книги из ГПНТБ / Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей

Система канонических уравнений восьмицилиндрового рядного двигателя (рис. 24, а—е) имеет вид

Xj=1

Ъ)

47

Коэффициенты а и е, как и в предыдущем случае, определяются по формулам

Решив систему уравнений на ЭЦВМ, найдем моменты, дей­ ствующие на опорных лапах блока:

Х гаІ

Ма 2 ’

M6 = {X1 -\-X2) ^ r -,

MB= (Ji + Z + X3) ^ - ;

М ^ і Х . + Хь + Х з + х 4) - |'- - 4 - .

Для перехода к абсолютным величинам моментов необходимо полученные значения умножить на величину вектора инерцион­ ных сил Р.

При наличии противовесов на коленчатом валу в системе уравнений коэффициенты при неизвестных не изменяются, при­

ходится вновь найти только грузовые коэффициенты Д1р, Д2р. . .

в связи с изменением внешней нагрузки, учитывающей горизон­ тальные составляющие сил инерции противовесов.

Таким образом, подобная методика расчета номинального уровня напряжений в опорных лапах блока, не имеющего фунда­ ментной рамы, позволяет быстро провести расчет при наличии противовесов и без них, а следовательно, оценить эффективность их применения с точки зрения снижения напряженности нижней части блока.

Запас прочности сварных соединений остова

■Запас прочности сварных соединений остова следует вычислять по формуле, рекомендуемой С. В. Серенсеном [39]:

48

еа — масштабный фактор для сварных соединений;

ß— коэффициент, учитывающий влияние эффекта упрочнения на усталостную прочность соедине­

ния; ка —-коэффициент концентрации напряжений в свар­

ном соединении (табл. 3); Фа — коэффициент, характеризующий влияние асим­

метрии цикла на сопротивление усталости; для рассматриваемого случая его значение может быть принято равным 0,25.

3. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений для сварных соединений

П р и м е ч а н и е . М атериал изделия — стань СтЗ.

Сварные соединения рассчитывают по сварному шву или ос­ новному металлу в местах перехода к сварным швам в зависимости от категории ответственности шва. Практически в остове дизеля все ответственные швы отвечают требованиям I или II категории ответственности, которые строго регламентируют как внешние, так и внутренние дефекты; поэтому расчет выполняют по основ­ ному металлу в местах перехода к сварным швам (по переходной зоне).

При оценке запасов прочности, вычисленных на основании расчетных данных по напряженности блока, следует считать допустимыми значения запаса прочности п ^ 1,8. Указанное значение запаса прочности позволяет компенсировать погрешности расчета, рассеивание пределов выносливости для сварных соеди­ нений, а также влияние факторов, которые невозможно оценить или предусмотреть заранее: деформацию элементов блока от предварительной затяжки болтов (или шпилек) крепления крышки цилиндра к блоку, вызывающую постоянную составляющую напря-

50

Жений; остаточные напряжения после термообработки конструк­ ции [26].

В зоне высоких напряжений сварное соединение, если оно там необходимо, должно быть выполнено с минимальным коэффи­ циентом концентрации напряжений. Принимая величину послед­ него ka = 2 (с учетом возможных отступлений в неравномерности распределения напряжений), а запас прочности /?.т1п = 1,8, най­ дем соответствующий номинальный уровень напряжений:

Следовательно, максимально допустимый номинальный уро­ вень напряжений для сварных соединений блоков

стнон = 2or« 5,4 кгс/мм2.

Следует отметить, что формула (1) годна для расчета соеди­ нений, не прошедших термообработку после сварки. Поэтому при использовании указанной формулы для расчета блоков, которые проходят обязательную термообработку, получают несколько заниженные запасы прочности. Однако, учитывая производствен­ ные условия, трудность контроля большого количества швов и в результате этого вероятность пропуска внешних дефектов, поль­ зоваться данной формулой можно.

