THE MAIN DIRECTIONS OF DIESEL CYLINDERS HEAD DECREASE IN THE THERMAL DEFORMATIONS


Cite item

Full Text

Abstract

The purpose of researches is decrease of diesel cylinders head in thermal deformations by definition of various factors influencing extent emergence and development. The general tension of cylinders block heads (HBC) is considered. Its main parts are defined and analysed. The major factor causing damage of the fire bottom of GBTs are the thermal tension reaching the maximum in intervalvate crossing points. Emergence of this tension is caused by action of high temperatures of fuel burning and their great unevenness of distribution on surface and thickness of the cylinders block head fire bottom. The difference of temperatures in zone intervalvate crossing points and the periphery of the bottom can reach considerable sizes. Is the reasons of these temperatures difference design features, heat conductivity of material and way of heated surfaces cooling. Existence in of temperature detail differences will lead to unequal lengthenings of fire bottom various GBTs parts. These lengthenings (deformations) cause the thermal tension of compression corresponding to them. At low-cyclic thermal loading gradually there is a relaxation of thermal tension in the presence of already formed residual deformation. It will lead to emergence of tension of stretching. Tension of stretching is especially dangerous to gray cast iron of which the head of the block of cylinders is made. The side-altar of durability of this material on stretching several times is less, than on compression. With each thermocycle of tension of stretching will increase as gray cast iron possess small plasticity. Residual deformations will increase and finally will lead to emergence of thermofatigue cracks. As a result of the conducted theoretical researches dependence of residual deformations on various factors defining durability of GBTs is received. On the basis of this dependence, probably to define the directions of further researches of decrease in thermal tension and residual deformations.

Full Text

Частым дефектом головок блока цилиндров дизеля являются термоусталостные трещины межклапанных перемычек. По различным данным этому дефекту подвергаются до 80% современных дизелей. Вследствие этого головка цилиндров меняется на новую до четырех раз за весь срок службы дизеля. Цель исследований - снижение термических деформаций в головке цилиндров дизеля путем определения степени влияния различных факторов, влияющих на их возникновение и развитие. Задачи исследований - провести теоретический анализ и определить зависимость термической деформации от возможных влияющих факторов и оценить степень влияния термических деформаций на ресурс ГБЦ и определить направление исследования для повышения долговечности этой детали. Головка цилиндров дизеля относятся к числу наиболее сложных и многофункциональных деталей. При работе она должна обеспечивать герметичность камеры сгорания и оптимальное охлаждение тепловоспринимающих поверхностей, поэтому подвержена влиянию многих факторов, которые влияют на ресурс этой детали [1]. К факторам, влияющим на возникновение и развитие термических деформаций относятся следующие [1]: - материал изготовления детали; - конструкция - технология отливки и изготовления; - условия эксплуатации. Эти факторы обуславливают высокую общую напряженность этой детали. Эта напряженность имеет следующие составляющие [6]: - монтажные напряжения (20-80 МПА); - остаточные напряжения (10-13 МПА); - термоструктурные напряжения; - рабочие напряжения (20-40 МПА); - термические напряжения (180-220 МПА). Термические напряжения оказывают максимальное воздействие на огневое днище ГБЦ. Появление этих напряжений вызвано действием высоких температур горения топлива, и их большой неравномерностью распределения по поверхности и толщине огневого днища ГБЦ. Разница температур в зоне межклапанных перемычек и периферии может доходить до 200ºС [2]. Причинами такого перепада температур являются конструктивные особенности, теплопроводность материала этой детали и способом охлаждения нагретых поверхностей. Наличие в теле детали температурных перепадов (градиентов) приводит к неодинаковым удлинениям различных частей детали. Так как целостность не должна нарушаться, то появляются деформации и соответствующие им термические напряжения[3]. Градиенты температур ГБЦ достигают своего максимума при прогреве и остановке дизеля и наблюдаются как по плоскости огневого днища, так и по его толщине. Поэтому общее термическое напряжение определяется по формуле , (1) где σт1 - напряжение от перепада температур по поверхности огневого днища; σт2 - напряжение от перепада температур по толщине огневого днища. Величины этих напряжений можно оценить следующими зависимостями: , (2) где - коэффициент теплового линейного расширения; - перепад температур на огневом днище; - модуль упругости; , ( - площади сечения перемычек впускного и выпускного клапанов). , (3) где - коэффициент Пуассона; - перепад температур по толщине огневого днища. Учитывая зависимости (2) и (3) уравнение (1) можно записать в виде: , (4) При установившемся режиме работы двигателя градиент температур снижается, т.е. происходит релаксация термических напряжений. Деформации, вызванные этими напряжениями, могут быть определены зависимостью: , (5) где - деформация от термических напряжений. Уравнение (5) можно представить в виде . (6) Учитывая уравнение (1), выражение (6) можно представить в виде: , (7) где - деформации по поверхности и толщине огневого днища. Приравнивая выражения (4) и (6) получим: . (8) Учитывая, что , уравнение (8) можно записать в виде: . (9) Из анализа полученной зависимости видно, что на появление остаточных деформаций максимально влияют градиент температур и коэффициент линейного расширения материала детали. При охлаждении дизеля будет происходить дальнейшая релаксация термических напряжений при наличии уже образовавшейся деформации, что приведет к появлению напряжений растяжения [4]. Эти напряжения особенно опасны для серого чугуна, из которого изготовлена головка блока цилиндров [5]. Предел прочности серого чугуна на растяжение в несколько раз меньше чем на сжатие [7]. С каждым циклом «нагрев - охлаждение», напряжения растяжения будут возрастать, что приводит к появлению трещин, вследствие наступающей термической усталости. Заключение. Таким образом, для снижения термических деформаций и повышения ресурса ГБЦ следует снижать перепад температур, т.е. увеличивать отвод тепла от наиболее нагретых зон огневого днища и уменьшить воздействие участков огневого днища с максимальной деформацией на соседние менее нагретые зоны. Также на величину термических деформаций в значительной степени влияют теплофизические и механические свойства материалпа изготовления ГБЦ.
×

