научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПРИ ВИБРАЦИОННОЙ КАВИТАЦИИ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПРИ ВИБРАЦИОННОЙ КАВИТАЦИИ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЦИЛИНДРОВЫХ ВТУЛОК ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПРИ ВИБРАЦИОННОЙ КАВИТАЦИИ

Изложен метод расчетно-экспериментальной оценки надежности цилиндровых втулок двигателя внутреннего сгорания, подвергающихся кавитационно-эрозионно-му воздействию со стороны охлаждающей жидкости. Борьба с эрозией втулок высоко- и среднеоборотных двигателей до сих пор не потеряла актуальности, так как ресурс втулок по кавитационной эрозии примерно в четыре раза меньше ресурса по износу "зеркала" и детали выбраковываются по предельно-допустимым глубинам эрозионных раковин на водоохлаждаемой поверхности. Методика оценки долговечности втулок предполагает последовательное определение их амплитудно-частотных характеристик, аккумуляционного периода накопления повреждений, наибольшей скорости эрозии и по кинетической зависимости изнашивания - оценку их долговечности к моменту достижения раковинами глубины, составляющей 75% от толщины стенки втулки. На примере двигателя 24 8,5/11 показана удовлетворительная корреляция между экспериментальными данными и результатами эксплуатации двигателя в натурных условиях.

Водоохлаждаемые поверхности втулок и блоков цилиндров высоко- и среднеоборотных двигателей (ВОД и СОД) подвергаются локальным разрушениям (гидроэрозии) в виде скоплений раковин в плоскости качания шатуна или в виде канавок в зазорах между втулкой и блоком в верхней части детали (разновидность щелевой эрозии). Повреждения в средней части втулки связаны с так называемой вибрационной кавитацией, т.е. с образованием и последующим замыканием (продавливанием) парогазовых полостей охлаждающей жидкостью, динамически воздействующей на поверхность втулок в виде кумулятивных струек. Щелевая эрозия в узкостях и сопряжениях инициирует возникновение фреттинг-коррозии, а также возникновение трещин под опорным буртом втулок. Это является одной из причин отрыва части бурта от втулки.

В зависимости от конструкции втулок, рабочих характеристик и условий эксплуатации двигателей скорость роста кавитационно-эрозионных раковин может изменяться в очень широком диапазоне от 0,05 до 10 мкм/ч [1-5]. Во многих случаях выбраковка цилиндровых втулок проводится по критической глубине эрозионных раковин на водоохлаждаемой поверхности, а не по износу внутренней стороны, так называемого "зеркала" цилиндра.

В настоящее время проблема борьбы с кавигационно-эрозионными разрушениями деталей ВОД и СОД еще далека до своего окончательного решения. Это обусловлено высокой степенью сложности и многообразием процессов вибрационной кавитации и эрозии деталей двигателей, отсутствием достоверных физических и математических моделей кавитационно-эрозионного разрушения материалов и конкретных деталей и, как следствие, ограниченностью имеющихся расчетных методов оперативной оценки (ресурса) деталей при гидроэрозии.

В настоящее время оценку кавитационно-эрозионной стойкости втулок проводят в основном по статистическим данным, извлекаемым из ремонтных ведомостей и актов

6 8 10 т„ • 10-2, ч

200 300 500 8 10 20

80 100 140 200 Так, мин

Рис. 1. Зависимость максимальной скорости эрозии от периода Так, когда износ отсутствует; Vmax = const^ г/Т.ш

Рис. 2. Зависимость максимальной скорости эрозии образцов из стали 0Х14НДЛ (3), Бр. "Новостон" (4), титана (а), а также меди (1) и стали 05 кп (2) (•) от аккумуляционного периода Тж при испытании на вибраторе (5) в пресной воде при изменении выходной мощности в пределах от 100 до 330 Вт.

освидетельствования состояния деталей при разборках двигателей. Для более активного влияния на негативные последствия вибрационной кавитации в двигателях требуется проведение стендовых испытаний и создание методов расчета долговечности деталей при кавитационной эрозии [5].

В усовершенствованной методике оценки долговечности цилиндровых втулок двигателей внутреннего сгорания (ДВС) алгоритм расчета состоит из пяти операций, благодаря которым последовательно определяются следующие характеристики.

1. Амплитуда вибрации втулки А, как разность между наибольшей амплитудой Атах при динамическом воздействии боковой силы при ударе поршня P и амплитудой

статического отклонения втулки Аст при воздействии силы P в статике [2], т.е.

А = Адин - Лл- мкм.

2. Напряжение (МПа), возникающее в материале втулки при вибрационных нагруз-

ках с амплитудой А [5] о = 180А ' при А < 5 мкм; о = 7,5А + 335 при А > 5 мкм. Формулы получены в результате обработки данных К.М. Прис [6].

3. Продолжительность аккумуляционного периода Так, когда износ отсутствует; по кривым поверхностной усталости чугуна и стали 38ХМЮА, заранее построенным по результатам испытаний образцов на магнитострикционном вибраторе (МСВ) при постоянной частоте /св и различных амплитудах колебаний концентратора

Так = кТ(так)МСВ/К/ , где К/ - коэффициент, равный отношению частоты свободных

колебаний втулки исследуемого двигателя к частоте свободных колебаний втулки двигателя, принятого за эталон; к,- - коэффициент, равный отношению Так на кинетической кривой кавитационно-эрозионного изнашивания эталонного ДВС к (так)МСВ, определенного при испытании образцов из материала втулки на МСВ. При эталонном двигателе Ч 15/18 к, = 858/42 = 19 [5].

