Наукові основи забезпечення тривалої міцності поршнів швидкохідних дизелів при використанні САПР

11. Вперше отримано розрахункові залежності тривалої міцності конструкції поршня від тривалості циклу низькочастотного її термонавантаження з урахуванням сумісної дії комплексу впливових факторів для кожного окремого циклу. Показано, що скорочення такого циклу вдвоє може зменшувати тривалу міцність поршня в 5 раз. Останнє слід враховувати при прогнозуванні експлуатаційної тривалої міцності поршнів швидкохідних дизелів певного технологічного призначення.

12. Розроблено методику ідентифікації теоретичної нестаціонарної моделі навантаження двигуна, що відповідає максимальній величині накопичених руйнуючих пошкоджень за встановлений технічним завданням час експлуатації. Розроблено теоретичні моделі нестаціонарного експлуатаційного навантаження двигунів сільськогосподарських, дорожньо-будівельних та лісопромислових машин. Уточнено формулу для розрахунку експлуатаційної тривалої міцності особливо термонавантаженої зони поршня.

13. Розширено уявлення щодо впливу технологічного призначення двигуна, рівня його форсування, ряду конструктивних особливостей двигуна і поршня на рівень тривалої міцності останнього. Встановлено, що тривала міцність конструкції поршня в залежності від технологічного призначення двигуна може відрізнятись до тридцяти разів і більше. Встановлено, що при перспективному форсуванні двигунів с 25 до З0 кВт/л тривала міцність поршнів в залежності від особливостей використання енергетичних установок зменшується в 2,7-17 разів.

14. Подано методологію та загальну схему конструктивної оптимізації поршня за ресурсним критерієм, яка передбачає використання набору з п'яти розроблених моделей аналізу його теплонапруженості. Попередній аналіз конструкцій здійснюється з використанням моделей нижчих рівнів складності, а використання уточнених методик - після звуження області пошуку рішень. Розглянуті приклади складають повний цикл проходження проекту в блоці оптимізації.

15. В процесі виконання роботи отримано два патенти України на винаходи. Розроблені методики й програми впроваджені в ВАТ ГСКБД (м.Харків), використовуються в практиці НДР та ВКР в проблемній науково-дослідній лабораторії, в учбовому процесі аспірантів і студентів спеціальності 090210 - двигуни внутрішнього згоряння кафедри ДВЗ НТУ "ХПІ". Результати роботи можна рекомендувати до використання в КП ХКБД, КБСД, АТ "АВТРАМАТ", в конструкторських бюро заводів-виробників дизельних двигунів та поршнів. Доцільним слід вважати впровадження програмних комплексів в учбовий процес інших вищих навчальних закладів за означеною вище спеціальністю.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пильов В.О. Автоматизоване проектування поршнів швидкохідних дизелів із заданим рівнем тривалої міцності. - Харків: Видавничий центр НТУ “ХПІ”, 2001. - 332 с.

2. Шеховцов А.Ф., Пылев В.А., Рамирес Миттани А. Использование энергетического критерия для учета влияния процесса ползучести на длительную прочность поршней быстроходных дизелей // Двигатели внутреннего сгорания. - Харьков: ХГПУ. - 1995. - Вып.55. - С. 179-185.

3. Пылев В.А. Методическое обеспечение интегрированной САПР ДВС и его использование при разработке многоэтапных и одноэтапных САПР // Двигатели внутреннего сгорания. - Харьков: ХГПУ. - 1997. - Вып.56-57. - С. 95-102.

4. Шеховцов А.Ф., Пылев В.А., Рамирес А. Миттани, Прокопенко Н.В. Влияние учета действительных термических напряжений в зоне кромки КС поршня на оценку его длительной прочности // Труды Второго конгресса двигателестроителей Украины с иностранным участием: Прогресс-Технология-Качество. - Киев-Харьков-Рыбачье: Гос. аэрокосмический ун-т “ХАИ”. - 1997. -С. 224-226.

