CC BY
42
УДК 621.436-224 + 620.171.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ДНИЩЕ КРЫШКИ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В.М. Фомин', А.С. Кошеленко, О.В. Жедь2
1) Кафедра комбинированных ДОС Российского университета дружбы народов Россия 117198, Москва, ул Миклухо-Маклая, 6
2) Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Российского университета дружбы народов Россия 117198, Москва, ул Миклухо-Маклая, 6
Анализируется общий характер напряженного состояния днища крышки цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Рассмотрены методы оценки распределения температурных напряжений в днище. Приведены уточненные данные моделирования напряженного состояния днища, полученные поляризационно-оптическим методом (фотомеханики) на прозрачных моделях.
Распространенным дефектом крышек (головок) цилиндров двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является растрескивание огневого днища в зонах межклапанных перемычек. Анализ показывает, что зарождение трещин, как правило, наблюдается на кромках клапанных каналов. Последующее развитие трещин происходит по ширине перемычки до окончательного ее разрушения в области наименьшего сечения.
Подобная закономерность процесса трещинообразования свидетельствует о высоких рабочих напряжениях в перемычках и наличии их концентрации. Отдельные аспекты задачи о характере распределения напряжений в пределах опасного сечения перемычки с учетом их концентрации до настоящего времени по-прежнему остаются до конца не исследованы.
В связи с этим предпринята попытка изучения распределения одного из видов рабочих нагрузок - температурных напряжений на локальном участке (зона минимального сечения) межклапанных перемычек, играющих, по мнению большинства исследователей [1,2], главную роль в разрушении огневого днища.
При исследованиях напряженного состояния днища на теоретических и физических моделях одним из важных вопросов, изначально определяющих корректность постановки задачи, является вопрос о допущениях, принятых в процессе проведения исследования.
Размеры и конфигурация перемычки определяются диаметрами смежных отверстий под клапаны Д; и и наименьшим расстоянием Ь между контурами этих отверстий, определяющим минимальную ширину перемычки. Анализ конструкций крышек (головок) двигателей различных размеров и назначений показывает, что отличие в величинах £>/ и £)2 незначительно и не превышает 3...5% [3,4]. Это позволяет без заметной погрешности, введя усредненный диаметр О = (О/ + )/2 , рассматривать перемычку симметричной относи-
тельно её продольной оси.
Другим допущением, принимаемым при анализе напряженного состояния днища, является сведение задачи к плоской постановке. Возможность подобного допущения, на первый взгляд, малооправданна, так как днище как одна из составных частей принадлежит объемной конструкции крышки. Поэтому это допущение требует более детальной оценки упругого взаимодействия исследуемой области с другими элементами конструкции, в частности, со стенками газовоздушных каналов, форсуночным стаканом (для дизелей), боковыми стенками крышки и др.
С этой целью была разработана методика, позволяющая экспериментально оценить влияние отдельных конструктивных параметров крышки на уровень температурных напряжений в днище [5]. Исследование проводилось на экспериментальном стенде, позволяющем с помощью электронагревательных устройств воссоздавать в исследуемых деталях необходимое распределение температуры и температурных перепадов (градиентов). Температурные напряжения определялись методом высокотемпературного тензометрирования [1].
Экспериментальная проверка влияния объемной конструкции в целом на уровень температурного состояния днища осуществлялась на основе сравнения результатов тензометри-
ческих измерений днищ цельных крышек и днищ, отделенных от основной конструкции с помощью механической обработки (послойным фрезерованием). При этом во всех сравниваемых случаях температура отдельных зон днища и величины соответствующих температурных градиентов поддерживались постоянными.
Результатами проведенного исследования установлено, что изменение напряженного состояния днища при последовательном отделении от него других элементов конструкции крышки оказалось незначительным. Эти наблюдения подтвердили возможность построения плоских теоретических и экспериментальных (физических) моделей днища для оценки в нем уровня температурных напряжений.
Рядом экспериментальных исследований в реальных условиях работающего двигателя [1] было установлено также, что напряженное состояние межклапанной перемычки характеризуется главным образом величиной одноосного сжатия. Уровень изгибающих напряжений незначителен и мало определяет общие прочностные (несущие) качества рассматриваемой зоны днища.
