Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Машиноведение

Диссертационная работа:

Гоц Александр Николаевич. Научные основы расчета и ускоренных испытаний деталей кривошипно-шатунного механизма тракторных дизелей на стадии проектирования : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.02.02 : Владимир, 2004 362 c. РГБ ОД, 71:05-5/388

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 9

1. Повышение точности и достоверности расчетов деталей ДВС на

стадии проектирования 17

  1. Обеспечение достоверности расчетов деталей на стадии проектирования 17

  2. Характеристика эксплуатационных режимов работы тракторных дизелей 22

  3. Влияние на долговечность деталей ДВС неустановившихся режимов работы 26

  4. Эксплуатационная надежность и анализ причин отказов деталей КШМ 32

  1. Причины и виды разрушения коленчатых валов 32

  2. Обеспечение надежности демпферов крутильных колебаний 36

1.5. Обзор работ по расчету основных деталей ДВС 43

  1. Исследование напряженно-деформированного состояния коленчатых валов поршневых двигателей 43

  2. Обзор работ по исследованиям концентрации напряжений в коленчатых валах 55

  3. Обзор работ по методам расчета демпферов крутильных колебаний 60

  4. Обзор работ по прогнозированию усталостной долговечности коленчатых валов 64

  5. Краткий обзор работ по использованию конечно-элементных моделей 70

  6. Анализ существующих методов ускоренных испытаний деталей ДВС на долговечность 71

1.6. Основные задачи исследования 73

Разработка моделей силового нагружения и усталостного разру
шения при расчете деталей ДВС 77

2.1 Моделирование внешних скоростных характеристик

двигателей насталий проектирования 77

2.2. Моделирование регуляторных характеристик дизелей

на стадии проектирования 90

2.3. Моделирование показателей цикла двигателя на стадии
проектирования по внешней скоростной или регулятор-

ной характеристике 96

2.4. Аналитическое определение нагрузок на детали КТТТМ

на неустановившихся режимах 106

  1. Модели усталостного разрушения при многоосном (многокомпонентном) напряженном состоянии 109

  2. Анализ конструктивных параметров коленчатых валов

ДВС 116

2.7. Математические модели коэффициентов, необходимых
при расчетах усталостной долговечности коленчатых

валов ДВС 122

  1. Эмпирические зависимости для определения коэффициентов концентрации напряжений в галтели при переходе от щеки в шейку 123

  2. Математические модели коэффициентов, учитывающих концентрацию и неравномерность распределения напряжений в шейках коленчатых валов 130

  3. Определение коэффициентов, учитывающих влияние абсолютных размеров детали 133

  4. Определение коэффициентов, учитывающих состояние поверхности 135

  5. Определение коэффициентов, учитывающих влияние постоянной составляющей цикла напряжений 136

4
2.7.6. Оценка достоверности коэффициентов связи в приве
денных математических моделях 148

2.8. Выводы по главе 150

Демпфирование крутильных колебаний коленчатых валов ДВС... 152

  1. Исследование крутильных систем автомобильных и тракторных двигателей 153

  2. Методика расчета вынужденных колебаний в многомассовой крутильной системе коленчатого вала ДВС от полного спектра крутящего момента 157

  1. Разработка математических моделей для расчета крутильных колебаний 157

  2. Методика и алгоритм расчета набегающего крутящего момента ДВС 165

  3. Выбор оптимального коэффициента демпфирования и коэффициента жесткости упругого слоя демпферов внутреннего трения 171

  1. Методика расчета вынужденных колебаний в многомассовой крутильной системе коленчатого вала ДВС с демпфером 176

  2. Методика расчета приведенной двухмассовой системы коленчатого вала ДВС 183

  3. Расчет конструктивных параметров демпферов крутильных колебаний 192

  1. Определение демпфирующих свойств и коэффициента жесткости резинового слоя 192

  2. Определение вязкости силиконовой жидкости при изменении градиента скорости сдвига и температуры 201

  3. Расчет параметров демпферов крутильных колебаний внутреннего трения 206

  4. Расчет оптимального момента трения жидкостного демпфера 213

5 3.5.5. Расчет параметров жидкостных демпферов крутильных

колебаний 216

  1. Определение демпфирующих и жесткостных характеристик резинового слоя демпфера внутреннего трения.. 225

