CC BY
183
УДК 621.436.016
В.В. Бабанин, асп., 8-920-747-10-12, ieag@klax.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
АЛГОРИТМ НАХОЖДЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ПОРШНЯ И ЕГО ТЕРМОУПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ
Приведен алгоритм нахождения температурного состояния поршня с учетом работы двигателя как на установившемся, так и на переходных режимах его работы. Предложенная методика позволяет определить температурные деформации и тепловой зазор в системе «поршень — цилиндр — смазочный материал».
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, поршень, граничные условия, конечноэлементная модель, переходный режим, температурное поле, термоупругие деформации, терморегулирование.
Перед современным двигателестроением стоит задача создания высокофорсированных двигателей при одновременном повышении их надежности и безотказности в работе.
Решение этой задачи возможно только в случае обеспечения высокой работоспособности его наиболее нагруженных в тепловом и механическом отношении деталей, к числу которых относится и поршень.
Особенностью работы поршня является нестационарность его теплового и силового нагружений. Возникающие при этом на кромке камеры сгорания поршня переменные термические и механические напряжения приводят к термомеханической усталости и в результате к растрескиванию кромок. В настоящее время наиболее остро стоит вопрос повышения износостойкости зоны канавки для верхнего поршневого кольца, обеспечения прочности бобышек поршневого пальца и защиты от разрушения днища и кромок полости камеры сгорания [1].
Как показывают исследования [2], решающее влияние на процесс разрушения кромок камеры сгорания оказывают термические нагрузки. В этой связи была поставлена задача разработать расчетную методику определения параметров циклического деформирования материала поршня при его нестационарном термическом нагружении.
В результате конструкторской, технологической, материаловедче-ской работы создаётся такая конструкция поршня, которая позволяет наиболее целесообразным образом обеспечить необходимые прочность, термостойкость, долговечность, износостойкость, стабильность геометрических параметров и т. д. В ряду задач, решаемых при этом, особое место занимают вопросы терморегулирования, проектирование геометрической формы поршня и прогнозирование вибрационных характеристик сопряжения «поршень - цилиндр» при одновременном учёте пространственного движения поршня.
Изучение научно-технической литературы, касающейся перечисленных выше вопросов, показало, что в настоящее время не существует общей теоретической базы для решения этих проблем, в частности, при исследовании таких нелинейных явлений, как устойчивость рабочих процессов в переходных процессах, различие протекания последовательных циклов в двигателях.
Решение некоторых из перечисленных выше проблем заключается в создании теоретической основы для построения различных нелинейных динамических моделей ДВС и их анализа, а также в построении программного обеспечения, в котором эти методы находят свое отражение.
Предложенная методика апробирована на двух двигателях с различным типом смесеобразования: дизельном ТМЗ-450Д, созданном
в ОАО АК «Туламашзавод», и бензиновом ЗИЛ-4104. Алгоритм методики позволяет анализировать термомеханическое состояние поршня при функционировании ДВС на различных режимах, в том числе и переходных, не-установившихся.
Поставленные задачи решаются с использованием существующего программного обеспечения: граничные условия позволяет найти разработанная авторами программа, моделирующая работу двигателя на любом режиме его работы. Решение задачи в термоупругой постановке осуществляет специализированный пакет программ COSMOS-M.
В работе при расчетах температурных полей была использована конечноэлементная модель в осесимметричной постановке, реализованная в пакете прикладных программ COSMOS-M. Применение трехузловых элементов при генерации сетки модели обеспечивает достаточную для практических расчетов точность. Достоверные данные о величине и направлении тепловых потоков по элементам поршня получают при наличии экспериментальных данных о температурах в контрольных точках деталей ЦПГ.
Для ввода в программу по чертежам поршней были найдены координаты характерных точек, по которым с помощью программы было построено двухмерное осесимметричное изображение поршней (рис. 1).
Для того чтобы пр итупить к вычислению темпер агурного поля, необходимо на предварительном этапе расчетов задаться некоторыми граничными условиями, позволяющими получить в первом приближении распределение температур в теле детали. Поршень при этом удобно разделить на участки следующим образом: днище, жаровой пояс, уплотнительный пояс (зона поршневых колец), опорный пояс (юбка), полость масляного охлаждения (при наличии последней) и днище, омываемое масляным туманом. Для каждого участка существуют методики или рекомендации, позволяющие с определенной степенью точности определить значения коэффициентов теплоотдачи.
Рис. 1. Изображения поршней ТМЗ-450Д и ЗИЛ-4104
с разбиением на области с разными граничными условиями
В целом, при задании значений граничных условий теплообмена были использованы следующие источники:
1. Методика определения граничных условий по поверхности камеры сгорания поршня, созданная на кафедре поршневых и комбинированных двигателей МГТУ им Н.Э. Баумана [3].
