авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Методика расчёта термонапряжённого состояния корпусных деталей и поршней двигателя внутреннего сгорания

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Пищаев Олег Александрович

МЕТОДИКА РАСЧЁТА ТЕРМОНАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ И ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

01.02.06. – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

05.04.02. – Тепловые двигатели

Автореферат

диссертация на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород 2006

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете

Научный руководитель – заслуженный деятель науки Российской

Федерации, доктор технических наук,

профессор В.М. Волков

Официальные оппоненты: - д.ф. - м.н., проф. И.А. Волков

- д.т.н., проф. Л.А. Захаров

Ведущая организация – ОАО “ Русские моторы” (г. Н.Новгород)

Защита состоится “___” __________ 2006 г. В ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ауд._____.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, учёному секретарю диссертационного совета Д 212.165.08.

Автореферат разослан “___” ________ 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.165.08

д.т.н., профессор А.Н. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современные тенденции в двигателестроении характеризуются дальнейшим увеличением мощности двигателей внутреннего сгорания. Это, в свою очередь, сопровождается увеличением газовых и тепловых нагрузок, как на детали цилиндропоршневой группы, так и на двигатель в целом. При этом обеспечение требуемой надёжности (безотказности и долговечности) двигателей во многом зависит от того, насколько эффективны мероприятия по снижению теплонапряжённости деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ).

Одной из наиболее нагруженных деталей ЦПГ является поршень, на который действуют высокие механические и тепловые нагрузки. В свою очередь, от теплового состояния всех деталей ЦПГ в большой мере зависит эффективность рабочего процесса двигателя, процесс образования отложений и, что в последнее время выходит на первое место по значимости, токсичность отработанных газов. При этом сроки проектирования и доводки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), вместе с неуклонным снижением массы деталей, сокращаются, что приводит к усложнению расчётных математических моделей и всё большему применению ЭВМ.

Наибольшее признание для решения данного круга задач, по праву, получило математическое моделирование и численные методы, и как наиболее эффективный из них – метод конечных элементов (МКЭ).

В связи с этим открываются перспективы разработки инженерных методик для расчёта напряжённо-деформированного состояния деталей ДВС и определения геометрии поршней с учётом контактного взаимодействия между деталями ЦПГ при их совместном деформировании. Обоснованное изменение или построение нового профиля поршня может существенно улучшить как экологические показатели, так и надёжность ДВС.





Насущность решения данной проблемы на современном этапе, помимо экологических факторов, обусловлена большой стоимостью ремонта цилиндропоршневой группы, вызванного отказами поршней.

Актуальность вышеперечисленных задач обуславливает важность поиска методов их решения и позволяет избрать их в качестве темы для диссертации.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта термонапряжённого состояния корпусных деталей и поршней ДВС (на примере рядного четырёхцилиндрового двигателя ЗМЗ-405.10) с учётом контактного взаимодействия между ними.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- построение алгоритма определения граничных условий для деталей

ДВС;

- определение температурных полей в головке блока цилиндров, блоке

цилиндров, поршне ДВС;

- разработка методики расчёта напряжённо – деформированного

состояния (НДС) корпусных деталей и поршней ДВС с учётом контактного взаимодействия с сопрягаемыми деталями;

- разработка методики построения профиля поршней с учётом совместного деформирования деталей ЦПГ.

Научную новизну представляют и на защиту выносятся

- алгоритм определения граничных условий для расчёта температур в

головке блока цилиндров, блоке цилиндров, поршне ДВС;

- расчёты полей температур головки блока цилиндров, блока цилиндров, поршней исследуемого двигателя на режиме номинальной мощности с использованием трёхмерных конечных элементов (КЭ);

- исследование в 3D постановке напряжённо-деформированного состояния головки блока цилиндров, блока, поршня с учётом контактного взаимодействия с деталями цилиндропоршневой группы и температурами, действующими в этих деталях;

- алгоритм построения профилей поршней для двигателей внутреннего сгорания с учётом совместного деформирования деталей цилиндропоршневой группы.

