Модель разрушения коленчатого вала при эксплуатации
Анализ усталостной прочности и усталостных разрушений коленчатого вала двигателя КамАЗ-740. Распределение напряжений в прозрачной модели, видимое в поляризованном свете. Схема плоской модели кривошипа коленчатого вала и схема для определения усилий.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 02.03.2019 |
Размер файла | 1,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Модель разрушения коленчатого вала при эксплуатации
Тугушев Б.Ф.
Проведен анализ усталостной прочности и усталостных разрушений коленчатого вала двигателя КамАЗ-740. Обоснованы теоретические зависимости и сделаны соответствующие выводы.
Ключевые слова: коленчатый вал, усталостное разрушение, стержневая система, фотоупругость
Analysis of fatigue strength and fatigue damage of the crankshaft of the KamAZ-740 engine. Theoretical dependencies are substantiated and conclusions drawn. коленчатый вал стержневой фотоупругость
Keywords: Crankshaft, fatigue failure, beam system, photo elasticity
Износ и усталость являются лимитирующими факторами, определяющими служебную долговечность коленчатых валов (КВ) и их выносливость. На усталостную прочность КВ оказывает влияние множество факторов технологического, организационного и эксплуатационного характера.
Так, как использовались различные виды термо- и механической обработки при изготовлении КВ [1] - это обусловливает существенную вариацию свойств и усталостных характеристик КВ.
При работе КВ подвергается действию радиальных и тангенциальных составляющих сил, приложенных к его шатунным шейкам, центробежных сил вращающихся масс, реакций опор, а также момента сопротивления вращению трансмиссии, периодическое действие которых вызывает появление упругих колебаний КВ (изгибных и крутильных).
Особенно высокие нагрузки несут шатунные шейки и щеки КВ. Характер разрушений элементов КВ показывает на преимущественное действие изгибающих моментов и меньшее действие крутящего момента. Усталостные разрушения (трещины) начинаются в области концентраторов напряжений (галтели, отверстия для смазки, грязеуловители). Нарастание степени усталостных разрушений в элементах КВ в процессе эксплуатации носит преимущественно стохастический характер.
Наиболее часто усталостное разрушение вала происходит по щеке в зоне перекрытия шатунных и коренных шеек (рис. 1), которое для двигателей КамАЗ-740 составляет 27,5 мм при номинальном размере шеек.
Для нормальных напряжений уu от изгибающей нагрузки справедливо
, (1)
где Ми - изгибающий момент (в процессе эксплуатации практически не меняется); W - момент сопротивления сечения на изгиб.
При перешлифовывании коренных и шатунных шеек на последний ремонтный размер перекрытие сокращается на 2 мм (7,2%). Расчеты показывают, что уровень напряжений изгиба повышается при этом в среднем на 8%.
Существенно снижается несущее сечение в процессе эксплуатации за счет распространения усталостных трещин от очагов (в данном случае галтелей), что показано на рис. 1. Для анализа силового взаимодействия шатунной и коренной шеек в зоне их перекрытия рассмотрим плоскую модель, представленную на рис. 2а. Здесь Z - равнодействующая сила, передаваемая от шатунов; ZA, ZB - реакции опор. Для простоты рассмотрим только правую часть модели, где lщ - толщина щеки; lкш - длина коренной шейки; p - величина перекрытия шеек. В зоне перекрытия сплошной металл заменен неизменяемой стержневой системой, состоящей из стержней 2-1, 2-4 и 3-4. Сами стержни имеют шарнирные соединения в соответствующих узлах и могут испытывать только осевые нагрузки в виде растягивающих или сжимающих усилий. Если рассечь стержневую систему линией 1-1 и рассмотреть правую часть (рис. 2б), можно легко определить усилия в самих стержнях.
Рис. 1. Форма усталостного разрушения коленчатого вала по щеке
Для разработки модели, пригодной к анализу процесса разрушения, представим схему перекрытия шеек в виде (рис. 3а).
Исходя из нее, для величины перекрытия шеек p, имеем
p=Rк+Rш-r, (2)
где Rк - радиус коренной шейки; Rш- радиус шатунной шейки; r - радиус кривошипа. Для КВ двигателя КамАЗ-740 при радиусе кривошипа 60 мм, номинальном диаметре коренной шейки 95 мм и шатунной - 80 мм величина p соответствует 27,5 мм.