4. Наибольшая скорость изнашивания umax определяется (геометрически) по кинетической кривой кавитационной эрозии как тангенс угла наклона прямолинейного участка кривой изнашивания к оси времени. Необходимая для расчетов долговечности втулок зависимость V э от аккумуляционного периода Так показана на рис. 1.

5. Долговечность втулки Т, равная периоду эксплуатации ДВС, в течение которого наибольшая глубина эрозионных раковин на водоохлаждаемой поверхности достигнет 75% от толщины втулки в зоне наибольших эрозионных повреждений

где [h] - допускаемая глубина эрозионных раковин, равная 3/4 от толщины стенки втулки hB; кт - коэффициент, учитывающий полный период времени, по истечении которого

глубина раковины становится наибольшей (hmax) и эрозия прекращается.

Анализ кинетических кривых эрозии деталей в условиях эксплуатации показывает, что при вибрационной и гидродинамической кавитации кт = 2,0, а Тср = (5, 3, . 6)так [7].

Если в формуле (4) принять кт = 1, то запас по износу увеличится, так как [h] уменьшится примерно на 25, . 50% (с 0,75 до 0,6, . 0,5) от толщины стенки втулки hB.

В табл. 1 приведены расчеты долговечности цилиндровых втулок ДВС семи размерностей по усовершенствованной схеме, реализованной в столбцах 2, 5 и 6. За эталон для сравнения принят двигатель 3Д6 при исходных данных: hв = 6,5 мм; материал втулки -сталь 38ХМЮА: частота свободных колебаний /св = 1250 Гц; амплитуда колебаний Адин = 41,5 мкм и ACT = 36,4 мкм [1-3].

Обоснованность использования степенной зависимости т°™

1/(аотн)5,5 в столбце 2 (табл. 1) подтверждена результатами теоретических [4, 8] и экспериментальных [9, 10] исследований. Введение коэффициента к з в формулу для определения тдк1- (стол-

бец 5) вызвано необходимостью учета твердости материала втулок HV C420/HV стали 38ХМЮ A = 0,7 при кубической зависимости эрозионной стойкости от твердости материалов [7]. Определение скорости эрозии Vj1™

1/т^, в столбце 6 (табл. 1) обосновано результатами обработки опытных данных (рис. 1; const1 2) при испытании на вибраторе С420 (1 - 682) и стали 38ХМЮА (2 - 1800), а также результатами анализа многочисленных зависимостей V э от так при испытании на МСВ сталей различных классов, цветных металлов, бронз и латуней, приведенных на рис. 2.

Значения долговечности Т в табл. 1 удовлетворительно согласуются с ресурсами втулок в условиях эксплуатации, в частности, с ресурсом втулок двигателя 3Д6, равным 5150 ч, что составляет примерно две навигации на внутренних водных путях России.

Результаты испытаний на МСВ образцов из стали, четырех марок бронзы, меди и титана, показанные на рис. 3-5, сведены в табл. 2.

Несмотря на существенные различия в условиях испытаний материалов, данные, приведенные в 6 столбце табл. 1 и в 1-2 столбцах табл. 2, указывают на существование кубической зависимости

V этах = const/т3к, (2)

что позволяет определить долговечность деталей при кавитационной эрозии, а также провести сравнительную оценку поведения материалов в одинаковых условиях изнаши-

вания, т.е. по относительным значениям (V э ) сравниваемых материалов определить относительную продолжительность по формуле

отн r,x7max4 ота 3 Так = [(V э ) ] .

,T.max .отн ,T.max w,T.max4 отн .

где (Vэ ) = (Vэ )/(Vэ )э, и так = так/такэ; индексы i и э относятся к исследуемому и эталонному материалам соответственно.

о, in со, in о, ЧО

К ^ e + I IS lN II О О II О + S 2 3 lN о со со IN II ЧО + m о • t- Оч СМ 00 tIN II t- + m S 00 • ЧО lN о in in II ^00 Л in 00 + m о ^ч °П • СЛ ci lN 00 IN со II ^СО Л о t- + m о ^ 00 IN IN II ''ч Л СЛ со + m О 0ч со СЛ IN 00 II + m S3 С • el 00, 0ч а\ СМ

const cn rt О о CD CD CD CD CD

II £ Ё о * ЧО о о, с^ oo, 5 00 <N 00 ЧО IN ri

щ p I Яз F у 5 о о II о о 5 ЧО II Оч 5 О О II о 00 5 00 II 00 5 00 3 о II 3 о 5 О 3 II ON О 00 II

H 3 ЧО о" ЧО о" ЧО CD о. ЧО CD

X EC о щ p И 1-H P II 3 p о О II о, CD 00 5 00 о 5 о II <з 00 5 00 о II 00, о' oo 5 00 00 5 00 II о, 00 5 00 3 о II (N 00 5 00 О О 00 II 5 О, CD 00 5 00 II С- CD ОО 5 00

И сл оо о 00 IN IN in с^ г-

H к-Г II II II II II II

щ H О <N О 1 о in СО ^ (N О 1 о а\ in IN IN О 1 о СО in СО \ IN о, О 1 о о in О IN ^^ 100 in | 0^ ^ 1 й ЧО \

и A - W D ^ e 00 | со г- t- сгЗсл Г7СО in Г- CO 1 со itKo in Г- со 1 со £п0о О СО 1 00 <N СО) 1 О

О pq И in 00 3 Si o" 00 Si о ГЧ 00 о с^ с^ (N о с^ с^ IN

№ линий й n ft s <N 3 5 ЧО

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