Исследования напряжения поршневого кольца и канавки поршня судового дизеля при максимальном давлении сгорания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Выпуск 4

УДК 621.436

О. К. Безюков,

д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;

Н. Б. Ганин,

канд. техн. наук, доцент, СПГУВК;

М. Б. Мяконьков,

аспирант,

СПГУВК

ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОРШНЕВОГО КОЛЬЦА И КАНАВКИ ПОРШНЯ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ ПРИ МАКСИМАЛЬНОМ ДАВЛЕНИИ СГОРАНИЯ

STRESS RESEARCH OF THE PISTON RINGS AND GROOVES OF THE PISTON OF A SHIP DIESEL ENGINE AT THE MAXIMUM COMBUSTION PRESSUE

Приведены результаты численного моделирования сборочного узла трения: «втулка-кольцо-пор-шень дизеля» типа ЧН 14/14 при максимальном давлении сгорания 25 МПа. Получены эпюры распределения напряжений и перемещений в плоскостях трения компрессионного кольца с цилиндровой втулкой и поршневой канавкой.

The results of numerical simulation of the assembly of friction: “the bush-ring-piston of a diesel” engine type ЧН14/14 at the maximum pressure of 25 Mpa. Epures of distribution of stresses and displacements in the planes of compression ring friction with cylinder sleeve and piston recess.

Ключевые слова: втулка, поршень, кольцо, метод конечных элементов, напряжение, трение.

Key words: bushing, piston, ring, finite element method, stress, friction.

ЕНДЕНЦИЯ развития современного мирового дизелестроения предусматривает одновременное

уплотняет камеру сгорания и отводит теплоту от поршня в рабочий цилиндр. По мере увеличения давления в цилиндре увеличиваются прижатие кольца к стенке цилиндра, а также давление на нижнюю часть канавки поршня, что должно приводить к деформации поршневой канавки. Знание напряжений в зонах контакта кольца с цилиндровой втулкой и поршнем позволит сделать обоснованный выбор материалов для этих деталей при заданных высоких давлениях сгорания. С помощью численного моделирования сборки «поршень-кольцо-цилиндровая втулка» методом конечных элементов можно определить вышеупомянутые напряжения.

снижение норм выброса вредных веществ отработанных газов и увеличение топливной экономичности. Очевидно, что эти противоречивые требования могут быть удовлетворены только повышением термодинамического КПД цикла. Одним из параметров повышения термодинамического КПД является максимальное давление сгорания Ртах, средний уровень которого в судовых дизелях составляет от 10 до 18 МПа, причем уровень Ртах до 25 МПа может быть достигнут уже в ближайшие 5-7 лет. Поэтому исследования поведения поршневого кольца в канавке поршня при давлении сгорания 25 МПа представляются актуальными.

Моделирование напряжения и перемещения первого поршневого кольца от действия статического давления состоит из следующих этапов:

Основной удар от высокого давления

сгорания принимает на себя первое компрессионное кольцо, которое одновременно

— создание 3Б моделей поршня, кольца и цилиндровой втулки с назначением материалов;

— создание 30 сборки из построенных деталей;

— ввод коэффициентов трения между втулкой и кольцом, а также между кольцом и нижней поверхностью поршневой канавки.

— ввод граничных условий для цилиндровой втулки и поршня;

— ввод максимального давления сгорания на днище поршня и в кольцевом зазоре между поршнем и втулкой;

— ввод давления сгорания в заколечный объем поршневой канавки, соответствующего 75 % от максимального давления сгорания;

— ввод давления сгорания во второй заколечный объем поршневой канавки, соответствующего 25 % от максимального давления сгорания;

— генерация конечно-элементной сетки сборки и ее расчет.

В качестве объекта моделирования выбираем цилиндро-поршневой узел дизеля типа ЧН 14/14. Расчетная схема узла показана на рис. 1.

Исходные

Рис. 1. Расчетная схема цилиндро-поршневого фрагмента:

1 — днище поршня; 2 — втулка цилиндра;

3 — первое поршневое кольцо; 4 — зазор;

5 — заколечный объем первой поршневой канавки;

6 — заколечный объем второй поршневой канавки;

7 — плоскость закрепления поршня;

8 — цилиндрическая грань закрепления втулки цилиндра

Исходные данные модели сведены в таблицу:

Таблица

данные модели

Параметр вводимых данных Величина

Материал поршня Алюминиевый сплав АЛ25

Материал кольца Серый чугун СЧ 24-44

Материал втулки Серый чугун СЧ 24-44

Коэффициент трения хромированного кольца с втулкой 0,03

Коэффициент трения кольца с нижней плоскостью поршневой канавки 0,15

Давление на днище поршня и в зазоре 25 МПа

Давление в заколечном объеме первой поршневой канавки 19 МПа

Давление в заколечном объеме второй поршневой канавки 7 МПа

Режим построения сетки Управляемый

Количество конечных элементов 479 411

В результате расчета были получены числовые значения деформации кольца, поршня и втулки при статической нагрузке. Картина деформации показана на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что профиль компрессионного кольца и поршневой перемычки после статической нагрузки приобретают тарельчато-образную форму. Концентрация напряжения кольца находится в верхней части рабочей поверхности, а поршневой пере-

мычки — в углах ее жесткой заделки. В результате перемещения поршневой перемычки рабочая поверхность кольца скользит по зеркалу цилиндра с некоторым поворотом, в результате чего происходит перераспределение контактного напряжения по высоте кольца: вверху — выше, внизу — меньше. Подобная тенденция распределения расчетного напряжения и перемещения показана на рис. 3.