а б
Рис. 2. Плоская модель кривошипа коленчатого вала (а) и схема для определения усилий (б)
Таким образом, мы можем так же с некоторыми допущениями представить опасное сечение в виде плоской модели, к которой приложено растягивающее усилие (рис. 3б). Модель представляет собой равнобедренную трапецию, верхнее и нижнее основания которой равны длинам опорных дуг lк и lш, а высота равна величине l (для КВ двигателя КамАЗ-740 вычисленные значения представлены на рис. 3б).
а б
Рис. 3. Схема перекрытия шеек коленчатого вала (а), плоская модель опасного сечения и схема ее нагружения (б)
Верхнее основание имеет распределенную связь по оси Y и лишено перемещений по оси X. Нижнее основание нагружено распределенной (условно считаем, что равномерно распределенной) нагрузкой q, направленной вдоль оси Y, также нижнее основание лишено перемещений вдоль оси X. Отсутствие перемещений по оси Х моделирует влияние на опасное сечение оставшейся части щеки, включая противовес, которые не испытывают рассматриваемых нагрузок. Проведенный эксперимент на прозрачной модели в поляризованном свете (рис. 4) показал сходство линий распределения напряжений с линиями развития трещин в перекрытии шеек на реальной детали (рис. 1).При совершенствовании коленчатого вала и обосновании способов его восстановления необходимо учитывать особенности усталостных разрушений. Это в первую очередь относится к недопущению холодной правки валов, что снижает усталостную прочность на 30% и более [2, 3]. Аналогичное действие оказывает сетка микротрещин в зоне разъема штампа (на 20-40%) [2, 3]. Накатка галтелей роликом повышает усталостную прочность на 15% [2, 3]. Все эти факторы следует учитывать и при разработке технологий восстановления вала.
Рис. 4. Распределение напряжений в прозрачной модели, видимое в поляризованном свете
Выводы
Основными направлениями повышения качества коленчатого вала, работающего в условиях повторнопеременных динамических нагрузок и гидроабразивного износа являются: выбор химического состава металла и способа его получения; вид и качество химико-термической обработки; снижение концентраций напряжений за счет улучшения механической обработки и конструкции элементов (галтели, масляные каналы); совершенствование методов усталостных испытаний; обеспечение ремонтопригодности в течение всего эксплуатационно-ремонтного цикла. При моделировании необходимо учитывать наличие растягивающих напряжений в зоне перекрытия шеек. Результаты расчета подтверждаются экспериментами на прозрачных моделях и характером разрушения детали.
Список литературы
1. Денисов А.С. Анализ результатов экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния коленчатого вала в процессе эксплуатации / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина, А.А. Видинеев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2011. № 1. С. 28-34.
2. Повышение надежности дизелей ЯМЗ и автомобилей КрАЗ / под ред. Н.С. Ханина. М: Машиностроение, 1974. 288 с.
3. Долецкий В.А. Увеличение ресурса машин технологическими методами / В.А. Долецкий и др. // Двигатели. Надежность двигателей. М.: Машиностроение, 1978. 216 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Назначение ступицы шкива коленчатого вала и анализ технологического процесса ее изготовления. Анализ условия работы ступицы шкива коленчатого вала, видов и процессов ее изнашивания. Анализ дефекта детали и технологических способов восстановления.
курсовая работа [172,1 K], добавлен 26.12.2011Анализ базового технологического процесса и направления проектирования коленчатого вала четырехцилиндрового двигателя. Выбор метода получения заготовки и его техническое обоснование. Расчет межоперационных припусков, допусков и размеров заготовки.
курсовая работа [781,9 K], добавлен 18.06.2021Виды износа коленчатого вала, анализ вариантов восстановления. Использование процесса напыления. Обработка упрочненных поверхностей. Расчет годовой трудоемкости участка, затрат на заработную плату. Безопасность труда при проведении наплавочных работ.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 20.10.2014Обоснование размера производственной партии. Выбор способа восстановления дефектов коленчатого вала автомобиля ЗИЛ-131. Схемы технологических процессов. Определение припусков на обработку, годовой трудоёмкости. Оборудование и приспособления участка.
курсовая работа [35,2 K], добавлен 25.09.2013Схема кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания и действующих в нем усилий. Его устройство и схема равнодействующих моментов. Расчет сил инерции. Диаграмма износа шатунной шейки коленчатого вала. Способы уравновешивания его значений.
