Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля

Приведены результаты расчетного исследования нестационарных полей температур и напряжений поршня тракторного дизеля. Оценена эффективность использования выборок в кромке камеры сгорания (КС) как способа снижения напряжений поршня с КС типа ЦНИДИ. Показано, что за счет расположения выборок в кромке К...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Строков, А.П., Левтеров, А.М., Авраменко, А.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2010
Schriftenreihe:	Проблемы машиностроения
Schlagworte:	Теплопередача в машиностроительных конструкциях
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141814
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля / А.П. Строков, А.М. Левтеров, А.Н. Авраменко // Проблемы машиностроения. — 2010. — Т. 13, № 3. — С. 38-46. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-141814
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1418142025-02-09T21:55:13Z Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля Development three-dimensional final element models non-stationary thermalelastic stress the piston of the tractor diesel engine Строков, А.П. Левтеров, А.М. Авраменко, А.Н. Теплопередача в машиностроительных конструкциях Приведены результаты расчетного исследования нестационарных полей температур и напряжений поршня тракторного дизеля. Оценена эффективность использования выборок в кромке камеры сгорания (КС) как способа снижения напряжений поршня с КС типа ЦНИДИ. Показано, что за счет расположения выборок в кромке КС вдоль линии действия максимальных напряжений и симметрично относительно топливных факелов можно снизить напряжения кромки КС в 10 раз. Наведено результати розрахункового дослідження нестаціонарних полів температур та напружень поршня тракторного дизеля. Оцінено ефективність використання виборок в кромці камери згоряння (КЗ) як способу зниження напружень поршня з КЗ типу ЦНІДІ. Показано, що за рахунок розташування виборок в кромці КЗ вздовж лінії дії максимальних напружень та симетрично відносно паливних факелів можна знизити напруження кромки КЗ в 10 разів. Results of settlement research of non-stationary fields of temperatures and stress the piston of a tractor diesel engine are resulted. Efficiency use samples in an edge of the chamber of combustion (CC), as way of decrease in stress of the piston with the chamber of combustion such as CNIDI is appreciated. It is shown, that due to an arrangement samples in edge CC along a line of action of the maximal stress and symmetrically concerning fuel torches it is possible to lower stress of edge CC in 10 times. 2010 Article Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля / А.П. Строков, А.М. Левтеров, А.Н. Авраменко // Проблемы машиностроения. — 2010. — Т. 13, № 3. — С. 38-46. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141814 621.43 ru Проблемы машиностроения application/pdf Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Теплопередача в машиностроительных конструкциях Теплопередача в машиностроительных конструкциях
spellingShingle	Теплопередача в машиностроительных конструкциях Теплопередача в машиностроительных конструкциях Строков, А.П. Левтеров, А.М. Авраменко, А.Н. Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля Проблемы машиностроения
description	Приведены результаты расчетного исследования нестационарных полей температур и напряжений поршня тракторного дизеля. Оценена эффективность использования выборок в кромке камеры сгорания (КС) как способа снижения напряжений поршня с КС типа ЦНИДИ. Показано, что за счет расположения выборок в кромке КС вдоль линии действия максимальных напряжений и симметрично относительно топливных факелов можно снизить напряжения кромки КС в 10 раз.
format	Article
author	Строков, А.П. Левтеров, А.М. Авраменко, А.Н.
author_facet	Строков, А.П. Левтеров, А.М. Авраменко, А.Н.
author_sort	Строков, А.П.