Практическая значимость

Определяется:

- разработанной методикой определения температурного и напряжённого состояния деталей ЦПГ, которая может использоваться в производственной практике предприятий автомобильной промышленности;

- предложенным алгоритмом построения профилей поршней.

Достоверность результатов

Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректным применением математических методов и подтверждается приводимым в работе сравнением численных результатов с экспериментальными данными, полученными другими авторами.

По предложенной методике был спрофилирован поршень для двигателя ЗМЗ-409.10. До изменения его профиля наблюдались задиры цилиндров, после профилирования количество рекламаций по задирам цилиндров в двигателях ЗМЗ-409.10 значительно снизилось.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались и (или) публиковались на:

- 5-й Международной конференции “Научно – технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций и методы их решения” (Санкт – Петербург, 2003 г.);

- 3-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции “ Будущее технической науки” (г.Н.Новгород, 2004 г.);

- 3-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции “ Современные тенденции развития автомобилестроения в России” (г. Тольятти, 2004 г.);

- 10-й Нижегородской сессии молодых учёных (г. Дзержинск, 2005 г.);

- 4-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции “ Будущее технической науки” (г.Н.Новгород, 2005 г.);

- Всероссийской научно – технической конференции “Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве” (г.Н. Новгород, 2006 г.);

- диссертация докладывалась на научном семинаре кафедры “Динамика, прочность машин и сопротивление материалов” НГТУ октябрь 2006 г.

Внедрение результатов исследования

Разработанные в диссертации инженерные методики, а так же результаты численных исследований используются на ОАО “ЗМЗ” для определения профилей поршней и напряжённо-деформированного состояния деталей двигателя.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 публикациях [1 – 9].

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения (основные результаты и выводы по работе), списка литературы. Основной печатный текст вместе с 43 иллюстрациями и 21 таблицей занимает 106 страниц, список литературы состоит из 102 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы направления исследований, обоснована их актуальность и правомерность избрания в качестве темы диссертации.

В первой главе даётся обзор литературы по теме диссертации. В обзоре затронуты вопросы условий работы деталей цилиндропоршневой группы и влияние различных факторов на работу двигателя в целом. В этой области ведутся исследования высшими учебными заведениями, научно-исследовательскими институтами, моторостроительными предприятиями (МГТУ им. Н.Э. Баумана, СПбГТУ, МГТУ (МАМИ), МГТУ (МАДИ), НАМИ, НИИАТ, НИИУАвтопром, ОАО «ГАЗ», ОАО «ЗИЛ», ОАО «ЗМЗ», ОАО «УАЗ» и др.).

В обзоре литературные данные о современных методах оценки температурного и напряжённо-деформированного состояния деталей ЦПГ. Целью обзора является анализ изученности темы, а также анализ методов и подходов к определению НДС деталей ЦПГ и построению профилей поршней.

Материалы обзора охватывают подходы к определению температурного и напряжённо-деформированного состояния деталей ДВС и других конструкций. В этой связи широко известны труды учёных Н.Х.Дьяченко, А.К. Костина, С.Н. Дашкова, М.М. Бурина, В.М. Волкова, А.И. Садырина, В. Г. Баженова, Р.З. Кавтарадзе, Э.М. Карташова, А.С. Орлина, Е.П. Павлова, Б.С. Стефановского, П. Э. Сыркина, И. Я. Райкова, Г.Б. Розенблита, Н.Д. Чайнова и других – в нашей стране; W.C. Reynolds, H.C. Perkins, E.L. Wilson, R.E. Nickell, N. D. Whitehouse и других – за рубежом.

Рассмотрено взаимное влияние отложений, образующихся на поверхности деталей ЦПГ в процессе работы двигателя, и температурного состояния деталей.

По материалам литературного обзора определены критические температуры на поверхности поршней двигателей внутреннего сгорания.