контрольная работа [108,6 K], добавлен 24.12.2013Назначение двигателя и привода механизма газораспределения. Порядок работы цилиндров. Схема расположения колен коленчатого вала. Равномерность чередования одноименных тактов. Тепловой и динамический расчет двигателя. Расчет цилиндро-поршневой группы.
дипломная работа [6,3 M], добавлен 15.03.2011Составление расчетной схемы вала. Приведение сил, действующих на зубчатые колеса, к геометрической оси вала. Построение эпюр внутренних силовых факторов. Определение запаса усталостной прочности вала. Проверка жесткости. Расчет крутильных колебаний.
контрольная работа [155,2 K], добавлен 14.03.2012Построение расчетной схемы вала и эпюр внутренних силовых факторов. Расчет диаметра вала и его прогибов в местах установки колес; расчет на изгибную жесткость. Выбор типа соединения в опасном сечении вала. Расчет коэффициента запаса усталостной прочности.
дипломная работа [505,9 K], добавлен 26.01.2014Понятие автомобиля, его сущность и особенности внутреннего устройства. Классификация автомобильных двигателей, их виды и характеристика. Назначение, состав, устройство и условия работы кривошипно-шатунного механизма. Основные дефекты и их устранение.
курсовая работа [410,2 K], добавлен 02.04.2009Определение размеров цилиндра. Расчет и построение регуляторной характеристики двигателя в функции от частоты вращения коленчатого вала. Конструктивно-технологический анализ детали. Расчет себестоимости изделия. Пожарная безопасность на рабочих местах.
дипломная работа [3,5 M], добавлен 15.09.2012Расчет процессов наполнения, сжатия, сгорания и расширения, определение индикаторных, эффективных и геометрических параметров авиационного поршневого двигателя. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма и расчет на прочность коленчатого вала.
курсовая работа [892,4 K], добавлен 17.01.2011Термодинамический расчёт двухступенчатого компрессора. Выбор двигателя, определение размеров поршней и цилиндров, частоты вращения коленчатого вала, действующих сил и сил инерции от вращательных и поступательно движущихся масс и их уравновешивание.
курсовая работа [3,9 M], добавлен 16.10.2013Выбор основных конструктивных параметров дизельного двигателя. Параметры процесса газообмена. Сгорание в дизельном двигателе. Параметры, характеризующие рабочий цикл. Расчет перемещения, скорости и ускорения поршня. Расчеты основных деталей двигателя.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 18.01.2014Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала в двигателях внутреннего сгорания. Назначение, характеристика и элементы кривошипно-шатунного механизма; принцип осуществления рабочего процесса двигателя.
презентация [308,4 K], добавлен 07.12.2012Определения необходимого числа ступеней сжатия в компрессоре. Расчет активной площади поршней и частоты вращения коленчатого вала. Определение расхода охлаждающей воды и необходимой поверхности теплообмена. Построение силовых и индикаторных диаграмм.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 13.12.2013Проблемы долговечности коленчатого вала. Анализ недостатков существующего оборудования для финишной обработки коленвала. Сущность холодной пластической деформации металлов. Оптимальная шероховатость трущихся поверхностей. Расчет привода вращения.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 14.10.2010Определение вращающих моментов и окружных усилий на каждом зубчатом колесе. Расчет диаметров вала по участкам. Проверочный расчет вала на выносливость и на жёсткость. Определение углов поворота сечений вала в опорах. Эпюры крутящих и изгибающих моментов.
курсовая работа [530,1 K], добавлен 08.01.2016Основные части кривошипно-шатунного механизма автомобильного двигателя и их назначение. Характеристика неподвижных и подвижных деталей. Устройство блока цилиндров, шатунно-поршневой группы, шатуна, группы коленчатого вала, их роль в движении автомобиля.
презентация [1,2 M], добавлен 28.12.2015Структурные схемы системы автоматического регулирования частоты (САРЧ) вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Конструктивная и функциональная схемы САРЧ ДВС. Принципы регулирования, уравнение переходного процесса двигателя.
контрольная работа [531,1 K], добавлен 07.01.2013Определение суммарной мощности главного двигателя. Выбор основных параметров дизеля. Тепловой и динамический расчет ДВС. Определение махового момента и главных размеров маховика. Расчет поршневой группы, коленчатого вала. Определение уравновешенности ДВС.
курсовая работа [593,2 K], добавлен 17.11.2014