Таким образом, достаточно приемлемая (по свойствам адекватности) модель для исследования распределения напряжений в ослабленном сечении межклапанной перемычки может быть представлена в виде полосы конечной длины В = Э + Ь с двумя боковыми полукруглыми вырезами радиуса /? = £> /2, находящейся в условиях одноосного сжатия с интенсивностью, соответствующей величине средних температурных напряжений ав, действующих в рассматриваемом сечении реальной перемычки.
Распределение напряжений в такой модели зависит от относительного размера к= Ь/В, характеризующего в целом геометрию перемычки. Исследования, проведенные на тензо-метрических моделях [2], показали, что напряженное состояние ослабленной зоны перемычки качественно описываются формулами Г.Нейбера, полученными для пластины с внутренними гиперболическими вырезами при условии, что радиус кривизны гиперболического выреза для рассматриваемой зоны равен К.
Согласно решению Г.Нейбера в зоне наименьшего сечения имеет место двухосное напряженное состояние [4]. Напряжения су, действующие перпендикулярно продольной оси перемычки, значительно меньше по величине напряжений ах, действующих вдоль этой оси. Нормальные напряжения ах в центральных зонах ниже величины средних напряжений. При приближении к контурам вырезов ах увеличиваются, достигая на кромках вырезов своих максимальных значений, превосходящих средние для данного сечения напряжения ае.
Величина отношения максимальных напряжений отах в кромочных точках к средним ав будет характеризовать наибольший уровень концентрации напряжений К„ для данного сечения и, согласно принятым обозначениям, определяться как:
Данные предварительного теоретического исследования позволили сделать ряд заключений относительно общих закономерностей распределения температурных напряжений в межклапанной перемычке огневого днища крышки. Неравномерность распределения напряжений зависит от геометрии перемычки, определяемой в общем виде её геометрическими параметрами Dh D2, dub. Максимальных величин напряжения достигают на кромках клапанных и форсуночных каналов. Неравномерность распределения напряжений в ослабленном сечении перемычки растет с уменьшением диаметров клапанных отверстий и с увеличением ширины перемычки.
Эти данные с учетом принятых допущений характеризуют общую качественную картину напряженного состояния огневого днища крышки цилиндра. Очевидно, что уточненные количественные соотношения распределения напряжений могут быть установлены с использованием известных современных методов исследования, к которым в первую очередь следует отнести поляризационно-оптический метод (фотомеханики) на упругих прозрачных моделях [6]. В последнее время подобные исследования были проведены в РУДН.
Для проведения исследований были изготовлены модели из оптически чувствительного материала (рис. 1), основные размеры которых приводятся в таблице.
птах
■Ja. + (Л +1 )arctg^[X
Таблица
Модель Ширина модели В, мм Диаметр отверстия под клапан Д мм Ширина перемычки Ь, мм Диаметр форсуночного отверстия г/, мм Смещение форсунки Д, мм
М1 50 40 10 6 0,0
М2 50 40 10 6 7,5
М3 50 40 10 6 15,0
М4 50 40 10 6 28,0
Модели нагружались растягивающими силами, что не меняет картины распределения поля изохром напряженного состояния по сравнению с действительным от сил сжатия. Изучение зон концентраторов выполнялось поляризационно-оптическим методом на про-екционно-поляризационной установке ППУ-7, а нагружение моделей производилось на универсальном прессе УП-7. На этом же оборудовании осуществлялось тарирование материала модели с использованием тарировочных дисков, изготовленных из однородного материала.
Рис.2. Фотограммы и распределение напряжений по контуру клапанного отверстия для моделей М1, М2, М3, нагруженных растягивающей силой Р = 450Н
Распределение напряжений в зонах концентрации напряжений определялось на основании обработки фотограмм изохром. Величина коэффициента концентрации напряжений
находилась по формуле: Ка = (я?тах • <т'0 ■ Р0) /Р , где - максимальный порядок по-
лосы в зоне концентратора; с'0 - оптическая цена полосы материала (из тарировки); Р0 -
площадь сечения, по отношению к которому рассматривается концентрация; Р - нагрузка на модель.