title	Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля
title_short	Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля
title_full	Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля
title_fullStr	Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля
title_full_unstemmed	Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля
title_sort	разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Теплопередача в машиностроительных конструкциях
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/141814
citation_txt	Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля / А.П. Строков, А.М. Левтеров, А.Н. Авраменко // Проблемы машиностроения. — 2010. — Т. 13, № 3. — С. 38-46. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Проблемы машиностроения
work_keys_str_mv	AT strokovap razrabotkatrehmernoikonečnoélementnoimodelinestacionarnyhtermouprugihnaprâženiiporšnâtraktornogodizelâ AT levterovam razrabotkatrehmernoikonečnoélementnoimodelinestacionarnyhtermouprugihnaprâženiiporšnâtraktornogodizelâ AT avramenkoan razrabotkatrehmernoikonečnoélementnoimodelinestacionarnyhtermouprugihnaprâženiiporšnâtraktornogodizelâ AT strokovap developmentthreedimensionalfinalelementmodelsnonstationarythermalelasticstressthepistonofthetractordieselengine AT levterovam developmentthreedimensionalfinalelementmodelsnonstationarythermalelasticstressthepistonofthetractordieselengine AT avramenkoan developmentthreedimensionalfinalelementmodelsnonstationarythermalelasticstressthepistonofthetractordieselengine
first_indexed	2025-12-01T04:41:05Z
last_indexed	2025-12-01T04:41:05Z
_version_	1850279530870079488
fulltext	ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 38 УДК 621.43 А. П. Строков, д-р техн. наук А. М. Левтеров, канд. техн. наук А. Н. Авраменко, канд. техн. наук Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (г. Харьков, E-mail: dppp@ipmach.kharkov.ua) РАЗРАБОТКА ТРЕХМЕРНОЙ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕРМОУПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПОРШНЯ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ Приведены результаты расчетного исследования нестационарных полей температур и напряжений поршня тракторного дизеля. Оценена эффективность использования вы- борок в кромке камеры сгорания (КС) как способа снижения напряжений поршня с КС типа ЦНИДИ. Показано, что за счет расположения выборок в кромке КС вдоль линии действия максимальных напряжений и симметрично относительно топливных факелов можно снизить напряжения кромки КС в 10 раз. Наведено результати розрахункового дослідження нестаціонарних полів температур та напружень поршня тракторного дизеля. Оцінено ефективність використання вибо- рок в кромці камери згоряння (КЗ) як способу зниження напружень поршня з КЗ типу ЦНІДІ. Показано, що за рахунок розташування виборок в кромці КЗ вздовж лінії дії мак- симальних напружень та симетрично відносно паливних факелів можна знизити на- пруження кромки КЗ в 10 разів. Введение Камера сгорания типа ЦНИДИ, размещенная в поршне, обеспечивает вихревое дви- жение воздушного заряда, что позволяет отказаться от винтовых впускных каналов в голов- ке цилиндров и тем самым существенно упростить её конструкцию и снизить стоимость. Характерным недостатком конструкции поршня с КС типа ЦНИДИ является боль- шая величина отношения площади тепловоспринимающей поверхности к объему кромки, что вызывает на эксплуатационных режимах работы дизеля значительные градиенты темпе- ратур и напряжений и, как следствие, термоусталостные трещины кромки поршня. В резуль- тате снижается ресурс как самого поршня, так и двигателя в целом. Одним из немногих эффективных способов улучшения условий работы поршня фор- сированного быстроходного дизеля является струйное масляное охлаждение его донышка, которое позволяет существенно влиять на величину температур и термоупругих напряже- ний, а также на структуру температурного поля и характер распределения напряжений поршня. Как известно из теории упругости, для снижения термоупругих напряжений