Повышение надежности теплонапряженных деталей дизельных двигателей

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вестник Брянского государственного технического университета. 2008. № 4 (20)

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Ю.И. Фокин, В.В. Рогалев, В.Г. Новиков

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. режимы холостого хода и близких к нему частичных нагрузок с относительно высокими давлениями сгорания в камере сгорания двигателя [4, 6-9].

надежность теплонапряженныхй дизельный двигатель

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].

Авторами предложен новый оригинальный способ определения предаварийного состояния теплонапряженных деталей машин. Согласно этому изобретению, регистрация значений температур в заданных точках, превышающих допустимые температуры, и суммирование числа теплосмен осуществляются по изменению энергетического сопротивления активного датчика, выполненного из материала, обладающего эффектом памяти формы [27]. В материалах, обладающих этим свойством, при изменении температуры происходит мартенситное превращение, которое сопровождается изменением ряда свойств материала. При термоциклировании такого материала (например, никелида титана) в интервале температур мартенситного превращения происходит заметное увеличение электрического сопротивления. С ростом числа циклов значение электросопротивления увеличивается более чем в 5 раз.

На рис.2 изображена схема устройства для осуществления предлагаемого способа. Устройство для определения аварийного состояния теплонапряженных деталей машин, например головки цилиндров ДВС, содержит электрический мост 1 с блоком питания 2 и усилителем 3. Одно из плеч моста подсоединено через разъем 4 к активному датчику 5, установленному на поверхности головки 6 цилиндра двигателя в наиболее термически нагруженной зоне, например в межклапанной перемычке. Усилитель 3 подключен к показывающему прибору 7. Активный датчик 5 выполнен из материала, обладающего эффектом памяти формы.

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, М.А. Исследование и конструктивное обеспечение прочности деталей ЦПГ дизеля при переменности рабочих режимов / М.А. Салтыков, В.Э. Лодягин, Л.С. Базыкина // Энергомашиностроение.-1970.-№ 12.-С. 18-20.

2. Межецкий, Г.Д. Увеличение глубины термоусталостных трещин в головках цилиндров дизелей при эксплуатации / Г.Д. Межецкий [и др.] // Двигателестроение.-1991.-№ 2.-С. 35 -36, 41.

3. Шишкин, В.А. Анализ неисправности и предотвращения повреждений судовых дизелей / В.А. Шишкин -. М.: Транспорт, 1986.-264 с.

4. Гохфельд, Д.А. Несущая способность конструкций в условиях теплосмен / Д.А. Гохфельд. - М.: Машиностроение, 1970.-259 с.

5. Дьяченко, Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания / Н.Х. Дьяченко. - Л.: Машиностроение, 1974.-552 с.

6. Балакин, В.И. Форсированные дизели: докл. на XI Междунар. конгрессе по двигателям (СИМАК) / В.И. Балакин [и др.]. - М.: Машиностроение, 1978.-360 с.

7. Орлов, П.И. Основы конструирования: справ.-метод. пособие. В 2 кн. Кн. 1 / П.И. Орлов.-3-е изд. - М.: Машиностроение, 1988.-560 с.

8. Никитин, Е.А. Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей / Е.А. Никитин [и др.]. - М.: Машиностроение, 1974.-208 с.

9. Кондратьев, Н.Н. Отказы и дефекты судовых дизелей / Н.Н. Кондратьев. - М.: Транспорт, 1985.-152 с.

10. Школьник, Л.М. Методика усталостных испытаний: справочник / Л.М. Школьник. - М.: Металлургия, 1978.-304 с.

11. Самсонов, Ю.А. Справочник по ускоренным ресурсным испытаниям судового оборудования / Ю.А. Самсонов, В.И. Феденко. - Л.: Судостроение, 1981.-200 с.

12. Салтыков, М.А. Оценка сопротивления разрушению чугуна с шаровидной формой графита при температурных циклических нагрузках для прогноза ресурса деталей цилиндропоршневой группы двигателей транспортного назначения / М.А. Сальников // Двигателестроение.-1983.-№ 6.-С. 35-38.

13. Когаев, В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В.П. Когаев. - М.: Машиностроение, 1977.-230 с.

14. Чумак, В.И. Анализ основных методов прогнозирования остаточного ресурса сопряжений ДВС / В.И. Чумак, А.И. Илларионов, Л.А. Лейфер // Двигателестроение.-1991.-№ 6.-С. 18-20, 59, 62.

15. Тихонов, А.С. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении / А.С. Тихонов [и др.] - М.: Машиностроение, 1981.-80 с.

16. Фокин, Ю.И. Использование в автомобилестроении эффекта памяти формы / Ю.И. Фокин, И.В. Сорокин // Надежность и эффективность работы двигателей и автомобилей: сб. науч. тр. - Брянск: БГТУ, 1999.-С. 26-32.

17. Рогалев, В.В. Применение материалов с эффектом памяти формы в двигателестроении / В.В. Рогалев, Ю.И. Фокин // Вестн. БГТУ.-2005.-№ 3.-С.11-21.

18. А.с. 1 229 405 СССР. Составной охлаждаемый поршень для двигателя внутреннего сгорания / Ю.И. Фокин, В.И. Воробьев, С.В. Никитин. - Опубл. 17.05.86, Бюл. № 17.

19. А.с. 1 326 750 СССР. Поршень для двигателя внутреннего сгорания / Ю.И. Фокин, В.И. Воробьев, С.В. Никитин, Г.Л. Алисевич. - Опубл. 30.07.87, Бюл. № 28.

20. А.с. 1 332 054 СССР. Головка цилиндров для двигателя внутреннего сгорания / Ю.И. Фокин, В.Г. Новиков, Г.Л. Васильев. - Опубл. 23.08.87, Бюл. № 31.

21. А.с. 1 332 055 СССР. Головка цилиндров для двигателя внутреннего сгорания / В.Г. Новиков, Ю.И. Фокин, Вл.И. Воробьев, Вик.И. Воробьев. - Опубл. 23.08.87, Бюл. № 31.

22. А.с. 1 364 759 СССР. Поршень для двигателя внутреннего сгорания / Ю.И. Фокин, В.Г. Новиков, Г.Л. Васильев. - Опубл. 07.01.88, Бюл. № 1.

23. А.с. 1 420 211 СССР. Головка цилиндров для двигателя внутреннего сгорания / В.Г. Новиков, Ю.И. Фокин, В.И. Воробьев, В.П.Фомин. - Опубл. 30.08.88, Бюл. № 32.

24. А.с. 1 437 541 СССР. Втулка цилиндра для двигателя внутреннего сгорания / Ю.И. Фокин, В.Г. Новиков, И.В. Шубин. - Опубл. 15.11.88, Бюл. № 42.

25. А.с. 1 523 698 СССР. Гильза цилиндра для двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением / Ю.И. Фокин, В.И. Воробьев, И.А. Рак. - Опубл. 23.11.89, Бюл. № 43.

26. Пат. 2 001 297 РФ. Охлаждаемый поршень двигателя внутреннего сгорания / Фокин Ю.И., Новиков В.Г., Рогалев В.В.. - Опубл. 15.10.93, Бюл. № 37-38.

27. Пат. 2 296 985 РФ. Способ определения аварийного состояния теплонапряженных деталей машин / Рогалев В.В., Фокин Ю.И. Новиков В.Г. - Опубл. 10.04.07, Бюл. №10.

Размещено на Allbest.ru