Анализ напряженного состояния деталей газораспределительного механизма высокооборотного дизеля

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ВЫСОКООБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ

1 2 П.Р. Вальехо Мальдонадо , Д.К. Гришин ,

В.А. Лодня3, Е.А. Сигай3

'Кафедра теплотехники и тепловых двигателей 2Кафедра конструкций машин Инженерный факультет Российский университет дружбы народов Подольское шоссе, 8/5, Москва, Россия, 113093

3Кафедра графики Белорусский государственный университет транспорта

ул. Кирова, 34, Гомель, Беларусь, 24 6653

В работе приведен результат анализа напряженного состояния деталей газораспределительного механизма высокооборотного дизеля.

Ключевые слова: напряженное состояние, кинематический анализ, силовой анализ, двигатель внутреннего сгорания.

Газораспределительный механизм (ГРМ) двигателя является одним из самых ответственных механизмов, несущих высокие тепловые и знакопеременные механические нагрузки. Совершенство конструкции ГРМ в значительной степени определяет совершенство конструкции двигателя.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к конструкции ГРМ высокооборотного дизеля, являются уменьшение величин поступательно движущихся масс и обеспечение достаточной жесткости всего механизма. Циклические упругие деформации изгиба, сжатия и кручения в отдельных деталях ГРМ вызывают колебательные процессы, сопровождающиеся нарушением работы всего механизма, смещением фаз газораспределения, отрывом толкателя от кулачка, повышением уровня механического шума и снижением экономичности процесса сгорания. С увеличением частоты вращения вала ДВС силы инерции значительно возрастают, что вынуждает во избежание разрыва кинематических связей механизма увеличивать усилия пружин и жесткость элементов ГРМ, включая распределительный вал. При этом необходимо выполнять требования по обеспечению приемлемого уровня надежности деталей механизма ГРМ в пределах заявленного моторесурса двигателя в целом.

Для ускоренного выхода продукции на рынок чрезвычайным важным является сокращение цикла разработки изделия, обычно включающего в себя весьма дорогостоящие натурные испытания с последующей доработкой конструкции и дополнительными испытаниями.

Выполнение вышеуказанных требований при сжатых сроках проектирования и обеспечении технологичности возможно только на основе использования

CAD-систем автоматического проектирования с построением легко модифицируемой ЭБ-модели механизма.

Моделирование позволяет решить задачу оптимизации жесткостных характеристик деталей газораспределительного механизма исходя из условия обеспечения усталостной прочности наиболее ответственных деталей, таких как коромысла и штанги привода клапанов.

Процесс моделирования состоит из трех этапов. На первом этапе производится автоматизированное построение твердотельной модели сборки деталей исследуемого ГРМ, на втором — моделирование кинематики ГРМ, на третьем — прочностной анализ конструкции. Указанные этапы реализуются путем использования соответствующих программных пакетов: для первого этапа — пакета твердотельного моделирования SolidWorks, для второго — компонента SolidWorks Motion, способного выполнить необходимую симуляцию, для третьего — пакета программ COSMOS\Works, обеспечивающего прочностные расчеты. Совокупность этих пакетов составляет проектный комплекс.

Исходными данными для построения оптимизационной модели служат чертежи реальной конструкции, на основании которых строятся трехмерные модели в формате Sldprt. Затем средствами SolidWorks проверяется целостность построенных моделей и отсутствие пересечения деталей в сборке.

На рисунке 1 показана сборочная модель ГРМ высокооборотного дизельного двигателя МД-8 с непосредственным впрыскиванием. Модель является цифровым образом реальной конструкции и используется для последующего проведения вычислительного эксперимента.

Рис. 1. Трехмерная сборочная модель кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов двигателя МД-8

На рисунке 2 представлена модель, используемая для кинематического и силового анализа рассматриваемого механизма, а на рис. 3 приведены результаты определения сил, действующих на коромысло со стороны толкателя (рис. 3 а) и со стороны клапана (рис. 3 б). Механические связи между деталями заменяются соответствующими силами (рис. 4).