  2. Экспресс-метод оценки параметров жидкостных демпферов крутильных колебаний 232

3.8. Выводы по главе 236

Методики расчета на усталостную прочность коленчатых валов

ДВС на стадии проектирования 238

  1. Определение приведенной изгибной жесткости кривошипа коленчатого вала ДВС 239

  2. Определение моментов, действующих в опорных сечениях коленчатых валов 247

  3. Определение нагрузок, действующих на КПІМ 252

  4. Определения запасов прочности в элементах коленчатого вала при циклическом нагружении 260

  1. Расчет щек 260

  2. Проверка адекватности предлагаемого метода расчета

щек 265

4.4.3. Расчет шеек коленчатого вала 273

  1. Расчет коренных шеек 273

  2. Расчет шатунных шеек 276

  1. Сравнение предложенного метода расчета коленчатого вала ДВС с расчетами МКЭ по разрезной и неразрезной схемам 279

  2. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 290

4.7. Выводы по главе 295

Методика расчетов долговечности деталей кривошипно-
шатунного механизма и их ускоренные испытания 296

  1. Определение долговечности демпферов крутильных колебаний 296

  2. Прогнозирования долговечности демпферов на стадии

проектирования 300

  1. Ускоренный метод оценки долговечности демпферов крутильных колебаний 302

  2. Оценка усталостной долговечности коленчатых валов на стадии проектирования 312

  1. Оценка усталостной долговечности на основе модифицированной гипотезы Кортена- Долана 312

  2. Вероятностный метод расчета долговечности коленчатого вала 317

5.5. Экспериментальные исследования долговечности колен
чатого вала 319

  1. Прогнозирования долговечности коленчатого вала по результатам усталостных испытаний 319

  2. Результаты усталостных испытаний коленчатого вала дизеля Д-144 и их анализ 324

5.6. Выводы по главе 326

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 328

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 331

ПРИЛОЖЕНИЯ 363

Сокращения

КПІМ - кривошипно-шатунный механизм;

KB - коленчатый вал;

ДЖ - демпфер жидкостный;

ДВТ - демпфер внутреннего трения;

ВСХ - внешняя скоростная характеристика;

РХ - регуляторная характеристика;

УИ - ускоренные испытания;

ММ - математические модели;

ГУ - граничные условия;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

ККН - коэффициент концентрации напряжений;

МКЭ - метод конечных элементов;

КЭ - конечный элемент.

Основные условные обозначения

ст. і - предел выносливости при симметричном цикле при изгибе;

т.! - предел выносливости при симметричном цикле при кручении;

со - предел выносливости при пульсирующем цикле;

от - предел текучести;

ств - предел прочности;

о, - интенсивность напряжений;

Сі - главное напряжение;

D - диаметр цилиндра двигателя;

R - радиус кривошипа двигателя;

dfaa - диаметр коренной шейки коленчатого вала;

dinui - диаметр шатунной шейки коленчатого вала;

Ъ - ширина щеки коленчатого вала;

h - толщина щеки коленчатого вала;

г - радиус галтели при переходе от шейки к щеке коленчатого вала;

а - диаметр масляного отверстия в шейке коленчатого вала;

т|о - динамическая вязкость при температуре 20 С;

/о - момент инерции маховика демпфера;

С0)1 - коэффициент жесткости резинового слоя демпфера;

Wp - среднее значение рассеиваемой энергии в момент потери эффективности

образца демпфера;

jVq - среднее число циклов до разрушения при знакопеременной нагрузке в

точке перелома усталостной кривой;

Сит - параметры элемента конструкции, зависящие от материала, технологии

изготовления и ряда других факторов.

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Непрерывный рост удельных мощностей ДВС приводит к существенному возрастанию нагрузок на их детали. В свою очередь, жесткая конкуренция на рынке вызывает необходимость непрерывного совершенствования конструкции поршневых двигателей и, соответственно, ускорения проектирования и освоения в производстве новых моделей двигателей.

