Научная статья на тему 'Напряженно-деформированное состояние крышки цилиндра дизеля тепловоза'

Напряженно-деформированное состояние крышки цилиндра дизеля тепловоза Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
487
93
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
iPolytech Journal
ВАК
Ключевые слова
КРЫШКА ЦИЛИНДРОВ / КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНАЯ МОДЕЛЬ / ТЕМПЕРАТУРНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ / ДАВЛЕНИЕ ГАЗОВ / ЭПЮРЫ НАПРЯЖЕНИЙ / ДЕФОРМАЦИЯ / УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ / CYLINDER HEAD / FINITE ELEMENT MODEL / THERMAL STRESS / GAS PRESSURE / STRESS DISTRIBUTION DIAGRAMS / DEFORMATION / FATIGUE FAILURE

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Тимохин Юрий Витальевич, Савенков Вячеслав Николаевич, Гущин Анатолий Михайлович, Рябко Евгения Владимировна, Тимохина Валентина Юрьевна

ЦЕЛЬ. Определение влияния температуры и внутреннего давления на напряжения в наиболее нагруженных участках крышки цилиндра тепловозного дизеля Д49. МЕТОДЫ. Напряженно-деформированное состояние крышки цилиндра тепловозного дизеля рассмотрено на основе конечно-элементного моделирования в компьютерной среде ANSYS. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье разработана конечно-элементная модель и подпрограмма расчета напряженно-деформированного состояния крышки цилиндра дизеля 5Д49. Выполнен расчет температурных полей в теле крышки цилиндра и напряжений сжатия, вызванных тепловым расширением металла, а также выполнен расчет дополнительных напряжений, обусловленных давлением газов в цилиндре. Исследованы напряжения в опасных сечениях огневого днища крышки от рабочего давления газов в цилиндре. Установлено, что эти напряжения на порядок ниже температурных напряжений. ВЫВОДЫ. Установлено, что уровень расчетных температур газов в цилиндре значительно влияет на напряжения в огневом днище крышки цилиндров. Так снижение расчетной температуры с 300оС до 250оС приводит к снижению напряжений в огневом днище на 24%. Напряжения от рабочего давления газов в цилиндре на порядок ниже температурных напряжений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Тимохин Юрий Витальевич, Савенков Вячеслав Николаевич, Гущин Анатолий Михайлович, Рябко Евгения Владимировна, Тимохина Валентина Юрьевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STRESS-STRAIN STATE OF DIESEL LOCOMOTIVE ENGINE CYLINDER HEAD

The PURPOSE of the paper is to determine the influence of temperature and internal pressure on stresses in the most loaded sections of the cylinder head of the diesel engine D49. METHODS. Stress-strain state of the diesel locomotive engine cylinder head is considered on the basis of finite element modeling in computing environment ANSYS. RESULTS. A finite element model and a subroutine for calculating the stress-strain state of the cylinder head of the diesel engine 5Д49 have been developed. The temperature fields in the body of the cylinder head and compression stresses caused by thermal expansion of the metal have been calculated as well as the additional stresses caused by gas pressure in the cylinder. Having studied the stresses in the dangerous sections of the cylinder head fire bottom resulting from the working pressure of gases in the cylinder, it has been found that these stresses are much lower than thermal stresses. CONCLUSIONS. The level of the estimated temperature of gases in the cylinder has significant influence on stresses in the cylinder head fire bottom. Calculated gas temperature decrease from 300 °C to 250 °C reduces stresses in the fire bottom by 24%. Stresses caused by gas operating pressure in the cylinder are much lower than thermal stresses.

