CC BY
59
УДК 621.436
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ РЕСУРСНОЇ МІЦНОСТІ ПОРШНІВ ПЕРСПЕКТИВНИХ ВИСОКОФОРСОВАНИХ ДИЗЕЛІВ
В.Т. Турчин, аспірант, В.О. Пильов, професор, д.т.н, НТУ «ХІII» Л.П. Шевченко, професор, д.т.н., ХДТУБіА
Анотація. Для забезпечення ресурсної міцності поршнів перспективних високофор-сованих дизелів виконано конструктивну оптимізацію положення порожнини охолодження в тілі поршня. Обґрунтовано умови використання порожнини охолодження та здійснено пошук її оптимального положення.
Ключові слова: поршень, тракторний дизель, ресурсна міцність, порожнина охолодження.
Вступ
Розвиток сучасних дизельних двигунів нерозривно пов’язаний зі зростанням рівня їх форсування з одночасним збереженням або зменшенням ма-согабаритних показників. При цьому суттєво підвищується температура та термічні напруження в деталях камери згоряння, зокрема, поршня. Слід враховувати, що рівень термічних напружень в поршні перевищує ті, що викликані механічним навантаженням у 2-3 рази [1]. При цьому забезпечення оптимального рівня температур в поршні при перспективному форсуванні дизеля є важливим етапом конструювання сучасних двигунів. Саме цей рівень в першу чергу і визначає ресурсну міцність поршнів. При цьому виникає необхідність проведення оптимізаційних багатофак-торних досліджень за критерієм ресурсної міцності поршня щодо обраної моделі експлуатації дизеля.
Аналіз публікацій
Ефективним засобом зниження температур поршня є використання галерейного охолодження [1-5]. В [3] визначається вплив тиску масла на коефіцієнт тепловіддачі. В [4] розглядається вплив витрати масла через порожнину на коефіцієнт тепловіддачі та температурний стан поршня при одночасному врахуванні втрат масла через вхідний та вихідний канали. Ряд авторів, наприклад [5], розглядає вплив на температурний стан поршня положення або форми порожнини.
Мета та постановка задачі
Використання галерейного охолодження поршня є ефективним засобом забезпечення ресурсної міцності поршня. Але слід враховувати, що при підвищеній температурі стінок у маслі виникає
швидке утворення смол, асфальтенів та інших важких з’єднань. Тому розгляд положення порожнини збільшує кількість часткових критеріїв якості конструкції, що впливають на ресурсну міцність поршня. Метою роботи є визначення впливу положення порожнини охолодження на значення критерію ресурсної міцності поршня для різних рівнів форсування двигуна.
В роботі пропонуються такі задачі:
1) виконати оптимізацію положення порожнини, визначити граничний рівень форсування тракторного двигуна сільськогосподарського призначення;
2) визначити фактори, що є впливовими на ресурсну міцність поршня.
Результати розв’язання задачі та їх аналіз
Задача вирішувалась шляхом виконання комплексу чисельних експериментів. Проведено оптимі-зацію положення порожнини охолодження в тілі поршня тракторного дизеля типу 4ЧН12/14 при фіксованому значенні коефіцієнта тепловіддачі в порожнині а = 2,5 кВт/(м2К) для рівнів форсування двигуна N = 16 + 28 кВт/л. Порожнина охолодження прямокутного поперечного перерізу розмірами 10^15 мм (Ш*В).
Оцінку якості конструкції виконано з використанням функції бажаності Харрінгтона [2, 6, 7]
Ат
(1)
ё, = ,1
ехр[-ехр(1,5-0,01,1)], ,1 <0,9,опт
0,8 , 0,9,опт < ,1 < ,опт ; (2)
ехр[-ехр(0,099 -31,24)], , > ,оПТ
ёд = ехр[-ехр(0,195Д,!-2 - 7,16)]; (3)
ё, = ,3
1 -80• (1 -,^,гр)2, ,3 <0,9,гр
0,8 , 0,9,гр < ,3 < ,Гр
1 - 2000 • (1 - ,3/,^ , ,3 > ,гр
(4)
ёя =
1 - 80 • (1 -,я/,гр )2, ,3 < 0,9,гр
0,9,гр < І я < ¿гр
(5)
1 - 2000 • (1 - ,п/,гр, ,3 > ,гр
де ,1 - температура поршня в зоні кромки камери згоряння (КЗ),°С; Д,1-2- теплоперепад температур між кромкою КЗ та периферійною зоною вогневої поверхні донця поршня, °С; ,3 - температура поршня в зоні верхнього поршневого кільця (ПК), °С; їп - температура в порожнині охолодження, °С; , - гранична температура використання певного сорту масла; ё, ёд, ё, ёя -
безрозмірні критерії (часткові функції бажаності) теплонапруженості поршня.
Тут критерії ёч та ё,2 визначають рівень ресурсної міцності кромки КЗ поршня, Р=10000 год.; ё,3 - припустимий рівень температур в зоні ПК,
ёя - припустимий рівень температур в порожнині охолодження. Відповідно до [2] Атерм > 0,63
визначає двостороннє обмеження на використання критерію.