Сказанное исключает возможность использования традиционного подхода к разработке конструкции ДВС состоящего из последовательных этапов проектирования, изготовления двух-трех серий опытных образцов и их длительных стендовых и эксплуатационных испытаний, в том числе ресурсных в составе машин, для которых они предназначены. Достижение требуемых показателей в короткие сроки сегодня возможно только при совмещении этапов и сокращении их длительности, а также при обеспечении требуемой долговечности на стадии проектирования. Последняя задача всегда была актуальной, однако ее успешное решение в области ДВС не достигалось и отработка конструкции длилась в течение нескольких лет, в том числе, на стадии производства. Это явилось следствием многих причин, в том числе недостаточной изученности физических явлений, вызывающих возникновение эксплуатационных отказов. Соответственно недостаточно эффективно использовалось (и используется) на стадиях выбора и реализации технических решений математическое моделирование, позволяющее совершенствовать критерии и методы расчета на долговечность наиболее нагруженных деталей, осуществлять оптимизацию конструкции по определяющим факторам, а после изготовления опытных образцов использовать для оценки долговечности ускоренные испытания.

Обеспечения требуемой долговечности деталей на стадии проектирования является актуальной проблемой, успешное решение которой в значительной мере определяет возможность сокращения сроков разработки и освоение в производстве новых моделей дизелей.

Цель и задачи исследования. Цель исследования - теоретическое обоснование новых методов, повышающих достоверность расчетов на долговечность деталей, составляющих крутильно-колеблющуюся систему быстроходных тракторных дизелей, а также создание нормативной базы их ускоренных испытаний.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

теоретически обосновать методы оптимизации параметров демпферов крутильных колебаний жидкостных и внутреннего трения;

разработать методику расчета деталей ДВС при регулярном и нерегулярном нагружениях;

выполнить необходимый комплекс экспериментальных исследований для подтверждения достоверности предлагаемых методик расчета;

разработать новые методы ускоренных испытаний и средства для их реализации ДЖ, ДВТ и KB на основе созданных моделей разрушения.

Выполнению работ по данной тематике способствовала финансовая поддержка Министерства образования и науки Российской Федерации в виде трех грантов по фундаментальным исследованиям в области технических наук (1997-2002 гг.).

Научная новизна. Предложен новый подход к построению схематизированных диаграмм предельных нормальных и касательных напряжений. Обоснована новая детерминированная модель усталостной долговечности при регулярном нагружении. Получены эмпирические формулы корректирующих коэффициентов для определения теоретических коэффициентов концентрации напряжений при изгибе и кручении KB при расчете его на усталостную долговечность во всем диапазоне изменения конструктивных параметров. Разработан новый метод расчета коленчатого вала с учетом упругой податливости и несоосности опор, а также влияния крутильных колебаний. Модифицирована де-

терминированная модель усталостной долговечности деталей при нерегулярном нагружении.

Предложены методы расчета на прочность резинового слоя ДВТ, новый способ определения его жесткостных и демпфирующих характеристик и технические устройства для его реализации. Сформулирована целевая функция для определения максимума рассеивающей энергии и, соответственно, оптимального затухания колебаний в демпферах жидкостных и внутреннего трения. Теоретически обоснованы методы расчета конструктивных параметров демпферов в многомассовой крутильно-колеблющейся системе и на этой основе разработаны новые алгоритмы и программы расчета на ЭВМ демпферов крутильных колебаний и коленчатых валов с использованием гипотезы накопления повреждений и модифицированной детерминированной модели усталостной долговечности при действии знакопеременных нагрузок.

Выявлены закономерности ускорения процесса потери надежности в зависимости от ужесточения режима испытаний, теоретически обоснованы методы ускоренных испытаний ДЖ, ДВТ и КВ.

Достоверность и обоснованность полученных научных результатов обусловливаются:

использованием общих уравнений механики твердого тела, гидродинамики, теплофизики, термодинамики, а также их соответствием выявленным особенностям реальных процессов;

применением поверенных и аттестованных измерительных приборов, оборудования, действующих стандартов РФ, типовых методик и опыта проведения экспериментальных исследований в области прочности;

подтверждением расчетных результатов экспериментальными.

