CC BY
74
УДК 621.43
ОЦЕНКА НИЗКОЧАСТОТНОГО ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТОНКОСТЕННОГО ПОРШНЯ ДВС
A.В. Белогуб, к.т.н., ОАО «АВТРАМАТ»,
B.А. Пылев, профессор, д.т.н., НТУ «ХПИ»
Аннотация. На примере поршня двигателя МеМЗ-2457 выполнено расчетное исследование и рассмотрены особенности температурного состояния тонкостенного поршня бензинового ДВС на стационарном режиме и в переходном процессе. Установлен уровень значений термоупругих напряжений и на этой основе оценена ресурсная прочность тонкостенного поршня по сравнению с массивным поршнем дизеля.
Ключевые слова: поршень, ресурсная прочность, термонапряженное состояние.
ОЦ1НКА НИЗЬКОЧАСТОТНОГО ТЕРМОНАПРУЖЕНОГО СТАНУ ТОНКОСТЕННОГО ПОРШНЯ ДВЗ
О.В. Бшогуб, к.т.н., ВАТ «АВТРАМАТ», В.О. Пильов, професор, д.т.н., НТУ «ХШ»
Анотаця. На прикладi поршня двигуна МеМЗ-2457 виконано розрахункове досл1дження та розглянуто особливостi температурного стану тонкосттного поршня бензинового ДВЗ на стацюнарному режимi та в перехiдному процеа. Встановлено рiвень значень термопружних напружень та на цт основi оцтено ресурсну мщтсть тонкосттного поршня у порiвняннi з масивним поршнем дизеля.
Ключов1 слова: поршень, ресурсна мщтсть, термопружний стан.
ESTIMATION OF THIN-WALLED ICE PISTON LOW-FREQUENCY THERMOSTRESSED STATE
A. Belogub, Candidate of Technical Science, OSSC «AVTRAMAT», V. Pylyov, Professor, Doctor of Technical Science, NTU «KhPI»
Abstract. On example of engine MeMZ-2457 piston there was carried out the design study and con-si-dered the properties of the thermal state of the thin-walled piston of the petrol ICE in the stationary mode and transition process. The level of thermal stresses values is determined and the resource durability of the thin-walled piston compared with the massive diesel engine piston is estimated on this basis.
Key words: piston, resource durability, temperature state and thermal stresses.
Введение
Поршень, являясь одной из основных ресур-соопределяющих деталей двигателей внутреннего сгорания (ДВС), постоянно находится в процессе совершенствования. При этом основное внимание исследователей уделяется разработке концепции проектирования и обеспечения ресурсной прочности мас-
сивных поршней дизельных ДВС. Однако в Украине и странах СНГ доля бензиновых двигателей превышает долю дизельных. Поэтому отечественный производитель поршней, ОАО «АВТРАМАТ», постоянно внедряет в производство новые конструкции тонкостенных поршней бензиновых ДВС, поставляя их как на первичный, так и на вторичный рынки Украины и других стран.
Важно, что тонкостенный поршень бензинового двигателя, вследствие специфических требований к нему, имеет значимые конструктивные особенности. В связи с этим актуальность работы состоит в развитии методов проектирования тонкостенного поршня, что позволяет решить сложную научно-техническую проблему обеспечения ресурса и повышения технического уровня
Двс.
Анализ публикаций
Методы прочностного анализа поршней ДВС базируются на результатах расчета температурного и напряженно-деформированного состояния конструкций с учетом наиболее тяжелых переходных процессов нагружения двигателя [1-3]. При этом известные расчетные методики низкочастотного термонапряженного состояния поршней ориентированы на последующее определение ресурсной прочности кромки камеры сгорания (КС), как наиболее термически нагруженной зоны массивного поршня [4-6]. При рассмотрении поршней бензиновых двигателей, вследствие их тонкостенности, большого разнообразия форм КС, существенно иных условий функционирования и неопределенности местоположения наиболее теплонапряженной зоны, известный подход является необоснованным. При этом исследования низкочастотного термонапряженного состояния тонкостенных поршней, аналогичные [1-6], практически не имели места.