Розрахунок температур в характерних зонах виконано за допомогою регіонально- структурного методу.
Пошук оптимального положення порожнини охолодження Атемп ^ 1 виконано методом симплекс планування [2]. Графічне використання методу подано на рис. 1. Початкова точка симплексу знаходиться на діаметрі 80 мм та глибині 13 мм від донця поршня.
Результати оцінки пошуку оптимального положення порожнини залежно від температурного стану наведено в табл. 1 та на рис. 2.
З рис. 2 видно, що розташування порожнини нижче на 4 мм від початкової точки симплексу найбільш ефективне.
х.^мм
т.1
т.4 )>-4
Рис. 1. Графічна інтерпретація пошуку оптимального положення порожнини охолодження методом симплекс-планування
Таблиця 1 Бажаність положення порожнини охолодження
2
№ Ил, кВт/л Положення порожнини в тілі поршня
розр. т. 0 т. 1 т. 2 т. 3 т. 4 т. 5 т. 6
1 16 0,216 0,205 0,205 0,173 0,091 0,091 0,091
2 18 0,554 0,527 0,582 0,580 0,551 0,545 0,467
3 20 0,787 0,767 0,793 0,783 0,768 0,766 0,735
4 22 0,887 0,875 0,891 0,885 0,880 0,878 0,862
5 24 0,292 0,782 0,790 0,899 0,924 0,914 0,908
6 26 0,240 0,278 0,177 0,226 0,205 0,274 0,293
7 28 0,093 0,093 0,092 0,091 0,089 0,084 0,084
Рис. 2. Бажаність положення порожнини охолодження: т.0 - т. 6 - положення порожнини в тілі поршня
а б
Рис. 3. Оптимальне положення порожнини охолодження: а - при різних рівнях форсування; б - діапазон доцільності використання порожнини
З рис. За видно, що при різних рівнях форсування двигуна існує різне оптимальне положення порожнини. Однак не усі положення забезпечують ресурсну міцність. З рис. Зб видно, що використання порожнини для тракторного дизеля 44H12/14 доцільно при форсуванні двигуна 2325,5 кВт/л. Тут на рис. 3б номери точок відповідають номерам розрахунків за табл. 1.
Висновки
1. Виконано оптимізацію положення порожнини охолодження з використанням функції бажаності при різних рівнях форсування Nj . Встановлено, що положення порожнини змінюється в залежності від Nj , з суттєвим впливом на критерій ресурсної міцності поршня.
2. Ш підставі чотирикритеріальної оцінки теп-лонапруженості поршня встановлено, що в діапазоні рівнів форсування Nj =16-28 кВт/л узагальнена бажаність Демп як критерій ресурсної міцності поршня змінюється в широкому діапазоні: зростає від 0,2 (16кВт/л) до 0,92(24 кВт/л) та з подальшим зниженням до 0,093 (28 кВт/л). Граничним рівнем забезпечення ресурсної міцності при Р=10000 є Nj = 25,5 кВт/л
3. Подальший напрямок робіт пов’ язаний із забезпеченням ресурсної міцності поршня дизеля 44H12/14 при Nj > 25,5 кВт/л.
Література
Харків: Видавничий центр НТУ «ХПІ»,
2001. - 332с.
3. Абрамчук Ф.И., Юрченко А.И., Балачко А.Н.
Влияние гидродинамики и характеристик масла на теплоотдачу при циркуляционном охлаждении поршнем // Двигатели внутр. сгорания. - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2002. -Вып.1. - С. 35-36.
4. Hidehiko Kajiwara, Yukihoro Fujioka, Tatsuya
Suzuki, Hideo Negishi. An analytical approach for prediction of piston temperature distribution in diesel engines // JSAE. - Tokyo, Japan. -
2002. - P. 429-434.
5. Лазарев Е.А., Иваненко Н.А., Перлов М.Л.,
Бондарев А.А. Напряженно-деформированное и тепловое состояние охлаждаемого поршня тракторного дизеля при различном расположении поперечного сечения полости охлаждения // Двигателестроение. - 1989. -№2. - С. 7-10.
6. Турчин В.Т., Пильов В.О., Вікторов В.С. Удо-
сконалення часткових функцій бажаності при оцінці теплонапруженого стану поршня транспортного дизеля // Вестник НТУ «ХПИ». - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2006. -Вып. 26. - С. 204-207.
7. Пильов В.О. Шеховцов А.Ф., Турчин В.Т., Вік-
торов В.С., Просяник О.В. / Підвищення ефективності методу конструктивної опти-мізації поршня ДВЗ за сукупністю критеріїв його термонапруженості // Двигатели внутр. сгорания. - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2004. -Вып. 2. - С. 122-125.
1. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. - М.:
Машиностроение, 1977. - 216 с.
2. Пильов В.О. Автоматизоване проектування
поршнів швидкохідних дизелів із заданим рівнем тривалої міцності: Монографія. -
Рецензент: Ф.І. Aбрамчук, професор, д.т.н.
ХHAДУ.
Стаття надійшла до редакції 17 січня 2007 р.