В силу сложности геометрических форм исследуемых деталей ДВС (блока, головки блока, поршня, шатуна) обосновано применение численных методов в качестве основного метода анализа НДС и теплового состояния исследуемых деталей.

Аналитические методы решения задач теплопроводности имеют бесспорное преимущество перед численными, так как позволяют получить решение в конечном виде и исследовать его особенности в широком диапазоне изменения характеристик для заданных параметров. К сожалению, аналитически можно решить лишь небольшое число относительно простых модельных задач, поэтому в инженерной практике чаще всего используют численное моделирование. Сравнительный анализ этих методов изложен в работах С.К. Годунова, Г.И. Марчука, А.А. Самарского.

Анализ работ, посвящённых разработке методов и подходов к расчёту НДС деталей двигателя и профилированию поршней ДВС, показал:

1. Поршень ДВС относится к наиболее ответственным деталям двигателя, отказ которого приводит к выходу из строя двигателя и к последующему дорогостоящему ремонту;

2. Конструкция поршня существенным образом влияет на экономические и экологические показатели двигателя. В частности, уменьшение зазора между поршнем и цилиндром по данным Л.А. Захарова, В.Л. Химича, Е.П. Павлова, П.А. Лощакова приводит к снижению температуры поршня за счёт уменьшения проникновения газа в зазор между поршнем и гильзой, и более плотному прилеганию боковой поверхности поршня, включая головку поршня, к зеркалу цилиндра. Так же снижается до 2 раз нагаро – и лакообразование на поршне, а расход масла на угар можно снизить, по данным Е.П.Павлова, в пределах от 1.7 – 2.1 раза;

3. Задачи корректного определения теплового состояния и НДС деталей двигателя, а в конечном итоге и последующую их геометрию, необходимо решать в трёхмерной постановке. Это объясняется тем, что осесимметричная постановка задачи не даёт объективной картины, как НДС детали, так и её теплового состояния;

4. Имеющиеся до последнего времени отечественные и зарубежные методики профилирования поршней базировались преимущественно на эмпирическом подходе к определению формы профиля. В сегодняшних условиях, при неуклонном снижении массы деталей ДВС, необходима оперативная методика оценки работоспособности конструкции при минимальных затратах на проектирование и экспериментальные исследования.

Во второй главе разработаны алгоритмы определения полей температур в деталях двигателей внутреннего сгорания, таких как блок цилиндров, головка блока цилиндров, поршень. Для этого на режиме номинальной мощности были определены граничные условия для всех упомянутых деталей. На внешней поверхности блока цилиндров и головки блока задавались условия конвективного теплообмена с окружающей средой. По данным В.А. Кузовлева, для свободного движения жидкости (газа) имеют место следующие обобщённые зависимости:

при значении :

, (1)

где - число подобия Грасгофа;

- число подобия Прандтля;

- число подобия Нуссельта.

Здесь в уравнении конвективного теплообмена вводится температура стенки и средняя температура жидкости. Чтобы указать, какая из этих температур принята в данном конкретном случае в качестве определяющей, в расчётное уравнение вводится соответствующий индекс (“ст” или “ж”). В индексе указывается также, что принимается в данном конкретном уравнении в качестве определяющего размера: длина l или h – высота.

Число подобия Грасгофа:

. (2)

Здесь - температурный коэффициент объёмного расширения, К-1;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

- температурный напор – разность между определяющими

температурами жидкости и стенки, С;

- кинематическая вязкость жидкости, м2/с.

Число подобия Прандтля:

. (3)

Здесь – температуропроводность жидкости, м2/с.

Число подобия Нуссельта:

. (4)

Здесь – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);

– коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(мК);

h – высота стенки, м.