Цель и постановка задач
Целью исследований является установление особенностей термонапряженности тонко -стенного поршня и на этой основе выполнение качественной оценки его ресурсной прочности относительно поршней дизелей.
Особенности конструкций тонкостенных поршней бензиновых двигателей требуют проведения расчетов низкочастотного температурного и напряженно-деформированного состояния детали в переходном процессе, отвечающем характерным тяжелым условиям эксплуатации двигателя. Этот подход предполагает решение задачи установления, начальным условием которой является температурное состояние детали на стационарном режиме. В связи с этим задачами исследования являются оценки температурного состоя-
ния тонкостенного поршня на стационарном режиме, термонапряженного состояния в переходном процессе и их сравнение с данными по теплонапряженности поршня дизеля.
Методика моделирования
Ввиду отсутствия данных о граничных условиях (ГУ) задачи теплопроводности тонкостенного поршня в условиях его низкочастотного теплового нагружения, последние предлагается изменять ступенчато, т.е. мгновенно, задавая их на основе информации по ГУ тех стационарных режимов, между которыми осуществляется переходный процесс. Учитывая завышенную тепловую напряженность конструкции при таком модельном ее нагружении [3], используемый подход позволяет выполнять оценки ресурсной прочности в соответствии с концепцией гарантированного ее обеспечения [6]. В связи с указанным в качестве модельного переходного процесса принят процесс наброса нагрузки от холостого хода до режима номинальной мощности двигателя.
Для достижения поставленной цели расчетное исследование проведено для конструктивного варианта поршня, результаты анализа которого могут быть обобщены. Рассмотрен поршень двигателя МеМЗ-2457, имеющий концентратор в КС. Это позволяет установить завышенный уровень теплонапряжен-ности конструкции относительно совокупности аналогов.
Результаты расчетов сравнивались с данными о теплонапряженности поршней дизелей 4ЧН12/14 с открытой КС и КС типа ЦНИДИ при их эффективной мощности 117 кВт и частоте вращения коленчатого вала (КВ) 2000 мин-1 [3]. При этом литровая мощность принятого для сравнения дизеля в два раза ниже, чем у двигателя МеМЗ-2457, а ресурсная прочность его поршней отличается более чем в 40 раз - в условиях многопрофильной эксплуатации трактора поршень с открытой КС гарантированно вырабатывает ресурс 10 тыс. часов, а с КС типа ЦНИДИ оказывается неработоспособным [2].
Результаты моделирования
Расчетное исследование выполнено в 3^ постановке. Конечноэлементная модель тонко-
стенного поршня представлена на рис. 1.
I
Рис. 1. Конечноэлементная модель тонкостенного поршня с концентратором в КС
Определение стационарного температурного состояния конструкции выполнялось на основе идентификации локальных по поверхностям ГУ. Использованы экспериментальные данные и результаты идентификации ГУ по двенадцати характерным зонам поверхности тонкостенного поршня [7].
Расчет рабочего процесса двигателя осуществлялся по методике и программе кафедры ДВС НТУ «ХПИ». Основные параметры расчетного режима представлены в табл. 1. По полученным параметрам цикла с использованием формулы Эйхельберга определены средние по поверхности КС мгновенные значения коэффициента теплоотдачи.
Расчет единичного цикла низкочастотного теплонапряженного состояния тонкостенного поршня выполнен на временной базе 120 с. Результаты расчетов для первых 25 с прогрева конструкции представлены на рис. 2. Установлено, что прогрев тонкостенного поршня осуществляется в 9-12 раз быстрее,
чем массивного дизельного. Этот факт определяет меньшую теплонапряженность тонкостенной конструкции в переходном процессе двигателя и, следовательно, более высокую ее ресурсную прочность.
Установлено, что температура поверхности КС тонкостенного поршня в зоне концентратора вблизи центра КС достигает уровня 230 °С, в зоне кромки КС - 214 °С, в зоне верхнего поршневого кольца (ПК) - 193 °С. Для работоспособного поршня дизеля с открытой КС эти величины соответственно равны 265 °С, 300 °С, 245 °С [3]. Для поршня с КС ЦНИДИ температура кромки камеры превышает 320 °С, в зоне верхнего ПК -220 °С [3]. Таким образом, в характерных зонах поршней теплонапряженность тонкостенного, несмотря на вдвое увеличенный уровень форсирования, является меньшей.
