3. Тепловые деформации блока цилиндров и их влияние на напряженное состояние коленчатого вала

Для повышения надежности коленчатого вала в эксплуата­ции определяют величины перемещения опор блока цилиндров дизеля, возникающие под воздействием неравномерно рас­пределенных по элементам корпуса блока цилиндров высоких температур, возникающих при его работе.

Измерения температурных полей и перемещения опор двух блоков цилиндров дизелей 5Д49 и 1 ОД 100 показали, что они значительно отличаются. Блоки двухтактных дизелей (1 ОД 100) со встречнодвижущимися поршнями имеют практически рав­номерный нагрев как по длине, так и по высоте блока с не­значительным (на 12—15°С) перегревом средней части блока по отношению к крайним его участкам.

У четырехтактных дизелей 5Д49 с V-образным расположе­нием цилиндров температура верхней части блока в местах

расположения крышек цилинд­ров, т. е. в зоне наибольшего нагрева блока, на 50—60°С выше, чем в нижней части бло­ка (рис. 9), что приводит к значительному перемещению опор коленчатого вала.

Номер отсека блокад

Рис. 9. Изменение температуры по­длине блока:

1 — в верхнем поясе; 2 — в нижнем по- ясе

В исследованиях, проведен­ных во ВНИИЖТе, эти вели­чины определялись на специ­альном стенде, где реализовы­вался режим нагрева блока, позволяющий получить темпе­ратурное поле, аналогичное полю реального двигателя (с гочки зрения разницы темпе­ратур). Этот стенд представ­ляет собой натурный блок цилиндров дизеля 5Д49, установлен­ный на поддизельную раму. В результате нагрева блоки ци­линдров нагревателями было установлено, что вследствие раз­личия температур верхнего, среднего и нижнего поясов возни­кает перемещение опор коленчатого вала, причем средние опо­ры перемещаются вверх относительно крайних. Общую кривиз­ну геометрической оси всех опор блока (линии вала) измеряли оптическими приборами с точностью до 0,003 мм. Температуру блока цилиндров измеряли до нагрева, после нагрева и после остывания блока. Причем измерения после нагрева блока про­изводились при установившемся температурном режиме, т. е. когда температуры в контрольных точках не изменялись в тече­ние 30 мин. Для получения средневзвешенных значений переме­щений опор блока при наибольшей разности температур, возни­кающих во время работы дизеля, измерение температур в конт­рольных точках выполняли 50 раз. При проведении эксперимен­та оценивалось также влияние затяжки болтов, крепящих блок с поддизельной рамой, на изменение положения линии колен­чатого вала до затяжки болтов и после их затяжки.

Значения перемещения опор можно также определить пу­тем получения эмпирических характеристик этих перемещений в зависимости от наибольшей разности температур.

Для получения зависимостей, характеризующих перемеще­ние опор, в функции наибольшей разницы температур эти ве­личины измерялись при разнице температур в пределах At= = 10+50° С и после измерения Д/=10°С. При этом учитывал­ся тот факт, что во время эксперимента контролируемый па­раметр (линия вала в блоке) подвергается воздействию ряда различных возмущающих факторов. Так, температура окру­жающей среды изменялась от 5 до 21°С, что влияло на ско­рость нагрева блока цилиндров, а среднее время измерения

несоосности опор достигало 20±3 мин, т. е. измерения явля­лись неточными. Поэтому полученные замеры при этом обра­батывались с учетом указанных переменных величин. Средневзвешенное значение перемещений опор

/=1

где сот — число замеров, в результате которых получено X_t; п — общее число измерений.

Средняя квадратичная ошибка измерения со.'

П

2 <*/ (X_t - Xf ,2 i=i

Средняя квадратичная ошибка средневзвешенного значения

°0 , /SM*!-*)⁸

V (л-1)2®| ’

где 2 принимается от i=l до п.

Результат измерения а=Х±а_х или а=Х±У X, где Ух — вероятная ошибка измерения; УХ=0,6745 о*.

Перемещения опор под коленчатый вал после нагрева бло­ка привели к значительным изменениям линии вала. Линия вала, характеризующая изменения абсолютных величин пере­мещения средних относительно крайних опор блока, не уста­новленного на поддизельную раму, показана на рис 10. При закреплении блока на поддизельной раме величины перемеще­ния опор блока при его нагреве уменьшаются в среднем на 20%, что целесообразно учитывать при эксплуатации этих ди­зелей. Изменения макрогеометрии сопряжения блок цилинд­ров — коленчатый вал дизеля 5Д49 повышают рабочие напря­жения в элементах коленчатого вала и в первую очередь в

расчетных сечениях щек.