2. Данные расчетов, схожих по конструкции и размерам поршней для задания граничных условий на поверхностях жарового пояса, юбки, масляной галереи и днища [4, 5].
Соответствующие участки поршня с однородными граничными условиями показаны на рис. 1.
В зоне поршневых колец по подобной схеме были заданы минимально возможные значения (таблица).
Используя результаты термометрии деталей ЦПГ на двигателях, подбирают с учетом рекомендаций [4, 6-10] граничные условия таким образом, чтобы расхождение результатов во всех контрольных точках не превышало 2... 3 % [11].
Решение задачи в термоупругой постановке осуществляет специализированный пакет программ COSMOS-М. Производится определение температурного поля поршня в осесимметричной постановке, а также полей перемещений, напряжений и деформаций. По их значениям вычисляется распределение температур, а также осевых и радиальных перемещений боковой поверхности поршня.
Для сравнительного анализа и уточнения граничных условий был проведен расчет для различных режимов работы двигателей по различным формулам. Задача решалась несколько раз с изменением граничных условий до получения расчетных значений температуры поршней, равных экспериментальным. После этого были рассчитаны поршни с уточненными значениями коэффициентов конвективного теплообмена.
Таблица
Коэффициент теплообмена и температура отдельных участков поршней дизельного и бензинового двигателей соответственно
Поршень двигателя
№ уч-ка ТМЗ-450Д ЗИЛ -4104
Коэфф-т теплоотдачи, Вт/(м2К) Температура среды, К Коэфф-т теплоотдачи, Вт/(м2К) Температура среды, К
1 350 1000 800 1151
2 125 806 820 1151
3 23500 550 520 1151
4 500 550 400 1151
5 23500 550 225 806
6 2200 383 3237 456
7 2200 383 500 705
8 0 458 2200 383
9 4050 458 2200 383
10 500 550 2200 383
11 4328 459 0 458
12 0 458 4050 458
13 4544 458 500 550
14 2000 456 4328 459
15 2000 456 0 458
16 400 363 4544 458
17 1160 383 2000 456
18-21 0 0 2000 456
22 - - 400 363
23-26 - - 1160 383
27 - - 0 0
С помощью программы ICE были получены графики зависимости коэффициента конвективного теплообмена и средней температуры в цилиндре в определенные моменты времени (рис. 2). Расчет проводился по четырем различным формулам: Эйхельберга, Цапфа, Хохенберга, Вошни.
На рис. 3 приводятся результаты температурного состояния поршней на различных режимах работы двигателя ТМЗ-450Д с параметрами: диаметр цилиндра 85 мм, ход поршня 80 мм, степень сжатия 20; двигателя ЗИЛ-4104 с параметрами: диаметр цилиндра 108 мм, ход поршня 105 мм, степень сжатия 9,3. На рис. рис.4 приведено сравнение температурных де-
формаций поршня двигателя ЗИЛ-4104, рассчитанных с использованием трёх различных формул для расчета коэффициента конвективного теплообмена.
Ф
О.
■=1
С
=г
ш
се
о.
<П
о.
ф
о:
о:
X
ф
о.
О
Время I С
Время I С
Рис. 2. Зависимости коэффициента конвективного теплообмена и средней температуры от времени
Рис. 3. Результаты расчета температурного состояния поршней двигателей ТМЗ-450Д и ЗИЛ-4104
На детали двигателя действуют переменные механические и тепловые нагрузки. При этом тепловое состояние деталей, возникающие в них напряжения и деформации существенно изменяются в зависимости от ре-
250
жимов работы двигателя. При определении теплового и напряженно-деформированного состояния выбирают один или несколько расчетных режимов, для которых затем проводят расчет.
В настоящее время расчеты на прочность, как правило, проводят для установившегося режима [12, 13]. Однако в отдельных случаях влияние неустановившихся режимов на тепловое и напряженно-деформированное состояние деталей может быть учтено при выборе расчетных значений тепловых и механических нагрузок, соответствующих реальным условиям работы с учетом неустановившихся режимов. Для всех типов двигателей расчеты теплового и напряженно-деформированного состояния деталей начинают с режима номинальной мощности при частоте вращения п ном. Как правило, на этом режиме работы достигает максимального значения температура наиболее нагруженных в тепловом отношении деталей, а также, особенно для двигателей с наддувом, действующие на них силы давления газов. Наряду с этим, в первую очередь для двигателей наземного транспорта без наддува, по условиям прочности опасным может оказаться и режим максимального крутящего момента. В этом случае при частоте вращения п = (0,5...0,7)пном силы давления газа являются максимальными. Однако следует отметить, что на этом режиме значение инерционных сил существенно ниже, чем при работе на номинальном режиме.