Текст научной работы на тему «Напряженно-деформированное состояние крышки цилиндра дизеля тепловоза»

Оригинальная статья / Original article УДК 629.424.3

DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-198-207

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КРЫШКИ ЦИЛИНДРА ДИЗЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА

© Ю.В. Тимохин1, В.Н. Савенков2, А.М. Гущин3, Е.В. Рябко4, В.Ю. Тимохина5

1,3,4,5Донецкий институт железнодорожного транспорта, Украина, 83018, г. Донецк, ул. Горная, 6. 2Донецкий национальный технический университет, Украина, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Определение влияния температуры и внутреннего давления на напряжения в наиболее нагруженных участках крышки цилиндра тепловозного дизеля Д49. МЕТОДЫ. Напряженно-деформированное состояние крышки цилиндра тепловозного дизеля рассмотрено на основе конечно-элементного моделирования в компьютерной среде ANSYS. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье разработана конечно-элементная модель и подпрограмма расчета напряженно-деформированного состояния крышки цилиндра дизеля 5Д49. Выполнен расчет температурных полей в теле крышки цилиндра и напряжений сжатия, вызванных тепловым расширением металла, а также выполнен расчет дополнительных напряжений, обусловленных давлением газов в цилиндре. Исследованы напряжения в опасных сечениях огневого днища крышки от рабочего давления газов в цилиндре. Установлено, что эти напряжения на порядок ниже температурных напряжений. ВЫВОДЫ. Установлено, что уровень расчетных температур газов в цилиндре значительно влияет на напряжения в огневом днище крышки цилиндров. Так снижение расчетной температуры с 300оС до 250оС приводит к снижению напряжений в огневом днище на 24%. Напряжения от рабочего давления газов в цилиндре на порядок ниже температурных напряжений. Ключевые слова: крышка цилиндров, конечно-элементная модель, температурные напряжения, давление газов, эпюры напряжений, деформация, усталостное разрушение.

Формат цитирования: Тимохин Ю.В., Савенков В.Н., Гущин А.М., Рябко Е.В., Тимохина В.Ю. Напряженно-деформированное состояние крышки цилиндра дизеля тепловоза // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 4. С. 198-207. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-198-207

STRESS-STRAIN STATE OF DIESEL LOCOMOTIVE ENGINE CYLINDER HEAD Yu.V. Timokhin, V.N. Savenkov, A.M. Gushchin, E.V. Ryabko, Yu.V. Timokhina

Donetsk Institute of Railway Transport, 6, Gornaya St., Donetsk, 83018, Ukraine. Donetsk National Technical University, 58, Artema St., Donetsk, 83001, Ukraine.

ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to determine the influence of temperature and internal pressure on stresses in the most loaded sections of the cylinder head of the diesel engine D49. METHODS. Stress-strain state of the diesel locomotive engine cylinder head is considered on the basis of finite element modeling in computing environment ANSYS.

1

Тимохин Юрий Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры высшей математики и физики, e-mail: tina101010@mail.ru

Yuriy V. Timokhin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Higher Mathematics and Physics, e-mail: tina101010@mail.ru

2Савенков Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов, e-mail: savvnik@mail.ru

Vyacheslav N. Savenkov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Strength of Materials, e-mail: savvnik@mail.ru

3Гущин Анатолий Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры подвижного состава железных дорог, e-mail: railroader@yandex.ru

Anatoliy M. Gushchin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Railway Rolling Stock, e-mail: railroader@yandex.ru

4Рябко Евгения Владимировна, инженер 1 категории кафедры подвижного состава железных дорог, e-mail: railroader@yandex.ru

Evgeniya V. Ryabko, I Category Engineer of the Department of Railway Rolling Stock, e-mail: railroader@yandex.ru

5Тимохина Валентина Юрьевна, старший преподаватель кафедры высшей математики и физики, e-mail: tina101010@mail.ru

Valentina Yu. Timokhina, Senior Lecturer of the Department of Higher Mathematics and Physics, e-mail: tina101010@mail.ru

RESULTS. A finite element model and a subroutine for calculating the stress-strain state of the cylinder head of the diesel engine 5Д49 have been developed. The temperature fields in the body of the cylinder head and compression stresses caused by thermal expansion of the metal have been calculated as well as the additional stresses caused by gas pressure in the cylinder. Having studied the stresses in the dangerous sections of the cylinder head fire bottom resulting from the working pressure of gases in the cylinder, it has been found that these stresses are much lower than thermal stresses. CONCLUSIONS. The level of the estimated temperature of gases in the cylinder has significant influence on stresses in the cylinder head fire bottom. Calculated gas temperature decrease from 300 °C to 250 °C reduces stresses in the fire bottom by 24%. Stresses caused by gas operating pressure in the cylinder are much lower than thermal stresses.