Практическая ценность. Разработанные математические модели, алгоритмы и программы расчета по выбору оптимальных с точки зрения рассеяния энергии размеров ДЖ и ДВТ, KB, методы и технические средства для их ускоренных испытаний позволяют обеспечивать на стадии проектирования ДВС за-

12 данные показатели долговечности при одновременном сокращении сроков разработки конструкций новых моделей быстроходных тракторных дизелей. На защиту выносятся:

эмпирические зависимости для определения теоретических коэффициентов концентрации напряжений в расчетных сечениях KB;

схематизированные диаграммы для расчета на прочность деталей КШМ при переменных напряжениях и детерминированная модель усталостной долговечности при сложном напряженном состоянии и регулярном нагружении;

научные основы конструирования жидкостных и внутреннего трения демпферов крутильных колебаний в приведенной многомассовой крутильно-колеблющейся системе;

общие методы исследования напряженно-деформированного состояния и расчета коэффициентов запаса прочности коленчатого вала ДВС с учетом несоосности и упругой податливости опор для регулярного нагружения;

модифицированный метод прогнозирования долговечности деталей КШМ с учетом нерегулярного нагружения;

методы ускоренных испытаний на долговечность KB, жидкостных и внутреннего трения демпферов крутильных колебаний;

технические решения, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на разработанные конструкции, устройства и способы ускоренных испытаний.

Реализация результатов работы. Результаты исследований вошли в состав ГОСТов, ОСТов, отраслевых руководящих документов, разработанных в 1983-90 гг. применительно к деталям, узлам и двигателям в целом (ГОСТ 24377-80, ГОСТ 18509-88, ОСТ 23.1.128-84, ОСТ 23.1.129-84, ОСТ 23.3.60-89 и др.), а также применены при проектировании, предназначенных к массовому выпуску дизелей 44 10,5/12 (Д-144), 64 10,5/12 (Д-160), 84Н 15/16 (8ДВТ-330), 44Н 13/14 (Д-440), 64Н 13/14 (Д-460), 64 13/14 (A-OIM), 84Н 16,5/17 (А90ТК),

13 6ЧН 10,5/12 (ГАЗ), 6ЧН 12/14 (СМД-31), 6ЧН 11/12 (Д-260Т), а также бензиновых двигателей ЗМЗ 406.10.

Теоретические основы расчета деталей КШМ и оценки их долговечности на стадии проектирования составляют базу лекционных курсов и лабораторных работ по дисциплинам «Динамика ДВС», «Конструирование ДВС», «Численные методы расчета в энергомашиностроении» с 1993 года. Программы расчета на ЭВМ используются при выполнении курсового и дипломного проектирования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

на всесоюзных научно-технических конференциях: «Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем» (Калуга, филиал МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1989); «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СССР» (Саратов, Саратовский институт механизации сельского хозяйства, 1990); «Проблемы прочности двигателей» (Москва, Институт проблем механики АН СССР, 1990);

на международных научно-технических конференциях и семинарах: «Мо-тор-симпо-88» (ЧССР, 1988); «Автоматизация, конструирование и проектирование технологических процессов в машиностроении» (НРБ, Пловдив, 1989); «Дизельные двигатели - 89» (НРБ, Варна, 1989); «Мотор-симпо-90» (ЧССР, 1990); «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС» (Владимир, 1989, 1991, 1993, 1995, 1997, 1999, 2001); «Пути совершенствования технической эксплуатации и ремонта машин АТК» (Владимир, ВлГУ, 1997, 1999); «Двигатель-97» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997); «Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития» (Москва, МАДИ (ТУ), 2000); «Актуальные проблемы управлением качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств» (Владимир, ВлГУ, 2002, 2004); «Транспорт, екология - устойчиво развитие» (Болгария, Варна, 1998,

#

*

14 1999, 2000, 2001, 2002, 2003); «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей» (Владимир, 2003).

Публикации. Основные положения и содержание диссертации опубликованы в 126 работах, в числе которых 2 государственных, 2 отраслевых стандарта, 5 отраслевых руководящих документов, а также 15 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (305 наименований) и приложений. Общий объем -359 с, основного текста - 327 с, 118 рисунков и 58 таблиц.

Содержание работы

В первой главе определены и проанализированы актуальные задачи, которые должны быть решены при разработке моделей долговечности деталей ДВС и методов их ускоренных испытаний. Показано, что для разработки достоверных методов оценки долговечности деталей КПІМ необходимо детальное исследование эксплуатационных режимов работы двигателей, без чего невозможно создавать новые математические модели, а также формировать режимы ускоренных безмоторных и стендовых моторных испытаний.

