Энергетическое машиностроение
УДК 621.664 – 621.43
, ,
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ
ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Рассмотрены причины выхода из строя теплонапряженных деталей двигателей внутреннего сгорания, существующие методы диагностирования этих деталей. Предложен новый подход к оценке надежности теплонапряженных деталей.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; температурные напряжения; диагностирование; теплонапряженные детали; повышение надежности.
Работа поршневых двигателей с высоким уровнем форсирования характеризуется высокой тепловой напряженностью основных деталей двигателя. В условиях, типичных для работы этих деталей двигателей внутреннего сгорания (ДВС), разрушениям, наступающим после длительной работы, предшествуют пластические деформации материала. Эти деформации и процесс их развития, включая накопление остаточных напряжений, оказывают наибольшее влияние на прочность деталей. Расчеты в упругопластической области и особенно при повышенных температурах с учетом фактора времени весьма трудоемки, а для сложных по форме деталей, таких как крышки цилиндров, методики расчета еще не разработаны.
Вопросы тепловой напряженности особенно актуальны для транспортных двигателей, работа которых характеризуется переменностью режимов по мощности и оборотам, включая многократные переходы с режима полной мощности до холостого хода и обратно. С изменением режима меняются температуры деталей и тепловые потоки через поверхности, образующие камеру сгорания, что в итоге определяет высокие температурные перепады в стенках таких деталей, как поршень, крышка цилиндра, цилиндровая втулка. Пропорционально перепадам температур в деталях меняются уровни термических напряжений: от максимальных на полной мощности до близких к нулю на холостом ходу двигателя. Тем самым осуществляется многократное нагружение отдельных элементов нагреваемых деталей термическими усилиями вследствие стеснения их тепловых расширений [1-5].
Исследование деталей цилиндропоршневой группы (поршневых головок, днищ крышек цилиндров) показывает, что определяющее влияние на начальное состояние детали оказывают тепловые циклы. При этом искажается форма детали и возникают остаточные напряжения. Появление таких изменений означает разовый или многократный выход максимальных напряжений температурного цикла за пределы упругих деформаций при данной температуре и длительности действия. Для выполненной из стали 20Х13Л головки поршня, снятой с двигателя после 3750 ч работы в эксплуатационных условиях, замерены остаточные напряжения в тангенциальном и радиальном направлениях по наружной и внутренней поверхностям (рис.1) [1].
Аналогичная картина, но с меньшим уровнем максимальных напряжений (до 320 МПа) обнаружена на головках, изготовленных из легированного высокопрочного чугуна. В новых, не работавших деталях остаточные технологические напряжения имели произвольный несимметричный характер. При этом уровень напряжений не превышал ± 50 МПа [1].
|
Благодаря эффекту приспособляемости к горячему состоянию разрушений от термических напряжений обычно не происходит. Однако, поскольку приспособляемость детали носит односторонний характер, после нагрева обнаруживается ее противоположное действие по отношению к холодному состоянию. Оно выражается в том, что в холодной детали фиксируется обратная картина деформаций и остаточные напряжения, противоположные по знаку исходным термоупругим. Таким образом, в наиболее нагретых и сжатых элементах детали при переходе в холодное состояние возникают высокие растягивающие остаточные напряжения. Этой схемой объясняется характер замеряемых остаточных напряжений в головках поршней и днищах крышек цилиндров. В результате этих процессов постепенно по мере повторения тепловых циклов наиболее опасным состоянием по вероятности разрушения 
становится не горячее, а холодное состояние детали, т. е.
|
близких к нему частичных
|
|
Действие эффекта приспособляемости приводит к появлению и росту термоусталостных трещин. На заводах Саратовской области при ревизии головок цилиндров дизелей 8ЧН 13/14 отмечено наличие термоусталостных трещин в перемычках между отверстиями под распылитель форсунки и гнездами клапанов в 75 % головок [2]. Однако такой визуальный способ определения трещины или разрушения возможен только при разборке машины и имеет низкую надежность. Последнее объясняется тем, что в находящихся в холодном состоянии при разборке деталях трещины малоразличимы и раскрываются только при воздействии механических и термических напряжений.