Эффективным средством снижения максимальной концентрации напряжений в сварном соединении и повышения запаса прочности является применение поверхностного упрочнения переходной зоны методом пневматического наклепа или наклепа дробью по заданному режиму. По данным проведенных усталостных испы­ таний сварных образцов предел выносливости при этом повышается на 20—25%.

При использовании упрочнения дробью необходимо следить за составом дроби, не допуская содержания большого количе­ ства осколков (не более 20%). Поэтому следует применять дробь, изготовленную из стали, и непрерывно ее сепарировать.

Для предварительной оценки уровня напряженности остова от сил давления газов можно также рекомендовать отношение

где Fmn — минимальная площадь сечения отсека.

Как показывает опыт, эта (условная) величина довольно точно характеризует, общее напряженное состояние остова и колеблется для различных несущих конструкции в следующих пределах:

Фактические напряжения в стойках блока будут ниже за счет влияния присоединенной жесткости соседних отсеков.

Представленный диапазон изменения напряжений согласуется с допустимым уровнем номинальных напряжений, определенных выше.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ И ПРОЧНОСТИ БЛОКОВ ЦИЛИНДРОВ

);Из-за трудности оценки фактического сопротивления разру­ шениям сварных соединений, применяемых в элементах остова, при конкретной технологии изготовления приходится проводить значительное количество экспериментальных исследований, ко­ торые помогают установить особенности распределения и величины максимальных напряжений в элементах блока цилиндров после его изготовления, монтажа и при работе на двигателе; определять предельные характеристики прочности по фактическому разру­ шению отдельных составных элементов, а также конструкции в целом (с выявлением ослабленных мест) при повышенном уровне испытательных нагрузок, приложенных по схеме основных уси­ лий в работающем блоке.

При исследовании напряжений широко используют метод электротензометрирования, включающий использование прово­ лочных датчиков сопротивления разных базовых размеров, уси­ лительную и регистрирующую аппаратуру.

I При исследовании статических напряжений, возникающих в блоке цилиндров, замеряют остаточные (внутренние) напряже­ ния, обусловленные принятым способом изготовления, и началь­ ные напряжения в элементах блока, вызванные заданными уси­ лиями затяжки болтовых соединений в процессе монтажа узлов при сборке двигателя.

Измерение остаточных напряжений приобретает особое значе­ ние при переходе на сварные конструкции блоков. Наибольшие напряжения после сварки в такой сложной и жесткой конструкции, как блок, часто достигают предела текучести применяемог о ма­ териала.

При исследовании остаточных напряжений методом тензометрирования в отличие от измерений других напряжений тре­ буется разрезать испытываемую деталь. Это обусловлено .самоуравновешенностью внутренних усилий и необходимостью разрезов для проявления их действия в виде деформаций освобождаемого участка с наклеенными на нем тензодатчиками.

Так как процесс испытаний при определении остаточных напряжений идет от нагруженного состояния к разгруженному, то после разрезки и измерения датчиками разности относитель­ ных деформаций их величины подставляют в формулы для под­ счета напряжений с обратным знаком.

52

Вынужденная разрезка элементов вносит значительные ослож­ нения в проведение опыта, предъявляет дополнительные требо­ вания к его выполнению. Прежде всего увеличивается время между началом отсчета и окончательным измерением показаний тензо­ датчиков, что требует применения аппаратуры, не имеющей за­ метного ухода («дрейфа») нуля в течение нескольких часов (при включенном состоянии со стабилизацией напряжения питания). В выполненных работах хорошо зарекомендовала себя тензоаппаратура датской фирмы Брюль и Къер на 20 и 50 измерительных точек с независимой балансировкой каналов и непосредственным отсчетом показаний в масштабе относительных деформаций. Погрешность измерений статических напряжений при пользо­ вании этой аппаратурой обычно не превышает 2,5—3%.

Для устранения возможных погрешностей при определении остаточных (внутренних) напряжений необходимо исключать повышенный нагрев (выше 80—90° С) мест расположения тензо­ датчиков при разрезке, а также возможность появления пласти­ ческих деформаций на поверхностях элемента от усилия резания или закрепления.