деталей из изотропных материалов, таких, как алюминиевый сплав АЛ25, можно эффективно ис- пользовать термокомпенсационные полости и выборки в теле детали, которые позволяют увеличить податливость проблемного участка при воздействии тепловой нагрузки и тем са- мым влиять на величину и характер распределения термоупругих напряжений. Анализ публикаций Исследованию теплового и напряженно-деформированного состояния поршней бы- строходных дизелей посвящено множество работ [1–7]. В данных работах исследования сводились только к анализу структуры и величины составляющих теплового и напряженно- деформированного состояний поршня без разработки конкретных конструктивных и техно- логических мер по улучшению условий его работы. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 39 Впервые предложенная конструкция поршня с КС типа ЦНИДИ, имеющая выборки в кромке КС, была рассмотрена в работе [4]. На такую конструкцию поршня авторами полу- чено авторское свидетельство [6]. Расчетное исследование влияния выборок в кромке КС на тепловое и напряженно- деформированное состояние поршня выполнено с использованием метода конечных элемен- тов (МКЭ) в осесимметричной постановке, что наложило определенные ограничения на ме- тодику расчетного моделирования и соответственно сказалось на результатах исследования. Использование современных программных комплексов, основанных на МКЭ, позво- ляет выполнять расчеты теплового и напряженно-деформированного состояния поршня в трехмерной постановке, что дает возможность более корректного задания граничных усло- вий (ГУ) задач теплопроводности и механики, например, учета окружной неравномерности температурного поля и максимума особенностей сложной конфигурации поршня. Проблема улучшения условий работы поршня, наиболее ответственной детали дви- гателя, является актуальной и требует дальнейших исследований, направленных на сниже- ние градиентов температур и напряжений и увеличения ресурса как самого поршня, так и двигателя в целом. Цель и задачи исследования Цель данной работы – разработка трехмерной конечноэлементной модели для опре- деления нестационарных полей температур и термоупругих напряжений поршня тракторно- го дизеля. В работе ставились такие задачи: − разработать геометрические и конечноэлементные модели поршня с КС типа ЦНИДИ штатного и модернизированного (имеющего выборки в кромке) исполнения; − с использованием экспериментальных данных термометрирования поршня рассчитать поля нестационарных температур и напряжений поршня штатного и модернизированного исполнения; − провести сравнительный анализ расчетных полей нестационарных температур и термо- упругих напряжений поршня, полученных при решении задач теплопроводности и тер- моупругости в трехмерной постановке с полученными ранее результатами при решении задачи в осесимметричной постановке; − оценить эффективность влияния термокомпенсационных выборок в кромке КС на харак- тер распределения и величину термоупругих напряжений поршня; − разработать рекомендации по улучшению условий работы поршня быстроходного дизе- ля. Основные этапы и результаты расчетного исследования Объект исследования – поршень с КС типа ЦНИДИ быстроходного тракторного ди- зеля 4ЧН12/14 с литровой мощностью Neл = 18,4 кВт/л, подверженного воздействию неста- ционарных тепловых и механических нагрузок. Материал поршня – алюминиевый сплав АЛ25. В проведенном расчетном исследовании рассматривается резкое изменение нагрузки с режима холостого хода до номинального, при работе дизеля по нагрузочной характеристи- ке. Для расчетного моделирования полей нестационарных термоупругих напряжений поршня использовался программный комплекс, основанный на МКЭ. С учетом возможностей современной вычислительной техники для уменьшения раз- мерности решаемой задачи в работе рассматривается половина поршня, при его сечении ме- ридиональной плоскостью, проходящей через ось поршневого пальца. Дискретная расчетная модель поршня штатного исполнения представлена на рис. 1. С учетом наличия значительных градиентов температур и напряжений в области кромки поршня для дискретизации расчетной модели поршня использовались конечные элементы (КЭ) в виде 5-узловых пирамид. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 40 Конечноэлементная модель поршня, пред- ставленная на рис. 1, состоит из 93446 КЭ и 22689 узловых точек, в которых определяются нестацио- нарные температуры и напряжения. Учитывая сложную конфигурацию поршня, сетка КЭ в облас- ти кромки имеет локальное сгущение, при этом мак- симальный размер КЭ на поверхности кромки не превышает 1мм. Выбор такого количества КЭ обусловлен возможностями вычислительной техники и време- нем решения задачи. С учетом рекомендаций работы [4] модерни- зация конструкции поршня проводилась путем вы- полнения выборок в кромке поршня, симметрично расположенных относительно топливных факелов. Варианты дообработки кромки поршня с КС типа ЦНИДИ представлены на рис. 2 [4]. Для оценки влияния выборок в кромке поршня на основные показатели рабочего процесса проведен моторный эксперимент на стенде с одно- цилиндровым отсеком дизеля ЧН12/14 [4]. Резуль- таты моторных испытаний показывают, что модер- низация конструкции поршня практически не ока- зывает влияния на основные показатели рабочего процесса, а отклонения исследуемых параметров находятся в пределах погрешности изме- рений [4]. С учетом рекомендаций работы [4] разработаны схемы задания ГУ задач теплопро- водности и механики и принят характер изменения ГУ. Представленный на рис. 3 закон из- менения ГУ задачи теплопроводности характеризует процесс наброса нагрузки. Изменение коэффициентов теплоотдачи α на характерных теплообменных участках поршня при набро- се нагрузки представлено на рис. 3, а. Рис. 1. Дискретная расчетная модель поршня а) б) Рис. 2. Дообработка кромки поршня: а) – 4 выборки; б) – 5 выборок ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 41 Значения коэффициента теплоотдачи α изменяются при набросе нагрузки от 130 до 400 Вт/м2 град, при этом температура среды возрастает от 380 до 980 °С (рис. 3, б). Схема закрепления поршня выбиралась на основании рекомендаций работ [1, 4], а ГУ задачи механики при набросе нагрузки представлены в виде давления на огневое днище поршня, равного максимальному давлению сгорания в цилиндре, которое изменялось в про- цессе нагружения. Для корректного расчетного моделирования процесса нестационарного теплового и механического нагружения поршня тракторного дизеля, с учетом работы [4] продолжитель- ность расчетного интервала была выбрана равной 420 с. В начальный момент времени тем- пературное поле поршня задавалось таким же, как при работе дизеля на режиме холостого хода. Далее в течение 180 с моделировался процесс наброса нагрузки от режима холостого хода до номинального, с последующим моделированием работы дизеля на номинальном ре- жиме в течение 240 с, необходимым для стабилизации температур и термоупругих напряже- ний (рис. 3). Расчету процесса наброса нагрузки предшествовали расчеты стационарного тепло- напряженного и деформированного состояний поршня, которые впоследствии использова- 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 1 2 3 4 5 6 7 2 1 3 α, Вт/м2·град τ, мина) а) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 21 3 t, oC τ, минб) б) Рис. 3. Изменение ГУ 3-го рода нестационарной задачи теплопроводности: а) – коэффициент теплообмена между поршнем и рабочим телом; б) – температура рабочего тела ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 42 лись для контроля температур, напряжений и деформаций поршня на характерных времен- ных участках при решении нестационарной задачи. Детально проанализировав структуру полей напряжений и деформаций поршня, при решении стационарной задачи термоупругости в трехмерной постановке авторы пришли к выводу о целесообразности выполнения дополнительной выборки в кромке КС поршня, расположенной вдоль линии действия максимальных напряжений (рис. 2, б). Наличие дополнительной выборки в кромке КС поршня позволяет оказывать влия- ние на характер и величину