Другой способ определения аварийного состояния теплонапряженных деталей машин заключается в регистрации значений температур в заданных точках детали термопарами, определении значений температур, превышающих допустимые, суммировании числа таких теплосмен и сравнении с предельным для данной детали значением числа теплосмен. Для реализации этого способа необходима непрерывная регистрация температуры в детали при работе машины, ручной подсчет числа теплосмен. Это требует больших затрат на установку и поддержание в рабочем состоянии термопар, регистрацию температур, анализ полученной информации, что снижает надежность способа [10,11].
Третий способ прогнозирования аварийного состояния деталей заключается в достоверной оценке величин действующих в них напряжений и продолжительности их действия [12], что практически можно реализовать только в экспериментальных условиях.
Кроме того, ресурс теплонапряженных деталей можно оценить с помощью способа накопления повреждений [13, 14].
При создании современных двигателей внутреннего сгорания широко используются физико-технологические эффекты, в том числе эффект памяти формы [15-17]. При участии авторов был разработан ряд конструкций теплонапряженных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней, втулок и головок цилиндров), в которых был реализован эффект памяти формы для регулирования охлаждения и повышения надежности термически нагруженных деталей [18-26].
|
|
|
|
|
|
|
Устройство работает следующим образом. Включается блок питания 2, и через усилитель 3, электрический мост 1 и разъем 4 показывающим прибором 7 определяют величину электрического сопротивления активного датчика 5, установленного на поверхности головки 6 цилиндра двигателя. Затем выключают блок питания, отсоединяют разъем 4, и двигатель внутреннего сгорания с активным датчиком 5 на головке 6 эксплуатируется. Работа двигателя на различных эксплуатационных режимах, в том числе на переменных режимах и режимах максимальной мощности, приводит к неравномерному нагреву деталей. При каждом повышении температуры активного датчика 5 выше температуры мартенситного превращения происходит постепенное увеличение его электрического сопротивления.
Периодически, например через 500 ч ресурса работы, на остановленном холодном двигателе подсоединяют активный датчик 5 через разъем 4 к электрическому мосту 1. Включается блок питания 2, и через усилитель 3 показывающим прибором 7 определяют величину электрического сопротивления активного датчика 5. При достижении величины электрического сопротивления запретной зоны, соответствующей критическому для материала головки 6 числу теплосмен, дальнейшая эксплуатация двигателя без замены головки 6 запрещается в связи с большой вероятностью появления термоусталостных трещин.
Эффективность предложенного способа определения аварийного состояния теплонапряженных деталей машин по сравнению с существующими способами не только позволяет сократить трудоемкость этой операции, но и повышает надежность работы деталей машин.
В зависимости от применяемых в конструкции машины материалов деталей и диапазона рабочих температур на поверхностях этих деталей в качестве активного датчика могут использоваться различные материалы и сплавы. Например, для железоникелевого сплава с содержанием никеля 14,5 % (остальное – железо) температура начала мартенситного превращения составляет 3500 С, что соответствует уровню температур теплонапряженных деталей, образующих камеру сгорания.
Таким образом, на кафедре «Тепловые двигатели» БГТУ разработан и запатентован ряд конструктивных решений по повышению надежности теплонапряженных деталей двигателей внутреннего сгорания на основе нового подхода к проектированию – использования фонда физико-технологических эффектов, в том числе эффекта запоминания формы.
Список литературы
1. Салтыков, и конструктивное обеспечение прочности деталей ЦПГ дизеля при переменности рабочих режимов / , , // Энергомашиностроение.–1970.–№ 12.–С. 18-20.
2. Межецкий, глубины термоусталостных трещин в головках цилиндров дизелей при эксплуатации / [и др.] // Двигателестроение.–1991.–№ 2.–С., 41.