При вырезке элементов с тензодатчиками из готового блока успешно применяется известный способ разделения, который заключается в последовательном сверлении ряда близко располо­ женных отверстий (диаметром 4—5 мм) по контуру элемента. Практически для полного упругого освобождения элемента до­ статочно его отделить по трем сторонам. Протяженность разрезов по основным направлениям измерения должна, быть достаточной для размещения не менее трех баз применяемых датчиков.

Проведенные измерения на сварных блоках судовых и тепло­ возных дизелей с коренными опорами подвесного типа показали, что обнаружение остаточных напряжений, превышающих 1000 кгс/см2, должно являться серьезным основанием для анализа процесса термообработки и возможного увеличения максимальной температуры нагрева или времени выдержки.

При неудовлетворительном режиме термообработки из-за высо­ ких остаточных напряжений происходит снижение усталостной прочности сварных соединений и изменение геометрии блока при длительной его работе в результате релаксации напряжений по времени. Данный вывод подтвержден результатами эксплуатации.

Наиболее эффективным методом оценки надежности сварного блока является проведение натурных усталостных испытаний, которые, помимо решения практических задач создания блока, позволяют при необходимости уточнить принятую схему расчета.

Выявить достаточность запасов прочности блоков с учетом влияния вероятностных дефектов, характерных для сварных конструкций серийного производства, по испытаниям небольшого -(единичного) количества образцов можно только при натурных усталостных испытаниях при нагружении усилиями, значительно превышающими рабочие усилия в двигателе. Соответствие схем

53

Нагружения остова при испытаниях на усталостном стенде И Hâ двигателе должно контролироваться методом тензометрирования.

На КТЗ иа основании анализа существующих схем нагруже­ ния был разработан новый метод испытания с помощью силовых цилиндров. Этот метод обеспечи­

межуточных и торцовых стоек (при испытании торцовых отсеков). Для создания переменного давления, измерения усилий и ком* пенсации утечек используются соответствующие агрегаты испы­

тательной машины ЦДМ-200 т ПУ.

54

ПОРШЕНЬ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ПОРШНЕЙ ДИЗЕЛЕЙ КОЛОМЕНСКОГО ТЕПЛОВОЗОСТРОИТЕЛЬНОГО ЗАВОДА ИМ. В. В. КУЙБЫШЕВА

Для удовлетворения разнообразных потребностей народного хозяйства на КТЗ в течение 60-х годов был создан ряд модифи­ каций дизелей трех типов: ДН 23/30, ЧН 30/38 и ЧН 26/26. Обла­ дая оригинальными конструктивными компоновками, эти дизели имеют прогрессивные показатели по удельным массам, габарит­ ным размерам, экономичности и моторесурсу.

Поршни дизелей ДН 23/30

Двухтактные тепловозные дизели с газотурбинным наддувом

имеют составные поршни со вставками, которые интенсивно охлаж­ даются взбалтываемым маслом.

■ В начале серийного производства этих дизелей головки поршня изготовлялись из высокопрочного чугуна, юбки поршня — из серого чугуна СЧ 24 — 44 и вставки — из алюминиевого сплава АК—6.

В первый период эксплуатации дизелей 16ДН 23/30, которая началась раньше, чемэксплуатация дизелей 12Д 23/30, наблю­ далось появление трещин на днище головки поршня и разруше­ ния перемычек юбки поршня.

В головках поршня были отмечены трещины двух видов: в районе сопряжения конической части днища с опорным кольцом на наружной стороне и в центральной части с внутренней стороны (рис. 26). Трещины первого вида характерны для усталостных разрушений, второго —■для разрушений, вызываемых цикли­ ческими температурными воздействиями. Очагом разрушения перемычек, соединяющих опорное кольцо с цилиндрической частью тронка, во всех случаях является место поверхности, где радиус перехода г = 3 мм.

Проверка формы сопрягаемых поверхностей показала, что в головке и вставке после 2500 ч работы неплоскостность достигает

56