При определении граничных условий на внутренней поверхности поршня ДВС учитывалось его принудительное опрыскивание маслом через отверстие в шатуне. Для более точного определения полей температур в исследуемых деталях задача решалась в 3D постановке в среде программного продукта I-DEAS. Обосновано рассмотрение задачи в стационарной постановке, т.к. на установившемся режиме колебания температур, связанные c цикличностью процесса сгорания топлива, имеют место лишь в поверхностных слоях тепловоспринимающих поверхностей. Колебаниями температур в поверхностных слоях деталей можно пренебречь, так как температуры поршней ДВС, на установившемся режиме практически не зависят от времени.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что расчёт температурных полей в поршнях исследуемого двигателя на установившемся режиме можно выполнять в стационарной постановке.

Задача нахождения температур деталей решалась методом конечных элементов, так как МКЭ имеет преимущество перед прочими методами. Он позволяет анализировать задачу для тел сложных форм с произвольными очертаниями и граничными условиями. Кроме того, после определения температурного поля можно вести расчёт перемещений и напряжений для тех же элементов, для которых рассматривалась задача теплопроводности в той же конечно элементной дискретизации. Для лучшего описания геометрии поршней ДВС, безусловно, необходимо использовать трёхмерные конечные элементы. Вместе с тем, численное моделирование методом конечных элементов в осесимметричной постановке оправдано применять только для геометрически осесимметричной части головки поршня. Конструкции юбок поршней явно не осесимметричны и, для получения достаточно реальных результатов, должны моделироваться только трёхмерными конечными элементами.

Рисунок 1. Блок - схема определения температур в исследуемых деталях

Теплоотвод от внутренней поверхности поршня осуществляется как в масляный туман, заполняющий картер, так и в масло. Масло поступает на внутреннюю поверхность поршня не постоянно, а парциально, через отверстие в шатуне, в которое оно, в свою очередь, попадает через коленчатый вал. Коленчатый вал имеет каналы в шатунной шейке, через которое масло из вала и поступает в шатун (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Внутренняя геометрия колена вала и шатуна

В результате вращения вала, в процессе работы двигателя, масляные каналы в коленчатом вале и шатуне перекрываются два раза за оборот.

Расчёт коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности поршня во время опрыскивания его маслом проводился по формуле Э.Эккерта:

, (5)

где – плотность масла, кг/м3;

U – скорость масла, м/с;

к – угол раствора клина см.

рисунок 3

(для плоской поверхности =1);

x – расстояние вдоль поверхности от оси струи;

. Семейство клиновидных тел с-18.

Рисунок 3. Семейство клиновидных тел с различными углами при вершине

Опрыскивание внутренней поверхности поршня осуществляется не всегда. Во время прекращения поступления масла через канал в шатуне теплоотвод от внутренней поверхности поршня осуществляется в масляный туман. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности поршня решалась задача нахождения средней скорости струи масла в зависимости от площади перекрытия масляного канала при вращении коленчатого вала. В результате решения были получены скорости масла в зависимости от величины перекрытия канала и найдены коэффициенты теплоотдачи с внутренней поверхности поршня. На рисунке 4 показано изменение среднего за оборот коленчатого вала коэффициента теплоотдачи в зависимости от расстояния от оси струи.

 Коэффициент теплоотдачи с-20

Рисунок 4. Коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности поршня

В результате реализации алгоритма нахождения температур деталей, представленного на рисунке 1, были определены температуры в блоке цилиндров, головке блока цилиндров, поршне (

рисунок 5 и таблица 1).

Таблица 1. Сравнение замеренных и расчётных значений температур

В третьей главе разработана методика и алгоритм для построения профиля поршня (см. рисунок 6).

Рисунок 6. Алгоритм построения профиля поршня (- контактные давления на боковой поверхности поршня на i-1, i, i+1 итерациях)

 Исходный и деформированный-23

 Исходный и деформированный-24

 Исходный и деформированный вид-25

Рисунок 7. Исходный и деформированный вид поршня двигателя

 Деформированный вид гильз-26

Рисунок 8. Деформированный вид гильз цилиндров

 Распределение контактных-27



Pages:   || 2 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.