Keywords: cylinder head, finite element model, thermal stress, gas pressure, stress distribution diagrams, deformation, fatigue failure

For citation: Timokhin Y.V., Savenkov V.N., Gushchin A.M., Ryabko E.V., Timokhina Y.V. Stress-strain state of diesel locomotive engine cylinder head// Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 4, pp. 198-207. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-198-207

Введение

Крышки цилиндра - самые нагруженные детали в дизелях тепловозов. Они подвергаются циклическому воздействию температуры рабочих газов в цилиндре и воздействию высокого давления. Частые выходы из строя приводят к неплановым постановкам тепловозов в ремонт.

Изучение численного влияния данных факторов на напряженно-деформированное состояние металла крышек цилиндров позволит обоснованно разрабатывать мероприятия по продлению их срока службы.

Постановка проблемы

Напряженное состояние цилиндровых крышек обусловлено рядом факторов: температурное расширение металла за счет действия рабочих газов в цилиндре, воздействие охлаждающей воды, влияние усилий сжатия при креплении крышки к гильзе цилиндра.

Ввиду сложности конструкции крышки цилиндра аналитическое решение такой задачи практически невозможно, поэтому целесообразно применять численные методы. Известны работы6,7,8 [1], посвященные исследованию напряженно-деформированного состояния крышек цилиндров тепловозных дизелей. В этих работах утверждается, что разрушение крышек цилиндров связано с развитием трещин в стенке крышки, а механизм разрушения связан с усталостным разрушением, выражающимся в постепенном развитии трещин при многократно повторяющихся переменных напряжениях. При этом авторы упомянутых работ вводят понятие «малоцикловая усталость». Под этим термином понимается механизм развития трещин усталости за счет прогрева дизеля, в том числе и крышки цилиндра, при некотором времени работы дизеля и его последующее охлаждение при остановке дизеля9.

6Ролле И.А. Повышение ресурса крышек цилиндров тепловозных дизелей: дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2006. 130 с. / Rolle I.A. Increasing life of diesel locomotive cylinder head. Candidate's Dissertation in technical sciences. Saint Petersburg, 2006. 130 p.

7Мягков С.П. Повышение прочностной надежности крышек цилиндров транспортных дизелей: дисс. ... канд. техн. наук. М., 2009. 177 с. / Myagkov S.P. Increasing strength reliability of diesel engine cylinder heads. Candidate's Dissertation in technical sciences. M., 2009. 177 p.

8Маластовский Н.С. Методика определения локальных граничных условий со стороны охлаждения при расчете температурных полей крышек цилиндров двигателей: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2011. 156 с. / Malastovskiy N.S. Methods for determining local boundary conditions of cooling when calculating the temperature fields of engine cylinder heads: Abstract of the Candidate's Dissertation in technical sciences. M., 2011. 156 p.

9Кузьмич В.Д., Зюбанов В.З., Володин А.И. Локомотивные энергетические установки: учебник для вузов ж.-д. трансп. М.: ИПК «Желдориздат», 2002. 718 с. / Kuzmich V.D., Zyubanov V.Z., Volodin A.I. Locomotive power plants Moscow: IPK "Zheldorizdat". Publ. 2002. 718 p._

Для изучения явления возникновения механических напряжений в деталях тепловозного дизеля за счет их прогрева использовалась конечно-разностная схема комплекса программ АМБУБ. В процессе исследований температурных полей и полей механических напряжений принята средняя за цикл температура газов и среднее за цикл значение суммарного коэффициента теплоотдачи а^. Так, например, средняя за цикл температура огневой поверхности составляла в пределах 300-350оС.

При этих условиях в крышке цилиндра, по мнению упомянутых выше авторов, возникает деформация и накопление дефектов в микроскопическом строении металла крышки, что и приводит к развитию трещин усталости. Однако авторы не учитывают циклическое изменение температуры газов, несмотря на то, что температура газов изменяется от сотни до полутора тысяч градусов и частота циклов для среднеоборотных дизелей составляет 0,12 с.

Другими недостатками упомянутых выше исследований является отсутствие численной оценки температуры и давления газов в цилиндре.