Выпуск 4

¡Выпуск 4

Рис. 2. Деформации кольца, поршневой перемычки и втулки при увеличении в 100 раз

МПа

50

\

\ Напряжение кольца Перемещение кольцаV

\ / / /

/ / /

\ \ / / У

\ \ у' /

\ \

X

Напр яжени 3 В ту г ки/~

мкм

32.0

31.0

| 50]

О 0.3 0.6 0.9 12 1.5 1в 2.1 2Л 2.7 МП

Рис. 3. Распределение контактного напряжения и перемещения кольца по высоте рабочей поверхности кольца

Как видно из графика, в месте контакта верхней части кольца с втулкой напряжение составляет 55 МПа и на длине 1/3 высоты кольца интенсивно снижается до 20 МПа. Далее идет слабое равномерное снижение до 14 МПа. Таким образом, напряжение поверхности в нижней части кольца в 4 раза меньше, чем в верхней. Разница в перемещениях верхней и нижней частей кольца составляет всего 1 мкм и достигает абсолютной величины

около 32 мкм. Величина перемещения 1 мкм является, очевидно, результатом сжатия кольца, в то время как 31 мкм — результат изгиба поршневой перемычки.

Исходя из полученных данных, можно предположить, что наиболее интенсивный износ можно ожидать на длине 1/3 высоты кольца, то есть 1 мм.

Напряжение на поверхности втулки, в зоне контакта с кольцом (см. рис. 3), меньше, чем на поверхности кольца, в среднем на 6 МПа, при этом радиальное перемещение втулки составило от 1,1 до 0,5 мкм.

Теперь попытаемся определить скорость скольжения рабочей поверхности кольца по зеркалу цилиндра от действия статического давления при средней жесткости рабочего процесса. Жесткость работы оценивается по скорости нарастания давления V, которая может достигать до 0,9 МПа на 1° поворота коленчатого вала. Высокая скорость нарастания давления определяет появление стуков и жесткую работу двигателя. Из практики известно, что двигатель работает мягко при скорости нарастания давления, не превышающей 0,5 МПа на 1° поворота коленчатого вала. Это значение и возьмем для расчета скорости скольжения кольца V относительно неподвижной втулки:

Ук = —м/с,

где £ — расчетное перемещение кольца (32 • 106 м);

т — время достижения максимального давления сгорания, с;

Аф

т =----,

6 -п

где Аф — угол поворота коленчатого вала, при котором достигается Ртах;

п — частота вращения коленчатого вала об/мин.;

Р

Дф=_”«.

V,

Отсюда 6 я-К

к=-

= 8 мм/с.

Величина этой скорости хоть и невелика, однако, учитывая, что при положении пор-

К Напряжение нижней пласкпсти кпнаВки /

Напряжение нижні плоскости кольца \

.V

0 0.3 0,6 0 Заколечныи объем 1.2 15 1.8 2.1 2Л 2.7 3.0 33 36 39 Зазор мм

60

30

Рис. 4. График напряжений плоскостей

шня в верхней мертвой точке кольцо скользит в режиме сухого трения, то и полученная скорость скольжения в сумме со скоростью движения поршня также способствует увеличению износа.

Вторым этапом является исследование напряжения в нижней плоскости кольцевой канавки и кольца. Несмотря на их непосредственный контакт, величины напряжений у них существенно различаются, что наглядно демонстрирует рис. 4.

Как видно из графика, пик напряжения нижней плоскости канавки находится не в месте заделки, а на расстоянии 0,7 мм от нее и составляет 128 МПа, далее до 2,1 мм идет интенсивное равномерное снижение напря-

жения до 46 МПа. Последующее равномерное снижение до 16 МПа проходит при почти постоянной разнице напряжений (15 МПа) между плоскостью канавки и плоскостью кольца. Колебания напряжений на поверхности нижней поверхности кольца не так значительны и составляют от 21 до 8 МПа.

Все это свидетельствует о том, что нижняя плоскость кольцевой канавки работает в более нагруженном режиме, чем нижняя часть кольца, и поэтому она подлежит упрочнению в первую очередь. Учитывая переменный характер напряжения (от 128 до 16 МПа), отличающийся в 8 раз, очевидно, что технология нанесения износостойких покрытий должна учитывать и функцию распределения напряжения.

Список литературы

1. Андрусенко Е. И. Особенности комплектации кольцевого уплотнения поршней средне- С1 оборотных дизельных двигателей / Е. И. Андрусенко // Двигателестроение. — 1990. — № 3. —

С. 47-49.

2. Гинцбург Б. Я. Теория поршневого кольца / Б. Я. Гинцбург. — М.: Машиностроение,

1979. — 271 с.

Выпуск 4