На рис. 2 приводятся фотограммы для трех исследованных моделей (см. таблицу). Все представленные модели нагружены одинаковой растягивающей силой Р = 450 Н. На этих фотограммах по контуру клапанного отверстия с одной стороны моделей построены эпюры распределения контурных напряжений. Эпюры контурных напряжений строятся в порядках полос, величина которых в выбранном масштабе откладывается по ординатам, нормальным к контуру клапанного отверстия. Точки, соответствующие уровням полос, соединяются плавной кривой.
Характер распределения напряжений ах в ослабленном сечении перемычки, действующих вдоль ее продольной оси х, показан для модели М1 на рис. 3. Наибольшие напряжения в этом сечении обнаруживаются на контурах боковых вырезов под клапаны и центрального отверстия (точки А и Б), где они значительно превосходят величину средних (номинальных) для данного сечения напряжений. При этом в кромочных точках форсуночного отвер- 1 стия напряжения имеют наибольший уровень.
Рис.З. Фотограмма и распределение напряжений, действующих вдоль продольной оси в ослабленном сечении перемычки модели М1
Смещение форсуночного отверстия на величину Д вдоль продольной оси приводит к заметному снижению напряжений в наиболее нагруженных зонах. Этот вывод достаточно очевиден из анализа фотограмм напряженного состояния модели (рис. 2). В результате обработки фотограмм установлено изменение коэффициента концентрации напряжений в зависимости от величины относительного смещения А = Д/7?, которое представлено на рис. 4.
Рис.4. Изменение коэффициента концентрации напряжений на контуре форсуночного отверстия в зависимости от величины его относительного смещения
Из приведенных данных видно, что смещение форсуночного отверстия относительно центра межклапанной перемычки приводит к повышению несущей способности этой высо-конагруженной части головки цилиндра как в результате увеличения площадей ослабленных сечений, так и уменьшения концентрации напряжений на контурах отверстий. Таким образом, смещение форсуночного отверстия при конструировании головок может быть рекомендовано как эффективный прием повышения надежности работы головок цилиндров форсированных дизелей. Полученные данные позволяют количественно оценить величину смещения при известном допускаемом уровне напряжений в днище.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чайное Н.Д., Фомин В.М. Применение высокотемпературного тензометрирования при исследовании температурных напряжений в деталях двигателей внутреннего сгорания // Известия ВУЗов, №6. - М.: Машиностроение, 1971.- С.5-9.
2. Чайное Н.Д., Фомин В. М. Исследование напряжений в днище крышки цилиндра дизеля с помощью тензометрических моделей // Двигатели внутреннего сгорания. №15 - М.: Нииинформтяжмаш, 1972. - С.5-9.
3. Чайное Н.Д. К расчету температурных напряжений в днище крышек цилиндров двигателей внутреннего сгорания // Известия ВУЗов, №5. - М.: Машиностроение, 1970. - С.7-12.
4. Чайное Н.Д., Фомин В.М. Распределение напряжений в межклапанной перемычке днища крышки двигателя внутреннего сгорания // Двигатели внутреннего сгорания, №8. -М.: Нииинформтяжмаш, 1973. - С.8-12.
5. Чайное Н.Д, Фомин В.М., Мосин Ю.С. Влияние некоторых конструктивных параметров крышки цилиндра дизеля на напряженное состояние её днища // Двигатели внутреннего сгорания, №8. - М.: Нииинформтяжмаш, 1973. - С. 12-16.
6. Бабенков И.С., Романова В.А. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. Статические исследования. - М.: УДН, 1981. - 52 с.
UDC 621.436-224+620.171.5
INVESTIGATION OF STRESS DISTRIBUTION IN THE CYLINDER HEAD OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE
V.M. Fomin1, A.S. Koshelenko, O.V. Zhed2
1) Department of Combined Internal Combustion Engines
2) Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling .
Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia
The general character of the stress distribution in the cylinder head of the engine has been analyzed. There are given new experimental data of the stress distribution which validated using the photo-elastic transparent models.