Целью данной работы является установление влияния температуры и внутреннего давления на напряжения в наиболее нагруженных участках крышки цилиндра тепловозного дизеля 5Д49, а также определение способов снижения максимальных напряжений.

Основной материал исследования

В данной работе исследуется напряженно-деформированное состояние крышки цилиндра дизеля 5Д49.

На рис. 1 показан вид крышки цилиндра со стороны огневой поверхности с местами часто возникающих разрушений.

Рис. 1. Крышка цилиндра дизеля Д49: а, b - места усталостного разрушения Fig. 1. Cylinder head of diesel engine D49: а, b - fatigue failure locations

В системе прочностного анализа ANSYS разработана конечно-элементная модель крышки цилиндра, приведенная на рис. 2, составлены алгоритмы расчета в виде отдельных подпрограмм. В качестве внешних нагрузок, действующих на крышку, принимались температура и рабочее давление газов в цилиндре10. При расчете напряженного состояния задавалась температура на поверхностях днища и на внешних поверхностях крышки. Производился расчет температурного поля по всему объему крышки. При этом объем крышки разбивался на

10Шабров Н.Н. Метод конечных элементов в расчетах деталей тепловых двигателей: монография. Л.: Машиностроение, 1983. 212 с. / Shabrov N.N. Finite element method in the calculations of thermal engine parts. L.: Mechanical Engineering. Publ. 1983, 212 p._

конечные термоэлементы SOLID90. Затем выполнялся прочностной расчет. При этом термоэлементы заменялись соответствующими им прочностными элементами SOLID186.

Рис. 2. Конечно-элементная модель крышки цилиндра Fig. 2. Finite element model of the cylinder head

На рис. 3 приведены вызванные нагреванием крышки цилиндра эпюры напряжений сжатия, рассчитанные на огневой поверхности крышки цилиндра в сечении между клапанами.

В расчете принято:

- материал крышки - высокопрочный чугун; модуль упругости E = 1,0-1011 Па; коэффициент линейного расширения а = 1,1510-5 °С; коэффициент поперечной деформации ^ = 0,3;

- температура на огневой поверхности днища крышки - 300°С; на охлаждаемой поверхности днища - 90°С; на внешних поверхностях крышки - 50°С.

Рис. 3. Напряжения на огневой поверхности днища крышки цилиндра от температуры 300°С: 1 - часть модели крышки, отсеченная плоскостью, проходящей через клапаны; 2 - узлы конечных элементов в поперечном сечении днища; 3, 4 - эпюры напряжений в вертикальном и горизонтальном направлениях Fig. 3. Stresses on the firing surface of the cylinder head bottom from the temperature of 300 °C: 1 - part of the cylinder head model cut off by the plane passing through valves; 2 - nodes of finite elements in the bottom cross section; 3, 4 - stress diagrams in vertical and

horizontal directions respectively

Как видно из рис. 3, наибольшие напряжения сжатия возникают на участке Ой (между клапанами). В продольном сечении перемычки напряжения равны ау = -91,3 МПа, в поперечном сечении - ах = -289,4 МПа.

Анализ разрушений крышек цилиндров свидетельствует о наличии вертикальных трещин на огневой поверхности, перпендикулярных максимальным напряжениям ах. Появление трещин от больших сжимающих напряжений можно объяснить следующим образом. После прогрева металла крышки и последующего охлаждения возникают напряжения растяжения [2]. При этом в корне трещин возникает явление концентрации напряжений, достигающие двух-, трехкратного значения. Повышенные напряжения в корне трещины приводят к пластической деформации металла. Деформация металла, в свою очередь, приводит к формированию в корне трещины зон упрочнения с одновременным снижением пластичности. Эти явления в совокупности приводят к тому, что в каждом цикле переменного нагружения, в том числе и за счет изменения температуры металла, происходит надрыв в корне трещины.

Повторяющиеся нагружения металла приводят к постепенному развитию трещин, называемых трещинами усталости. В теории разрушения металлов доказано, что трещины усталости при переменных во времени нагружениях развиваются при напряжениях, намного меньших временного сопротивления ав [3].