5. Пылев В.А., Шеховцов А.Ф., Прокопенко Н.В., Рамирес-Миттани А. Анализ путей повышения длительной и термоусталостной прочности кромок КС поршней быстроходных дизелей // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “ХАИ”. - 1998. - Вып. 5. - С. 287-290.

6. Пильов В.О. Результати розрахункового дослідження по накопиченню пошкоджень в зоні кромки камери згоряння поршня в разі його циклічного дворежимного теплового навантаження // Зб. наук. праць Харківської державної академії залізничного транспорту. - Харків: ХарДАЗТ. - 1998. - Вип.32. - С. 30-33.

7. Шеховцов А.Ф., Пылев В.А., Шевченко Л.П., Прокопенко Н.В. Выбор закона аппроксимации граничных условий поршней быстроходных дизелей со стороны теплоподвода // Вісник Харківського державного політехнічного університету. - Харків: ХДПУ. - 1999. - Вип.58. - С. 12-18.

8. Шеховцов А.Ф., Пильов В.О., Шевченко Л.П., Прокопенко М.В., Фолунін С.О. Прогнозування теплового стану поршнів з відкритими камерами згоряння при використанні САПР швидкохідних дизелів // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “ХАИ”. - 1999. - Вып.9. - С. 380-383.

9. Шеховцов А.Ф., Пылев В.А., Шевченко Л.П., Прокопенко Н.В. Методика и программная реализация определения теплового состояния поршня структурным методом в САПР // Труды Таврической государственной агротехнической академии. - Мелитополь: ТГАТА. - 1999. - Вып.2, Т.10. - С. 10-15.

10. Пильов В.О. Системний підхід до проектування в САПР камери згоряння поршня швидкохідного дизеля // Вісник Харківського державного політехнічного університету. - Харків: ХДПУ. - 1999. - Вип.60. - С. 110-118.

11. Шеховцов А.Ф., Пылев В.А., Шевченко Л.П., Прокопенко Н.В., Фолунін С.О. Ефективність використання тепловодів в поршнях персективних форсованих дизелів // Механіка та машинобудування. - 1999. - №1. - С. 188-192.

12. Пылев В.А., Шеховцов А.Ф., Прокопенко Н.В. Прогнозирование в САПР теплового состояния поршней с камерами сгорания типа ЦНИДИ на эксплуатационных режимах работы быстроходных дизелей // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 1999. - Вип.2, Т.13. -С. 10-17.

13. Пильов В.О., Шеховцов А.Ф., Прокопенко М.В., Рамірес А. Міттані. Результати прогнозування ресурсу роботи кромок КЗ поршнів швидкохідних дизелів // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2000. - Вип.2, Т.14. - С. 47-53.

14. Пильов В.О. Аналіз складових накопичення пошкоджень в зоні кромки камери згоряння поршня на експлуатаційних режимах роботи швидкохідного дизеля // Зб. наук. праць Харківської державної академії залізничного транспорту. - Харків: ХарДАЗТ. - 2000. - Вип.43. - С. 61-65.

15. Шеховцов А.Ф., Пильов В.О., Марченко А.П., Прохоренко А.О., Сукачьов І.І., Прокопенко М.В. Спрощена схема проектування в САПР камери згоряння поршня швидкохідного дизеля // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Гос. аэрокосмич. ун-т “ХАИ”. - 2000. - Вып. 19. - С. 207-210.

16. Пылев В.А., Шеховцов А.Ф., Прокопенко Н.В. Типизация конструкций поршней быстроходных дизелей на основе анализа мировых тенденций их совершенствования // Вісник Харківського державного політехнічного університету. - Харків: ХДПУ. - 2000. - Вип.101. - С. 200-204.

17. Пылев В.А., Пылева Т.К., Прохоренко А.А. Использование функции желательности Харрингтона в САПР поршня быстроходного дизеля // Механіка та машинобудування. - 2000. - №1. - С. 207-209.