термоупругих напряжений поршня, а полученные результаты представляют определенный научный интерес. В дальнейшем в проведенном расчетном исследовании по анализу влияния процесса наброса нагрузки на изменение нестационарных температур и напряжений поршня рассмат- риваются три конструктивных варианта исполнения поршня: штатный, модернизированный с четырьмя выборками в кромке КС, ориентированными по осям топливных факелов (рис. 2, а), и модернизированный с дополнительной пятой выборкой, расположенной вдоль линии действия максимальных напряжений (рис. 2, б). Изменение нестационарных температур конструктивных вариантов поршня пред- ставлено на рис. 4, а. Изменение температур в контрольных точках поршня штатного испол- нения при набросе нагрузки – на рис. 4, а. Расчетный анализ полей нестационарных температур конструктивных вариантов поршня свидетельствует о следующем. Нестационарные температуры в контрольных точках поршня изменяются согласно принятому характеру изменения ГУ задачи теплопроводности (рис. 3). Температура в точке 1 на кромке КС изменяется от 210 до 290 °С. В области канавки под первое компрессионное кольцо (точка 2) температура возрастает от 180 до 230 °С. В точке 3 температура изменяется от 200 до 260 °С. Наиболее динамично увеличивается тем- пература на кромке КС поршня (точки 1, 4 и 5). Максимальная расчетная температура, зарегистрированная на кромке поршня (точка 4), изменяется от 230 до 320 оС при набросе нагрузки (рис. 4, а). В точке 5 температура воз- растает от 224 до 305 оС. Окружная неравномерность нестационарного температурного поля при набросе нагрузки на кромке КС не превышает 25 оС (рис. 4, а). Расчетные значения нестационарных температур поршня модернизированного ис- полнения с четырьмя выборками на кромке КС, ориентированными по осям топливных фа- келов, представлены на рис. 4, б. Как видно из рисунка, дообработка кромки поршня прак- тически не оказывает влияния на температуру поршня. Отклонения температуры в кон- трольных точках поршня не превышают 5 оС по сравнению с поршнем штатного исполне- ния. Характер изменения нестационарных температур в точках 1 – 5 также практически не изменился (рис. 4, б). Изменение нестационарных температур поршня модернизированного исполнения с пятью выборками на кромке представлено на рис. 4, в. Дополнительная пятая выборка на кромке поршня также практически не влияет на характер изменения и величину нестацио- нарных температур поршня в контрольных точках при набросе нагрузки (рис. 4, в). Изменение нестационарных температур конструктивных вариантов поршня пред- ставлено на рис. 5. Анализ расчетных нестационарных термоупругих напряжений конструктивных ва- риантов поршня сводится к следующему. На кромке поршня штатного исполнения в точке 1 термоупругие напряжения изме- няются от 2 до 32 МПа при набросе нагрузки (рис. 5, а). В области канавки под первое ком- прессионное кольцо (точка 2) – от 14 до 4 МПа. В точке 3 термоупругие напряжения возрас- тают с 5 до 22 МПа (рис. 5, а). Максимальные расчетные напряжения зарегистрированы в области кромки поршня (точка 4) и изменяются от 4 до 38 МПа (рис. 5, а). ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 43 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 0 1 2 3 4 5 6 7 t, oC τ, мин 4 5 1 3 2 а) а) 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 0 1 2 3 4 5 6 7 τ, мин t, oC 4 5 3 1 2 б) б) 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 0 1 2 3 4 5 6 7 t, oC τ, мин 4 5 1 3 2 в) в) Рис. 4. Изменение температуры в характерных точках поршня тракторного дизеля по нагрузочной характеристике 0 ≤ Nе ≤ Nн , nн = 1800 мин-1: а) – серийный поршень; б) – 4 выборки; в) – 5 выборок ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 44 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 1 2 3 4 5 6 7 σi, МПа τ, мин 4 3 5 1 2 а) а) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 1 2 3 4 5 6 7 σi, МПа τ, мин 4 5 3 1 2 б) б) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 1 2 3 4 5 6 7 1 3 5 4 2 σi, МПа τ, минв) в) Рис.5. Изменение