На рис. 4 приведены эпюры температурных напряжений на огневой поверхности крышки цилиндра в сечении между впускным и выпускным клапанами. В данном случае наиболее напряженным участком является перемычка Ой между впускным и выпускным клапаном. Сжимающие напряжения в продольном сечении перемычки ах = -114,1 МПа, а в поперечном направлении - ау = -275,2 МПа. Сравнивая это значение с напряжением ах = -289,4 МПа на рис. 3, можно сделать вывод, что наиболее напряженными являются перемычки между одноименными клапанами - впускными или выпускными.

Рис. 4. Напряжения на огневой поверхности днища крышки цилиндра от температуры 300°С: 1 - часть модели крышки, отсеченная плоскостью, проходящей через впускной и выпускной клапаны;

2 - узлы конечных элементов в поперечном сечении днища; 3, 4 - эпюры напряжений в горизонтальном и вертикальном направлениях Fig. 4. Stresses on the firing surface of the cylinder head bottom from the temperature of 300°C: 1 - part of the cylinder head cut off by the plane passing through intake and exhaust valves; 2 - finite element nodes in the bottom cross section; 3, 4 - stress diagrams in vertical and horizontal directions

Более наглядно это заметно при сравнении интенсивностей напряжений. На рис. 5 приведена контурная диаграмма интенсивностей напряжений в крышке со стороны огневой поверхности крышки цилиндра. Участки 1 и 2 соответствуют максимальным напряжениям. Таковыми являются перемычки между одноименными клапанами (впускными и выпускными).

Рис. 5. Контурная диаграмма интенсивностей напряжений от действия температуры: 1, 2 - перемычки между впускными и выпускными клапанами Fig. 5. Contour diagram of stress intensity dependence on the temperature impact: 1, 2 - bridge between the intake and exhaust valves

Выполнен расчет напряженно-деформированного состояния крышки цилиндра от действия давления в цилиндре р = 2,1 МПа и давления рзат = 3,15 МПа от затяжки шпилек на стыке втулки цилиндра с крышкой.

На рис. 6 приведены эпюры напряжений на поверхности крышки, полученные при этом расчете. Напряжения в перемычке (перемычка CD) составляют: а х = 11,9 МПа и ау = 6,9 МПа.

Выше было показано, что напряжения ах, вызванные тепловым расширением, составляют 230-290 МПа. То есть дополнительные напряжения, вызванные давлением, составляют порядка 5% от напряжений, обусловленных тепловым расширением.

Рис. 6. Напряжения на огневой поверхности днища крышки цилиндра от давления в цилиндре p = 2,1

МПа и давления p^m = 3,15 МПа от затяжки шпилек: 1 - часть модели крышки, отсеченная плоскостью, проходящей через клапаны; 2 - узлы конечных элементов в поперечном сечении днища;

3,4 - эпюры напряжений в вертикальном и горизонтальном направлениях Fig. 6. Stresses on the firing surface of the cylinder head bottom resulting from the cylinder pressure p = 2.1 MPa and pin tightening pressure pzat = 3.15 MPa: 1 - part of the cylinder head model cut off by the plane passing through valves; 2 - finite element nodes in the bottom cross section; 3, 4 - stress diagrams in vertical

and horizontal directions

Отличается также и характер распределения напряжений по площади поверхности крышки. На рис. 7 приведена контурная диаграмма интенсивностей напряжений в крышке со стороны огневой поверхности, вызванных действием давления в цилиндре и давления от затяжки шпилек. Наиболее нагруженными оказываются периферийные области днища крышки -это светлые участки 1, 2.

Рис. 7. Контурная диаграмма интенсивностей напряжений от действия внутреннего давления:

1, 2 - области с максимальными напряжениями Fig. 7. Contour diagram of stress intensities resulting from the internal pressure action:

1, 2 - areas with the highest stresses

Днище крышки цилиндра испытывает деформацию изгиба от действия температуры и внутреннего давления11. На рис. 8 приведены эпюры напряжений ay в перемычке между клапанами в продольном направлении (1) и по толщине днища (2) в наиболее нагруженном сечении ab. Растягивающие напряжения на охлаждаемой поверхности днища (ay = 84,1 МПа) близки по величине к сжимающим напряжениям (ay = -91,3 МПа). Это характерно для чистого изгиба.