18. Пылев В.А. Выбор конструкции поршня быстроходного дизеля на основании применения комплексного скалярного критерия оценки его температурного состояния // Високі технології в машинобудуванні. - Харків: ХДПУ. - 2000. -Вип.1(3). - С. 207-211.

19. Пильов В.О., Шеховцов А.Ф., Шевченко Л.П., Прокопенко М.В., Фолунін С.О. Багатоваріантний аналіз конструкцій вставок-тепловодів поршнів форсованих швидкохідних дизелів // Вестник науки и техники. - 2001. - № 5. - С. 9-15.

20. Пылев В.А., Шеховцов А.Ф., Шевченко Л.П., Прокопенко Н.В. Влияние погрешностей задания граничных условий 3-го рода на результаты расчетов теплового состояния поршней быстроходный дизелей // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2001. - Вип.1. - С. 117-123.

21. Пильов В.О., Шеховцов А.Ф., Прокопенко М.В. Прогнозування ресурсу камер згоряння поршнів швидкохідних дизелів в експлуатації // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2001. - Вип.2. - С. 101-113.

22. Пильов В.О., Шеховцов А.Ф., Прокопенко М.В. Методика комплексної оцінки пошкоджень утомленості і повзучості в термонавантажених зонах камер згоряння поршнів швидкохідних дизелів // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2001. - Вип.4. - С. 219-224.

23. Пылев В.А., Шеховцов А.Ф., Прокопенко Н.В. Оценка степени влияния различных переходных процессов в общей модели эксплуатации дизеля на длительную прочность поршня // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2001. - Вип.6. - С. 207- 209.

24. Пильов В.О., Шеховцов А.Ф., Шевченко Л.П., Прокопенко М.В. Прогнозування в САПР напружено-деформованого стану поршнів швидкохідних дизелів методом R-функцій // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2001. - Вип.7. - С. 163-166.

25. Шеховцов А.Ф., Пильов В.О., Шевченко Л.П., Прокопенко М.В. Програмний комплекс для визначення температурного стану поршня в САПР ДВЗ // Вісник Національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2001. - Вип.26. - С. 111-121.

АНОТАЦІЇ

Пильов В.О. Наукові основи забезпечення тривалої міцності поршнів швидкохідних дизелів при використанні САПР. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - теплові двигуни. - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2002.

Дисертацію присвячено розробці комплексу методик, що дозволяють забезпечити заданий рівень тривалої міцності поршнів форсованих швидкохідних дизелів певного технологічного призначення при використанні САПР. Сформульовано та реалізовано положення системного підходу до проектування поршня в САПР з урахуванням ресурсного критерію міцності. Розроблено комплекс математичних моделей різних рівнів складності для прогнозування теплонапруженого стану та тривалої міцності множини конкуруючих конструкцій поршнів при довільній зміні типових граничних умов. Запропоновано і реалізовано методологію конструктивної оптимізації поршня за ресурсним критерієм з урахуванням моделі експлуатації двигуна.

Ключові слова: швидкохідний форсований дизель, поршень, граничні умови, тривала міцність, модель експлуатації, ресурс.

Пылев В.А. Научные основы обеспечения длительной прочности поршней быстроходных дизелей при использовании САПР. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.03 - тепловые двигатели. - Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена разработке комплекса методик, позволяющих обеспечить заданный уровень длительной прочности поршней форсированных быстроходных дизелей определенного технологического назначения при использовании САПР.

В работе сформулированы и реализованы положения системного подхода к проектированию в САПР поршня быстроходного дизеля с учетом прогнозирования его эксплуатационного ресурса как критерия качества конструкции. Разработан типовой математический образ поршня и основные элементы подсистемы геометрического синтеза множества конкурирующих конструкций поршней. Уточнены условия обеспечения достоверного прогнозирования их температурного состояния. Предложена эмпирическая модель задания граничных условий 3-го рода в зависимости от литровой мощности дизеля. На основе использования регионального и регионально-структурного методов разработан программный комплекс для выполнения многовариантного экспресс-анализа осесимметричного термонапряженного состояния поршней в широком диапазоне эксплуатационных нагружений быстроходных дизелей.