интенсивностей напряжений в характерных точках поршня тракторного дизеля по нагрузочной характеристике 0 ≤ Nе ≤ Nн , nн = 1800 мин-1: а) –серийный поршень; б) – 4 выборки; в) – 5 выборок ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 45 Рост напряжений в точке 4 характеризуется наибольшей динамикой при набросе на- грузки, что объясняется значительной вертикальной жесткостью поршня в меридиональной плоскости, проходящей через ось поршневого пальца (из-за наличия бобышек поршневого пальца), большим отношением площади тепловоспринимающей поверхности к объему кромки и значительным градиентом температур, обусловленным меньшим расстоянием ме- жду кромкой и канавками под поршневые кольца. Термоупругие напряжения в точке 5 возрастают от 2 до 17 МПа (рис. 5, а). Окружная неравномерность термоупругих напряжений при набросе нагрузки по кромке поршня со- ставляет порядка 10 – 15 МПа (рис. 5, а). Изменение расчетных термоупругих напряжений при набросе нагрузки в контроль- ных точках поршня модернизированного исполнения с четырьмя выборками в кромке КС представлено на рис. 5, б. Из рисунка видно, что наличие четырех выборок в кромке КС поршня, ориентированных по осям топливных факелов, позволяет снизить термоупругие напряжения в среднем на 5–7 МПа (рис. 5, б), при этом напряжения в точках 2 (в области канавки под первое компрессионное кольцо) и 3 – на периферии головки поршня практиче- ски не изменились. Важно отметить, что вблизи выборки в кромке КС термоупругие напряжения уда- лось снизить в среднем в 2–3 раза (на рисунке не показано), что объясняется увеличенной за счет выборок податливостью кромки при воздействии апериодической тепловой нагрузки. Изменение термоупругих напряжений при набросе нагрузки в контрольных точках поршня модернизированного исполнения с пятью выборками в кромке представлено на рис. 5, в. Из рисунка, в видно, что дополнительная пятая выборка в кромке КС, расположенная вдоль линии действия максимальных напряжений, позволила существенно снизить величину термоупругих напряжений. В точке 1 расчетные термоупругие напряжения изменяются от 10 до 30,5 МПа в кон- це наброса нагрузки, что на 1,5 МПа меньше, чем у поршня штатного исполнения. Выборки в кромке КС поршня также не оказывают существенного влияния на вели- чину и характер изменения термоупругих напряжений при набросе нагрузки в точках 2 и 3. Важно отметить, что термоупругие напряжения в точке 4, расположенной на кромке КС ме- жду выборками, уменьшились с 38 до 3,8 МПа, т.е. в 10 раз по сравнению с поршнем штат- ного исполнения, а самое главное – в 16 раз уменьшилась амплитуда термоупругих напря- жений при набросе нагрузки. Выполненные в рамках данной работы расчетные исследования деформированного состояния конструктивных вариантов исполнения поршня свидетельствуют о следующем. Максимальные радиальные деформации головки поршня штатного исполнения имеют место в меридиональной плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца, и достигают 0,43 мм в конце процесса наброса нагрузки. В меридиональной плоскости, проходящей че- рез ось поршневого пальца, радиальная деформация головки поршня достигает 0,37 мм. Большие значения радиальных деформаций конструктивных вариантов поршня мо- дернизированного исполнения объясняются увеличенной податливостью кромки КС при воздействии тепловой и механической нагрузок. Как отмечалось ранее, решение задачи термоупругости поршня с КС типа ЦНИДИ в осесимметричной постановке имеет определенные недостатки. Так, например, в работе [7] рассматривается стационарная и нестационарная задачи термоупругости поршня с КС типа ЦНИДИ в осесимметричной постановке для меридионального сечения поршня в плоскости, проходящей через ось поршневого пальца. Значения температур в контрольных точках, представленных на рис. 4, для поршня штатного исполнения незначительно отличаются от полученных авторами [7] ранее при решении задачи стационарной теплопроводности в осе- симметричной постановке. При сравнении результатов расчета стационарного