Проведена оценка прочности днища крышки, изготовленной из высокопрочного чугуна ВЧ50. Условие прочности принималось в виде12

где <гэке - эквивалентные напряжения; ox , oy , oz - нормальные напряжения; Txy, Tyz, Txz - касательные напряжения; [а] - допускаемые напряжения.

11Костин А.К., Пугачев Б.П., Кочинев Ю.Ю. Работа дизелей в условиях эксплуатации: справочник. Л.: Машиностроение, 1989. 284 с. / Kostin A.K., Pugachev B.P., Kochinev Yu.Yu. Diesel engine functioning under operating conditions: a reference book. L.: Mechanical Engineering. Publ. 1989? 284 p.

12Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учебник для машиностроит. вузов. М.: Изд-во Наука, 1972. 544 с. / Feodosiev V.I. Resistance of materials. Moscow, Izd-vo Nauka. Publ. 1972, 544 p._

1

Рис. 8. Конечно-элементная модель (1) и эпюры напряжений oy в перемычке между клапанами в продольном направлении (2) и по толщине днища (3) Fig. 8. Finite element model (1) and stress distribution diagrams oy in the bridge between the valves in the longitudinal direction (2) and by bottom thickness (3)

На рис. 9 приведены эпюры эквивалентных напряжений в перемычке между клапанами. Линиями 1 и 2 представлены напряжения, вычисленные при температуре огневой поверхности, соответственно, 300 и 250°C. Снижение температуры на 50оС (17%) приводит к снижению напряжений на 24%. Столь значительное влияние температуры днища на ее напряженное состояние должно быть учтено при совершенствовании режимов охлаждения крышки. То есть осуществление мероприятий по снижению температуры огневого днища может привести к снижению напряжений в огневом днище и, соответственно, к снижению скорости развития трещин усталости и продлению срока службы крышек цилиндров.

Рис. 9. Конечно-элементная модель I и эпюры напряжений II оэкв в перемычке между клапанами: 1 - температура 300°C; 2 - температура 250°C; 3 - совместное действие температуры 300°C и давления в цилиндре 2,1 МПа; 4 - предел текучести чугуна ВЧ50 о0,2 = 320 МПа Fig. 9. Finite element model I and stress distribution diagrams II oekv in the bridge between the valves: 1 - temperature of 300°C; 2 - temperature of 250°C; 3 - combined action of temperature of 300°C and cylinder pressure of 2.1 MPa; 4 - yield strength of cast iron VCH50 o02 = 320 MPa

Линия 3 на рис. 9 представляет напряжения от совместного действия температуры 300°С и давления в цилиндре величиной 2,1 МПа. Как видно, увеличение напряжений от давления при этом незначительное. Линией 4 представлен предел текучести чугуна ВЧ50 ао,2 = 320 МПа.

Максимальные эквивалентные напряжения 304,2 МПа близки к пределу текучести материала а0,2 = 320 МПа. Поэтому возможно появление пластических деформаций, а с учетом концентрации напряжений в корне трещин пластическая деформация неизбежна.

В упомянутых работах 6,7[1] это доказано теоретически и подтверждено экспериментальными исследованиями напряженного состояния металла крышек цилиндров.

Показанное выше снижение напряженного состояния за счет снижения температуры цилиндровых крышек является реалистичным. Одним из решений такой задачи может быть установка в водяную систему дополнительного водяного насоса с приводом от электродвигателя, управляемого микроконтроллером. Подключение дополнительного насоса производится параллельно основному механическому насосу [4].

Данное техническое решение позволяет улучшить циркуляцию воды в системе охлаждения тепловозного дизеля независимо от нагрузок и способствует дополнительному отводу тепла от наиболее нагретых участков крышки цилиндра.

Выводы

1. В программном комплексе ANSYS разработана конечно-элементная модель и подпрограмма расчета напряженно-деформированного состояния крышки цилиндра тепловозного дизеля 5Д49, позволяющая рассчитать температурное поле в теле крышки при заданных значениях температуры в отдельных точках и на отдельных поверхностях, а также температурные напряжения в опасных сечениях огневого днища крышки.