Расширен перечень условий обеспечения достоверного прогнозирования длительной прочности конструкции поршня. Для особо теплонапряженных зон камер сгорания поршней усовершенствована модель деформирования материала. Установлен порог циклической ползучести поршневого сплава АЛ25 в диапазоне эксплуатационных режимов работы дизелей. Показана возможность незатухающего накопления повреждений ползучести в зоне кромки камеры сгорания поршня.

Реализовано использование энергетического критерия прочности в условиях ползучести при воздействии переходных процессов работы двигателя и возможной смены знака действующих напряжений. Показана правомерность линейного суммирования повреждений при ползучести. Разработана комплексная методика прогнозирования длительной прочности особо термонапряженных зон поршней быстроходных дизелей, которая учитывает процессы: мгновенной пластической деформации, циклической ползучести, упрочнения материала в процессе ползучести, релаксации напряжений, усталости, а также совместного воздействия перечисленных факторов для сложного низко- и высокочастотного нагружения в рассматриваемой зоне.

Прогнозирование малоцикловой усталости материала выполняется на основе использования обобщенного принципа Нейбера.

Установлено, что накопление повреждений в зоне кромки камеры сгорания поршня необходимо определять отдельно для каждого переходного процесса работы дизеля в общей модели его эксплуатации. Получены зависимости накопления повреждений в зоне кромки камеры сгорания от длительности цикла термонагружения поршня.

Разработана методика идентификации теоретической модели нестационарного эксплуатационного нагружения двигателя. Ее использование позволяет решать задачи гарантированного обеспечения работоспособности конструкции. Предложены модели эксплуатации двигателей машин сельскохозяйственного, дорожно-строительного, лесопромышленного назначения.

Уточнена формула расчета эксплуатационной длительной прочности особо теплонапряженной зоны поршня. Расширены представления о влиянии технологического назначения дизеля, уровня его форсирования, ряда конструктивных особенностей двигателя и поршня на уровень длительной прочности последнего. Установлено, что длительная прочность поршня в зависимости от технологических условий эксплуатации двигателя может отличаться до 30 раз и более. При перспективном форсировании двигателей с 25 до 30 кВт/л длительная прочность поршней в зависимости от технологических условий эксплуатации снижается в 2,7 - 17 раз.

Разработан комплекс моделей и критериев различных уровней сложности для прогнозирования и оценки уровня теплонапряженности и длительной прочности множества конкурирующих конструкций поршней при изменении типовых граничных условий, определяемых массивом переходных процессов эксплуатации двигателя. Предложена и реализована методология конструктивной оптимизации поршня по ресурсному критерию. Представленные расчеты составляют полный цикл выполнения проекта в блоке оптимизации.

Ключевые слова: быстроходный форсированный дизель, поршень, граничные условия, длительная прочность, модель эксплуатации, ресурс.

Пылев В.А. Scientific fundamentals of security of long strength of pistons of speed diesel engines at use CAD. - Manuscript.

The dissertation for presenting doctors degree technical sciences of specialty 05.05.03 - heat engines. - National technical university “Kharkiv polytechnic institute ”, Kharkiv, 2002.

The dissertation was devoted to development of a complex of techniques ensuring a specific level of long strength of pistons of forced speed diesel engines of defined technological assigning at use CAD. Are formulated and the positions of a system approach to projection of the piston in CAD are realized in view of a resource criterion of strength. The complex of models of different levels of complexity for prediction of a heat-stressed condition and long strength of a set of competing constructions of pistons is developed at any modification of standard boundary conditions. Is offered and the methodology of design optimization of the piston on a resource criterion is realized in view of an exploitation model of an engine.

Key words: speed forced diesel, piston, boundary conditions, long strength, exploitation model, resource.

Размещено на Allbest.ru