3. Шишкин, неисправности и предотвращения повреждений судовых дизелей / –. М.: Транспорт, 1986.–264 с.
4. Гохфельд, способность конструкций в условиях теплосмен / . – М.: Машиностроение, 1970.–259 с.
5. Дьяченко, двигателей внутреннего сгорания / . – Л.: Машиностроение, 1974.–552 с.
6. Балакин, дизели: докл. на XI Междунар. конгрессе по двигателям (СИМАК) / [и др.]. – М.: Машиностроение, 1978.–360 с.
7. Орлов, конструирования: справ.-метод. пособие. В 2 кн. Кн. 1 / .–3-е изд. – М.: Машиностроение, 1988.–560 с.
8. Никитин, основных узлов турбопоршневых двигателей / [и др.]. – М.: Машиностроение, 1974.–208 с.
9. Кондратьев, и дефекты судовых дизелей / . – М.: Транспорт, 1985.–152 с.
10. Школьник, усталостных испытаний: справочник / . – М.: Металлургия, 1978.–304 с.
11. Самсонов, по ускоренным ресурсным испытаниям судового оборудования / , . – Л.: Судостроение, 1981.–200 с.
12. Салтыков, сопротивления разрушению чугуна с шаровидной формой графита при температурных циклических нагрузках для прогноза ресурса деталей цилиндропоршневой группы двигателей транспортного назначения / // Двигателестроение.–1983.–№ 6.–С. 35-38.
13. Когаев, на прочность при напряжениях, переменных во времени / . – М.: Машиностроение, 1977.–230 с.
14. Чумак, основных методов прогнозирования остаточного ресурса сопряжений ДВС / , , // Двигателестроение.–1991.–№ 6.–С. 18-20, 59, 62.
15. Тихонов, эффекта памяти формы в современном машиностроении / [и др.] – М.: Машиностроение, 1981.–80 с.
16. Фокин, в автомобилестроении эффекта памяти формы / , // Надежность и эффективность работы двигателей и автомобилей: сб. науч. тр. – Брянск: БГТУ, 1999.–С. 26-32.
17. Рогалев, материалов с эффектом памяти формы в двигателестроении / , // Вестн. БГТУ.–2005.–№ 3.–С.11-21.
18. А. с. 1 229 405 СССР. Составной охлаждаемый поршень для двигателя внутреннего сгорания / , , . – Опубл. 17.05.86, Бюл. № 17.
19. А. с. 1 326 750 СССР. Поршень для двигателя внутреннего сгорания / , , . – Опубл. 30.07.87, Бюл. № 28.
20. А. с. 1 332 054 СССР. Головка цилиндров для двигателя внутреннего сгорания / , , . – Опубл. 23.08.87, Бюл. № 31.
21. А. с. 1 332 055 СССР. Головка цилиндров для двигателя внутреннего сгорания / , , Вл. И. Воробьев, Вик. И. Воробьев. – Опубл. 23.08.87, Бюл. № 31.
22. А. с. 1 364 759 СССР. Поршень для двигателя внутреннего сгорания / , , . – Опубл. 07.01.88, Бюл. № 1.
23. А. с. 1 420 211 СССР. Головка цилиндров для двигателя внутреннего сгорания / , , . – Опубл. 30.08.88, Бюл. № 32.
24. А. с. 1 437 541 СССР. Втулка цилиндра для двигателя внутреннего сгорания / , , . – Опубл. 15.11.88, Бюл. № 42.
25. А. с. 1 523 698 СССР. Гильза цилиндра для двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением / , , . – Опубл. 23.11.89, Бюл. № 43.
26. Пат. 2 001 297 РФ. Охлаждаемый поршень двигателя внутреннего сгорания / , , . – Опубл. 15.10.93, Бюл. № 37-38.
27. Пат. 2 296 985 РФ. Способ определения аварийного состояния теплонапряженных деталей машин / , Фокин В. Г. – Опубл. 10.04.07, Бюл. №10.
Материал поступил в редколлегию 03.04.08.