2. Для случая средних значений температуры газов в цилиндре и средних значений суммарного коэффициента теплоотдачи выполнен расчет температурных полей в теле крышки цилиндра и напряжений сжатия, вызванных тепловым расширением металла, а также выполнен расчет дополнительных напряжений, обусловленных давлением газов в цилиндре; показано, что максимальные температурные напряжения возникают в перемычках днища между клапанами. Максимальные эквивалентные напряжения при этом близки к пределу текучести материала крышки цилиндра (высокопрочный чугун).

3. Исследованы напряжения в опасных сечениях огневого днища крышки от рабочего давления газов в цилиндре. Установлено, что эти напряжения на порядок ниже температурных напряжений.

4. Суммарные напряжения могут превышать предел текучести материала крышки. В результате материал пластически деформируется. Это приводит к возникновению растягивающих напряжений после остывания днища и появлению усталостных трещин после многократных запусков дизеля.

5. Показано, что уровень расчетных температур газов в цилиндре значительно влияет на напряжения в огневом днище, снижение расчетной температуры с 300 до 250оС приводит к снижению напряжений в огневом днище на 24%. То есть осуществление мероприятий по снижению температуры огневого днища может привести к снижению напряжений в металле с соответствующим продлением срока службы цилиндровых крышек тепловозных дизелей.

Библиографический список

1. Чайнов Н.Д. К расчету температурных напряжений в днище крышек цилиндров двигателей внутреннего сгорания // Известия ВУЗов. Машиностроение. М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 1970. № 5. С. 125-131.

2. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. М.: Изд-во МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2007. 472 с.

3. Коваленко, А.Д. Основы термоупругости. Киев: Изд-во Наукова Думка, 1970. 308 с.

4. Рябко Е.В. Усовершенствование системы охлаждения тепловозного дизеля с целью улучшения температурного состояния крышек цилиндров // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения, 2016. № 3 (36). С. 113-119.

1. Chajnov N.D. K raschetu temperaturnyh naprjazhenij v dnishhe kryshek cilindrov dvigatelej vnutrennego sgoranija [To temperature stresses calculation in cylinder head bottoms of internal combustion engines] Izvestija VUZov. Mashi-nostroenie. [Proceedings of Higher Educational Institutions. Machine-Building]. 1970, no. 5, pp. 125-131. (In Russian)

2. Kavtaradze R.Z. Lokal'nyj teploobmen v porshnevyh dvigateljah [Local heat transfer in piston engines]. Moscow, MGTU imeni N.E. Baumana, Publ. 2007, 472 p. (In Russian)

3. Kovalenko, A.D. Osnovy termouprugosti [Fundamentals of thermoelasticity]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1970, 308 p.

4. Rjabko E.V. Usovershenstvovanie sistemy ohlazhdenija teplovoznogo dizelja s celju uluchshenija temperaturnogo sostojanija kryshek cilindrov [Improvement of the diesel locomotive engine cooling system to refine temperature condition of cylinder heads]. Trudy Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshhenija [Proceedings of Rostov State Transport University]. 2016, no. 3 (36), pp. 113-119. (In Russian)

References

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Критерии авторства

Authorship criteria

Гущин А.М. предложил определить влияние температуры и внутреннего давления на напряжения в наиболее нагруженных участках крышки цилиндра тепловозного дизеля Д49. Тимохин Ю.В. разработал концепцию. Рябко Ю.В. осуществила подбор материала к данной работе и провела анализ исследований. Математическое решение принадлежит Савенкову В.Н., научный дизайн предложила Тимохи-на В.Ю. Ответственность за плагиат несут Гущин А.М. и Рябко Е.В.

Gushchin A.M. proposed to determine the influence of temperature and internal pressure on stresses in the most loaded sections of the cylinder head of the diesel locomotive D49. Timokhin Yu.V. has developed a concept. Ryabko Yu.V. selected the material for this work and conducted the analysis of researches. The mathematical solution has been developed by Savenkov V.N., the scientific design has been proposed by V.Yu. Timokhina. Gushchin A.M. and Ryabko Yu.V. bear the responsibility for plagiarism.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

Поступила 20.03.2017

The article was received 20 March 2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.