Температурный перепад по толщине днища поршня для всех рассмотренных конструкций одинаков и лежит в пределах 15-20 К.
Из рис. 2 видно, что низкочастотный прогрев поршня в различных характерных его зонах осуществляется практически синхронно. Это свидетельствует об отсутствии возможных забросов термических напряжений в процессе такого прогрева и является еще одним фактором повышенной ресурсной прочности конструкции.
Выполненные расчеты процесса установления термических напряжений подтвердили сказанное. В то же время известно, что забросы термических напряжений в зоне кромок КС дизелей относительно уровня этих напряжений на тяжелом стационарном режиме достигают величины напряжений этого стационарного режима [3, 4].
По результатам термонапряженного расчета установлено, что в зоне концентратора тонкостенного поршня термические напряжения достигают 2,4 МПа, в зоне кромки КС и на периферии огневого днища - 25 МПа, на стенке КС - 29 МПа. Эти значения не превышают термические напряжения, характерные для поршня дизельного двигателя с открытой КС. Наиболее высокий уровень напряжений для всех рассмотренных поршней достигает 70 МПа, но имеет место в зоне донышка поршня со стороны его масляного охлаждения. Таким образом, и по этому критерию ресурсная прочность тонкостенного поршня является более высокой.
Таблица 1 Основные параметры расчетного режима ДВС
Среднее эффективное давление, МПа 0,845
Эффективная мощность, кВт 44
Частота вращения КВ, мин-1 5000
Эффективный КПД 0,31
Удельный эффективный расход топлива, кг/кВт-ч 0,268
Рис. 2. Результаты расчета низкочастотного температурного состояния тонкостенного поршня
Выводы
В процессе анализа низкочастотного нагру-жения тонкостенного поршня бензинового ДВС установлены характерные особенности его теплового и напряженного состояния. Полученные результаты и обобщения свидетельствуют о правомерности исключения процедур оценки ресурсной прочности КС тонкостенных поршней бензиновых ДВС.
Литература
1. Шеховцов А.Ф. Метод расчетной оценки
термоусталостной прочности поршней ДВС / А.Ф. Шеховцов // Двигателе-строение. - 1979. - № 11. - С. 15-19.
2. Чайнов Н.Д. Оценка усталостной долго-
вечности поршня транспортного дизеля при циклическом нагружении / Н.Д. Чай-нов, А.В. Тимохин, А.Б. Иванченко // Двигателестроение. - 1991. - № 11. -С.14-15.
3. Шеховцов А. Ф. Процессы в перспектив-
ных дизелях / А.Ф. Шеховцов и др. -Харьков : Основа, 1992. - 352 с.
4. Чайнов Н.Д. Оценка долговечности поршней с учетом ползучести и усталости / Н.Д. Чайнов, А.В. Тимохин, А.А.
Сущинин // Вестник МГТУ. Серия «Машиностроение». - 1993. - № 2. - С. 95104.
5. Шеховцов А.Ф. Оценка накопленных повре-
ждений в поршнях быстроходных форсированных дизелей / А.Ф. Шеховцов, Ф.И. Абрамчук, А.А. Левтеров // Двигатели внутреннего сгорания. - Харьков : ХГПУ. - 1997. - Вып. 56-57. - С. 44-50.
6. Пильов В.О. Автоматизоване проектування поршшв швидкохщних дизелiв iз
заданим рiвнем тривало! мщност / В.О. Пильов. - Харьков : Издательский центр НТУ «ХПИ», 2001. - 332 с.
7. Белогуб А.В. Исследование температурного
поля поршня / А.В. Белогуб, А.А. Зотов и др. // Авiацiйно-космiчна техшка i тех-нолопя : зб. наук. праць. - Харюв : ХА1. - 2002. - Вип. 31. - С. 100-104.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