Известно, что при выполнении машинно-тракторным агрегатом сельскохозяйственных, трелевочных или других видов работ тракторные двигатели большую часть времени эксплуатируются на неустановившихся режимах, а степень неравномерности нагрузки колеблется от 0,12 до 0,55. На неустановившихся режимах ускорение коленчатого вала дизеля достигают значений 150...200 рад-с , что приводит к существенному отклонению его показателей от значений на установившихся режимах. При этом максимальная скорость нарастания давления в цилиндре значительно возрастает по сравнению с установившимися режимами, что при одной и той же суммарной силе (от давления газов и сил инерции) создает в деталях различные напряжения. Для определения нагрузок в любой момент времени переходного процесса необходимо знать изменение по времени (или по углу поворота коленчатого вала) индикаторное

#

И '

15 давление, что позволяет построить полярные диаграммы нагрузок на детали

КШМ. Сформулированы задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке новых методик определения нагрузок, которые будут действовать на детали КШМ при неустановившихся режимах. С целью уточнения методик расчета, кроме того, разработаны: модели для определения вязкости силиконовой жидкости в зависимости от температуры и градиента скорости сдвига, коэффициента жесткости резинового слоя при изменении температуры для ДВТ, ММ для расчета коэффициентов, используемых при определении усталостной долговечности деталей ДВС, новые схематизированные диаграммы и детерминированная модель усталостной долговечности для расчета при переменных напряжениях.

Третья глава посвящена научным основам конструирования демпферов крутильных колебаний (жидкостных и внутреннего трения) в приведенной многомассовой крутильно-колеблющейся системе коленчатого вала двигателя от полного спектра крутящего момента. В ней описаны прикладные алгоритмы, а также программы расчетов параметров демпферов жидкостных и внутреннего трения для снижения уровня крутильных колебаний.

На стадии проектирования двигателя предложены приближенные значения приведенных коэффициента жесткости Сф одного кривошипа коленчатого вала, момента инерции одной моторной массы /,и момента инерции маховика

Четвертая глава посвящена исследованию НДС и расчету на выносливость KB при многоцикловом нагружении на стадии проектирования.

Для учета влияния нагрузок от соседних кривошипов с помощью уравнений механики, реальный кривошип заменяется фиктивной балкой переменного сечения, изгибная жесткость которой равна действительной. Далее балка переменного сечения заменяется балкой постоянного сечения, а различие в жестко-

стях различных участков учитывается за счет приложенных фиктивных поперечных сил и моментов.

В пятой главе приведены разработанные методы прогнозирования долговечности демпферов крутильных колебаний и KB, а также методики ускоренных испытаний. Рассмотрены также технические средства для обеспечения ускоренных испытаний.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты выполненных исследований.

Успешное решение сложной задачи, являющейся новой для отечественного двигателестроения, определила творческая деятельность группы исследователей с участием автора на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» Владимирского государственного университета под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, д. т. н., профессора В.В. Эфроса.

Подобные работы
Блинов Дмитрий Сергеевич
Разработка научно-методических основ расчета и проектирования планетарных роликовинтовых механизмов, имеющих многочисленные избыточные связи
Михайлов Юрий Клавдиевич
Основы теории, методы расчета и проектирования муфт с упругими элементами из эластомерных материалов.
Воячек Игорь Иванович
Обеспечение качества неподвижных соединений на основе интеграционной системы конструкторско-технологического проектирования
Бритвин Лев Николаевич
Разработка научных основ построения, расчета и применения многофункциональных объемных насосных агрегатов
Борисенков Валерий Андреевич
Разработка уточненного метода расчета цилиндрической эвольвентной передачи на прочность на основе решения пространственной задачи теории упругости
Лавровский Сергей Дмитриевич
Методы расчета и испытаний зубчатых передач с учетом переменной концентрации нагрузки
Отрадный Вячеслав Васильевич
Повышение точности расчетов на прочность деталей машин и механизмов, подвергнутых дозированному деформированию
Самошкин Сергей Львович
Разработка методов проектирования, расчета и испытаний приводов вагонных генераторов и создание на их основе типового ряда генераторно-приводных установок пассажирских вагонов
Никишин Вячеслав Николаевич
Формирование и обеспечение показателей качества автомобильных дизелей на стадии их проектирования и доводки
Поляков Владимир Константинович
Теоретические основы расчета и проектирования высокоскоростных гребнечесальных машин для хлопка

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net