ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СНИЖЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ В ГОЛОВКЕ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЯ

Полный текст

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.

Об авторах

Николай Александрович Черкашин

ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА

Email: SSAA_Ingener@mail.ru
канд. техн. наук, доцент кафедры «Надежность и ремонт машин» 446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Спортивная, 8-а

Виктория Владимировна Шигаева

ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА

Email: SSAA_Ingener@mail.ru
доцент кафедры «Надежность и ремонт машин» 446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Спортивная, 8-а

Маргарита Павловна Макарова

ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА

Email: SSAA_Ingener@mail.ru
доцент кафедры «Надежность и ремонт машин» 446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Спортивная, 8-а

Григорий Николаевич Дмитриев

ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА

Email: SSAA_Ingener@mail.ru
магистрант кафедры «Надежность и ремонт машин» 446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Спортивная, 8-а

Список литературы

Дополнительные файлы