Рис. 2. Модель для кинематического и силового анализа газораспределительного механизма

а) б)

Рис. 3. Силы, действующей на коромысло: а) со стороны толкателя; б) со стороны клапана

Напряженное состояние деталей сборки анализировалось в программном комплексе COSMOSWorks. Данный комплекс требует соблюдения базового алгоритма метода конечных элементов, предоставляя внутри каждого этапа определенную свободу выбора шага вычислений и их последовательности.

Для оценки точности полученных решений проводилась серия расчетов на сетках с разным разрешением геометрических особенностей модели, отличающихся размером и количеством ячеек. При оценке результатов расчета использовалась градиентная окраска распределения напряжений по объему конструкции, что облегчило проведение многофакторного анализа.

1

Рис. 4. Определение граничных усилий для коромысла двигателя МД-8:

1) со стороны штанги толкателя; 2) на поверхности шарнирной опоры; 3) со стороны клапана

На рисунке 5 представлена объемная картина распределения эквивалентных напряжений в коромысле.

von Mises

277610528.0 В- 254486032.0

231361536.0

208237040.0

185112560.0

161988064.0

138863568.0

115739072.0

92614584.0

69490088.0

46365592.0

23241100.0

116607.0

—Предел текучести: 206807008.0

Рис. 5. Распределение эквивалентных напряжений в коромысле

Проведенный анализ показал, что статические напряжения, возникающие в коромысле, недостаточны для потери прочности последнего (материал Сталь 40ХЛ). Однако, учитывая цикличность работы исследуемого объекта, можно предположить, что в коромысле возникают опасные циклические напряжения, способствующие снижению долговечности детали. Особую опасность представляют концентраторы напряжений. Были выделены критические участки (рис. 6), и проведена оптимизация исходной геометрии конструкции коромысла.

б

Рис. 6. Анализ циклической долговечности коромысла: а, б — зоны концентрации напряжений в головке коромысла

Таким образом, существующая в Solid Works/COSMOSWorks концепция организации и построения сборок наиболее приемлема в практике двигателестро-ения с учетом большого объема изменяющихся анализируемых параметров. Рассмотренная технология моделирования позволяет оперативно выполнять большое количество вычислительных экспериментов, изменяя как граничные условия, так и геометрические формы деталей ГРМ. При этом в сжатые сроки достигается оптимальное проектное решение и значительно снижаются затраты, связанные обычно с необходимостью проведения натурного эксперимента. В частности, на основе полученных результатов моделирования удалось скорректировать конструкцию коромысла привода клапанов газораспределения, дать рекомендации

по проектированию технологической оснастки и литейных форм с указанием специфических параметров (литейных радиусов, уклонов, припусков на обработку и т.д.) в зависимости от метода литья.

Разработанная методика с применением CAD/CAE пакетов является универсальной и может быть без существенных изменений использована для проектирования двигателей различного типа.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский [и др.] / Под общ. ред. А.А. Алямовского. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005.

[2] Алямовский А.А. Solid Works/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов / А.А. Алямовский. — М.: ДМК Пресс, 2004.

[3] Комбинированные двигателей внутреннего сгорания: Учебник для студентов вузов / Н.Д. Чайнов, Н.А. Иващенко, А.Н. Краснокутский, Л.Л. Мягков / Под ред. Н.Д. Чайно-ва. — М.: Машиностроение, 2008.

ANALYSIS OF STRESSES IN THE DETAILS HIGH-SPEED TIMING ENGINE

P.R. Vallejo Maldonado1, D.K. Grishin2,

V.A. Lodnya3, E.A. Sigay3

'Department of heat engineering and Heat Engines Department of Machine Design Faculty of Engineering Peoples’ Friendship University of Russia

Podolskoe shosse, 8/5, Moscow, Russia, 113093

3Department of Graphics The Belarus State University of Transport Kirov str., 34, Gomel, Belarus, 246653

The results of analysis of stress state of parts of gas-distribution mechanism of high-speed diesel. Key words: stress components, kinematic analysis, power analysis, the internal combustion engine.