1 2 3 4 5 Б 7 8 Э

Напер опоры

Рис. 10. Характер перемещения опор блока при его нагреве

Значения амплитудных на­пряжений при соосных и не­соосных опорах, соответству­ющих температурным дефор­мациям блока цилиндров, при­ведены в табл. 5.

Амплитудные напряжения в расчетных сечениях щек вслед­ствие возникновения темпера­турных деформаций блока зна­чительно возрастают. На­ибольшее увеличение напряже- 22

Параметры				№ колена
	1	2	з	4	5	6		7	8
Напряжения в рас­четных сечениях, МПа: при соосных опо­	44	22,4	21,3	24,9	33	21		15,3	19,7
рах	23,7	15,4	5Г"	39"	24,9	21,7		20,9	14,4
при несоосных опорах: от температурных	50,5	33,3	22,9	35,3	42,9	27,6		39,2	47,9
деформаций блока	43,7	18,9	40,8	39,0	29,4	42,9		37,6	15,2
от температурных	44,6	24,0	27,8	39,6	39,0	30,3		49,8	31,3
деформаций блока, из­	24,6	15,1	35,6	38,0	46,1	49,5		25,7	30,0
носа трущихся поверх­ностей вала, подшип­ников Запасы прочности: при соосных опо­	1,8	3,5	2,9	2,7	1,9	3,0		3,3	4,2
рах	3,8	4,3	3,0	1,9	2,6	2,8		3,4	4,8
при несоосности	1,7	2,5	3,0	2,1	1,7	2,4		2,0	1,8
опор вала от темпера­	2,0	3,9	1,9	1,8	2,4	1,8		2,0	4,2
турных деформаций блока

Примечание. В числителе—левая сторона колена, в знаменателе—правая.

пий возникает в крайних коленах. Это объясняется особенностя­ми температурных деформаций блока цилиндров дизеля 5Д49. Такое перераспределение напряжений вызывает снижение за­паса прочности коленчатого вала от исходного уровня.

Приведенный расчетный запас прочности получен в предпо­ложении, что исходный блок перед нагревом имел соосные опоры. В действительности блоки цилиндров, поступающие в эксплуатацию, имеют различные сочетания несоосности и часто превышают заданную несоосность, что приводит к дополни­тельным перегрузкам вала.

Приведенные перегрузки, возникающие в отдельных случа­ях, достигают значительных величин. Так, в левой щеке чет­вертого колена напряжения увеличиваются на 14,7 МПа, в правой щеке шестого колена — на 27,8 МПа, в левой щеке седьмого колена — на 34,5 МПа. Запасы прочности четвертого и пятого колена в этом случае fie превышают п—1,9. Минималь­ный запас прочности возникает в правой и левой щеке соответст­венно шестого и седьмого колена — «min=l,6.

Безаварийная работа коленчатого вала обеспечивается при достаточном запасе прочности, заложенном при изготовлении дизеля с учетом изменения условий работы вала, возникаю­щих в эксплуатации и выражающихся в увеличении несоосно­сти опор и общей кривизны линии вала.

Опыт эксплуатации дизелей 1 ОД 100 позволил установить, что запас прочности, обеспечивающий безотказную эксплуата-

№ колена	Расчетный запас прочности коленчатого вала дизеля 10Д100		колена		Расчетный запас прочности коленчатого вала дизеля ЮД100
	Опоры соосны	Суммарная несо- осность опор			Опоры соосны	Суммарная несо- осность опор
1	2,2/3,2	2,2/2,7		6		3,3/2,9	2,9/2,7
2	3,5/3,3	3,4/3,2		7		3,2/3,2	2,9/2,2
3	3,3/3,2	3,0/3,0		8		2,9/2,9	2,7/1,8
4	3,3/3,7	3,2/3,2		9		3,5/3,2	3,7/3,2
5	2,9/2,7	2,9/2,6		10		4,0/3,7	1,9/3,3

Примечание. В числителе —левая сторона колена, в знаменателе—правая.

дию дизелей, должен быть не менее 1,7—1,8 с учетом отме­ченных параметров. Расчеты коленчатого вала этого дизеля с учетом тепловых деформаций и изменения линии вала, кото­рые возникают в эксплуатации, показывают, что самый низкий запас прочности, который может иметь место в условиях нор­мальной эксплуатации этого дизеля, может быть 1,8 (табл. 6).

Расчеты коленчатых валов с учетом изменения макрогео­метрии линии вала, возникающей вследствие температурных деформаций блока цилиндров, дают возможность обоснованно определять минимально допустимые запасы прочности колен­чатых валов и разрабатывать нормы их содержания в эксплуа­тации.