координатах и поэлементный анализ потерь в стенке / Двигатели внутреннего сгорания. - 1990, № 52 - С. 68 -77.

5. Казачков Р.В., Кох Г. А., Гоцало Б. Л.

Исследование теплового состояния днища крышки цилиндра среднеоборотного судового дизеля / Двигатели внутреннего сгорания. - 1979. - № - С. 113 - 118.

6. Симсон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. и др.

Тепловозные двигатели внутреннего сгорания / - М.: Транспорт, 1987. - 536 с.

7. Тринёв А.В., Авраменко А.Н.

Математическая модель теплонапряженного состояния крышки цилиндра / Всеукраинский научно - технический журнал “Двигатели внутреннего сгорания”.

- 2006. - Вып. 2. С. 18 - 28.

8. Деклараційний патент на корисну модель 13660 иА, МПК7 Б01Ь 3/16, Р02Б 1/24. Система локального повітряного охолодження головки циліндрів двигуна з газотурбінним наддувом. / Шеховцов А.Ф., Триньов О.В., Авраменко А.М., Гончар П. Д.

9. Тринёв А.В., Гончар П. Д., Авраменко А.Н.

Результаты экспериментального

исследования теплового состояния седла выпускного клапана в условиях локального охлаждения. / Вестник науки и техники /НТУ “ХПИ”, ООО “ХДНТ”. - Харьков: ООО “ХДНТ”, 2005 г. № 1 (20) с. 27 - 35.

10. Тринёв А.В. Улучшение напряженно-деформированного состояния выпускных клапанов форсированных тракторных дизелей: Дисс. канд. техн. наук. - Харьков, 1995. - 217 с.

Рецензент:

Статья поступила в редакцию 2006 г.