About the authors

N A Cherkashin

FSBEI HVE Samara SAA

Email: SSAA_Ingener@mail.ru
cand. of techn. sciences, associate prof. of the department «Reliability and repair of cars» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 8-а str

V V Shigayeva

FSBEI HVE Samara SAA

Email: SSAA_Ingener@mail.ru
associate prof. of the department «Reliability and repair of cars» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 8-а str

M P Makarova

FSBEI HVE Samara SAA

Email: SSAA_Ingener@mail.ru
cand. ped. sciences, associate prof. of the department «Reliability and repair of cars» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 8-а str

G N Dmitriyev

FSBEI HVE Samara SAA

Email: SSAA_Ingener@mail.ru
undergraduate of the department «Reliability and Repair of Cars» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 8-а str

References

  1. Черкашин, Н. А. Пути повышения долговечности головок цилиндров тракторных дизелей // Известия Самарской ГСХА. - Самара, 2011. - С. 86-89.
  2. Межецкий, Г. Д. Механика образования трещин в деталях двигателей внутреннего сгорания при малоцикловом термоусталостном режиме / Г. Д. Межецкий, В. В. Чекмарев, Д. В. Межецкий // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2009. - №10. - С. 54-58.
  3. Черкашин, Н. А. Снижение напряжений в межклапанных перемычках головок цилиндров дизелей / Н. А. Черкашин, В. В. Шигаева, Г. Н. Дмитриев // Достижение науки агропромышленному комплексу : сб. науч. тр. - Самара, 2014. - С. 268-271.
  4. Межецкий, Г. Д. Теоретические основы повышения долговечности головок и крышек цилиндров дизелей / Г. Д. Межецкий, В. В. Чекмарев, А. А. Захаров // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2005. - №2. - С. 55-57.
  5. Черкашин, Н. А. Обоснование рационального выбора конструкционного материала для корпусных деталей двигателя // Актуальные проблемы АПК в ХХI : сб. науч. тр. СГСХА. - Самара, 2004. - С. 98-99.
  6. Захаров, А. А. Повышение долговечности головок цилиндров дизелей при восстановлении путем применения деконцентраторов напряжений : дис….канд. техн. наук : 05.20.03 / Захаров Александр Анатольевич. - Саратов, 2005. - 207 с.
  7. Бондаренко, С. И. Влияние формы графита на термическую стойкость чугуна [Электронный ресурс] / С. И. Бондаренко, И. П. Гладкий // Вестник ХНАДУ. - 2006. - №33. - URL: http//cyperleninka/ru/areticle/n/Vliyanie-formy-grafita-na-termicheskuyu (дата обращения: 28.04.2014).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2014 Cherkashin N.A., Shigayeva V.V., Makarova M.P., Dmitriyev G.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.