напряженно-деформированного состояния поршня с КС типа ЦНИДИ в осесимметричной [7] и трехмерной постановках имеются отличия. Учет конструктивных особенностей поршня (смещение КС в поршне от- ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 2 46 носительно оси симметрии) и распределение тепловых и механических нагрузок по поверх- ности поршня сказываются на расчетных результатах. В работе [7] отмечается, что макси- мальные радиальные деформации головки поршня с КС типа ЦНИДИ получены в меридио- нальной плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца, и достигают 0,37 мм, тогда как решение задачи в трехмерной постановке показывает, что максимальные радиальные деформации головки поршня достигают 0,43 мм, что на 0,06 мм больше, чем максимальные значения деформаций головки поршня, полученные в работе [7]. При сравнении результатов решения нестационарной задачи термоупругости в трех- мерной и осесимметричной постановках также выявляется ряд отличий. При набросе на- грузки существенные забросы и просадки термоупругих напряжений на кромке КС типа ЦНИДИ отсутствуют (рис. 5, а), а стабилизация термоупругих напряжений поршня проис- ходит с запаздыванием по отношению к стабилизации нестационарных температур поршня. Также принятое ранее допущение [4, 7] о том, что стабилизация нестационарных термоупругих напряжений поршня происходит синхронно со стабилизацией нестационар- ных температур, не подтверждается. Сделанное допущение является неточным, так как про- цесс деформирования поршня является более инерционным, чем установление температур- ного поля, соответствующее новому режиму нагрузки, и требует расчетно- экспериментального уточнения. Выводы В результате проведенной работы можно отметить следующее: − выборки в кромке КС незначительно влияют на уровень температур кромки и поршня в целом; − наличие пятой выборки, расположенной вдоль линии действия максимальных напряже- ний, позволило снизить термоупругие напряжений кромки КС поршня с 38 до 3,8 МПа, т. е. в 10 раз; − как показал проведенный расчетный анализ, у поршня модернизированного исполнения, имеющего пять выборок в кромке КС, при набросе нагрузки от режима Ne = 0 до Ne = Neном амплитуда термоупругих напряжений снизилась почти в 16 раз, что позволяет существенно улучшить условия работы такого поршня и повысить моторесурс двигателя в целом. Литература 1. Розенблит Г. Б. Теплопередача в дизелях. – М.: Машиностроение, 1977. – 216 с. 2. Шеховцов А. Ф. Напряженно-деформированное состояние поршня быстроходного дизеля при не- стационарных нагружениях / А. Ф. Шеховцов, П. П. Гонтаровский, Ф. И. Абрамчук, А. М. Левтеров, В. К. Шиманский // Двигатели внутреннего сгорания. – 1989. – Вып. 49. – С. 20– 26. 3. Шеховцов А. Ф. Влияние конфигурации камер сгорания на напряженно–деформированное состоя- ние поршней быстроходных тракторных и комбайновых дизелей / А. Ф. Шеховцов, П. П. Гонта- ровский, Ф. И. Абрамчук, А. М. Левтеров // Двигатели внутреннего сгорания. – 1987. – Вып. 45. – С. 49–55. 4. Левтеров А. М. Исследование теплового и напряженно-деформированного состояния деталей ци- линдропоршневой группы быстроходного дизеля при нестационарных нагружениях: Дис. ... канд. техн. наук. – Харьков, 1991. – 213 с. 5. Шульженко Н. Г. Развитие расчетных моделей для исследования теплового и напряженного со- стояния составных поршней ДВС / Н. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровский, Н. Г. Гармаш, Т. В. Протасова // Двигатели внутреннего сгорания. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2004. – № 2. – С. 95–99. 6. А. с. 1523701 СССР, МКИ3 F 02 F 3/14. Поршень из алюминиевого сплава для двигателя внутрен- него сгорания / А. Ф. Шеховцов, Ф. И. Абрамчук, А. М. Левтеров // Открытия. Изобретения. 1989. – № 43. – С. 154. 7. Процессы в перспективных дизелях / Под ред. А. Ф. Шеховцова. – Харьков: Основа, 1992. – 352 с. Поступила в редакцию 10.06.09

Разработка трехмерной конечноэлементной модели нестационарных термоупругих напряжений поршня тракторного дизеля

Institution

Ähnliche Einträge