Для двигателей с принудительным воспламенением, а иногда для высокооборотных дизелей, целесообразно проводить поверочный расчет режима холостого хода, соответствующего максимальной частоте вращения, допускаемой регулятором. При наличии последнего максимальная частота вращения холостого хода для двигателей с принудительным воспламенением составляет (1,05.. Л,10)пном, для дизелей - (1,05...1,07)п ном-Для аналогичного расчета при отсутствии регулятора частоту вращения, при которой двигатель «идет в разнос», можно принять на 40.50 % выше номинальной.
Прочность, в первую очередь теплонапряженных деталей, может быть достаточно точно оценена только в результате учета всей совокупности режимов работы двигателя при эксплуатации. Необходимо учитывать продолжительность и чередование этих режимов, которые значительно отличаются для различных типов двигателей, так как зависят от их назначения.
По приведенным выше методикам проводились расчёты температурного состояния исследуемых поршней на режимах, соответствующих максимальному крутящему моменту, максимальной мощности, и поверочный расчёт, соответствующий максимальной частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу, ограниченной открытием рейки ТНВД или дросселя.
По заказу ОАО АК «Туламашзавод» австрийской фирмой «АУЪ» было проведено исследование двигателя ТМЗ-450Д с целью выявления недостатков и предложены методы устранения. Фирмой «АУЪ» были получены данные о температурном состоянии поршня, которое определялось
внедрением в жаровой пояс термопар. Сравнение среднего экспериментального значения со значением, рассчитанным при помощи пакета программ COSMOS-M, показало достоверность проведенного математического расчета. Расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышало 5 %.
В ходе выполнения работы был освоен алгоритм нахождения термоупругого состояния поршня и его термоупругих деформаций на любом режиме его работы - как на установившемся, являющемся основным режимом работы двигателя в составе генераторной установки, так и на неустановившемся, характер шм для р гботы ДВС в качестве двигателя автомобиля (рис. 4).
В результате построена методика расчёта рис 4 Термоупругие деформации поршня:
теплового и напряжённо- , Л Л
, к п - продольная координата поршня;
деформированного состоя- 1 - расчет по формуле Вошни;
ния поршня. 2 _ по формуле Цапфа;
3 - расчёт по формуле Эйхельберга
Разработана и апробирована методика определения адекватных граничных условий для различных переходных режимов работы двигателя. Методика позволяет определять температурные зазоры с точностью до 0,05 мкм.
Список литературы
1. Воробьев С. С., Щур ко в В. Е., Сильницкая М. Н. Конструкции поршней современных зарубежных автомобильных дизелей. М.: Изд-во ЦНИИТЭИАвтопром, 1986. 560 с.
2. Профилирование юбок поршней. Б.Я. Гинцбург [и др.]. М.: Машиностроение, 1973. 88 с.
3. Обеспечение качества транспортных двигателей / М.А. Григорьев [и др.]. М.: ИМК, 1998. 68 с.
4. Костин А. К., Ларионов В. В., Михайлов Л. И. Теплонапряжен-ность двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1979. 222 с.
температурные деформации, м
5. Лощаков П. А. Результаты расчетно-экспериментальных исследований температурного состояния гильзы цилиндра двигателя 8Ч 13/14 // Двигателестроение. 1991. №1. С.49-51.
6. Лощаков П.А. Влияние зазора в сопряжении жаровой пояс поршня цилиндра на температурное состояние поршней быстроходных дизелей: дис. ... канд. техн. наук. Ярославль, 1993. 145 с.
7. Овсянников М. К., Давыдов Г. А. Тепловая напряженность судовых двигателей. Л.: Судостроение, 1975. 256 с.
8. Розенблит Г. Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977. 216 с.
9. Сидоров А.А. Разработка методики физического моделирования теплового состояния поршней транспортных двигателей: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1988. 21 с.
10. Теория тепломассообмена; под ред. А.И. Леонтьева. М.: Высшая школа, 1979. 496 с.
11. Энглиш К. Поршневые кольца: в 2 т. М: Машиностроение, 1962. Т. 1. 584 с.
12. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей: учебник / Д.Н. Вырубов [и др.]; под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1984. 384 с.
13. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей: учебник / В.П. Алексеев [и др.]; под общей ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.
V. Babanin
The algorithm of determination of thermal state of a piston and its thermoelasic deformations
The algorithm of determination of thermal state of a piston with respect of its work on stationary and non-stationary regimes is developed. The proposed methodic gives the possibilities to determine of thermal deformations and gaps between a piston and a cylinder in the internal combustion engine.
Keywords: internal combustion engine, the piston, the boundary conditions, finite element model, the transitional regime, the temperature field, thermoelastic deformation, thermal control.
Получено 12.01.10
