Библиографическое описание:

Марьина Н. Л., Овчинникова Е. В. Обзор опубликованных работ по методам повышения работоспособности элементов КШМ высокофорсированных дизелей // Молодой ученый. — 2015. — №21.2. — С. 35-38.

Обзор опубликованных работ по методам повышения работоспособности элементов КШМ высокофорсированных дизелей

 

Принимая во внимание, что при эксплуатации в поверхностных слоях вы- соконагруженных деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ) действуют большие рабочие динамические напряжения, представляется целесообразным рассмотреть опубликованные ли­тературные источники, в которых отражены итоги предшествующего развития и современное состояние расчетных и экспериментальных методов оценки ди­намической напряженности КШМ, гидродинамики подшипников скольжения, технологические методы обеспечения и повышения их работоспособности, а также достигнутые результаты от применения этих методов при проектирова­нии и производстве высокофорсированных дизелей.

Для разработки технологических методов повышения работоспособности шатунов комбинированных дизелей необходимо располагать напряженно-деформированным состоянием их рабочих поверхностей. По квазистатическому расчету напряжений в поверхностях шатунов стационарных [11], тепловоз­ных [1], судовых [1], авиационных [3] и автотракторных двигателей в отечест­венной литературе рекомендована схема, предложенная проф. Р.С. Кинасошвили с упрощающими допущениями. Большая разница между расчетными и экспериментальными величинами напряжений, показанная в ра­ботах В.Ю. Вахтеля [2], В.А. Шляхтова [12] и др., подтверждает, что расчетная схема по методу Р.С. Кинасошвили практически не пригодна для расчета напряженного состояния поверхностей шатунов комбинированных высокофорсированных дизелей.

В последнее время большое количество исследований, среди которых видное место занимают работы ЛКИ, ЦНИДИ, разработки японских и финских специалистов, работы ряда авторов посвящены применению метода конечных элемен­тов (МКЭ) в расчете шатунов. В теоретическом плане внедрение МКЭ как од­ного из мощных средств решения задач теории упругости позволяет рассчиты­вать напряжения, деформации и тепловое состояние деталей любой формы и конфигурации в упругой и упруго-пластической областях.

Измерению и отработке методики определения статических и динамиче­ских напряжений на наружных поверхностях шатунов стационарных дизелей посвящена работа С.С. Носова [9]. В результате анализа и сравнения данных расчетов и экспериментов автор пришел к выводу, «что экспериментальные ис­следования напряженного состояния элементов шатунов должны проводиться только в динамическом режиме, т.е. на работающем двигателе, так как экспе­рименты показали существенную разницу в напряженном состоянии статиче­ски и динамически нагруженных шатунов».

В числе важнейших задач машиностроения на современном этапе являет­ся повышение долговечности дизелей, их эффективности и конкурентоспособ­ности на мировом рынке. Ограничением на пути увеличения усталостной дол­говечности деталей являются наличие конструктивных и технологических кон­центраторов напряжений в виде переходных поверхностей. Уменьшение коэффициента концентрации напряжений достигается использованием упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД) [7, 8]. Установ­лено, что упрочнение отверстий и галтелей обеспечивает равнопрочность дета­лей, что создает одинаковый ресурс дета­ли. Упрочнение деталей методами ППД базируется на закономерностях упру­гопластического деформирования поверхностного слоя твердым телом. Меха­низм упрочнения в результате упругопластической деформации поверхностно­го слоя рассмотрим на примере динамического упрочнения детали шаром.

Рис. 1. Схема упругопластических деформаций поверхностного слоя де­тали при ППД:

εу - относительная упругая деформация; εр - относительная пла­стическая деформация

При динамическом нагружении твердого шара силой Р вначале происхо­дит упругая деформация металла (рис. 1, линия ОА). Касательные напряже­ния, возникающие при этом, смещают атомы в кристаллической решетке. Когда касательные напряжения превысят некоторое критическое значение, произой­дет смещение атомов без разрушения. Они займут новое положение устойчиво­го равновесия, т.е. произойдет упругопластическая деформация (рис. 1, линия АБ). После снятия нагрузки (рис. 1, линия БВ) атомы не вернутся в исходное положение, и в металле останется отпечаток шара диаметром d (рис. 2). Глу­бина распространения пластической деформации ≈l,5d, а диаметр зоны пла­стической деформации ≈2d. При многократном динамическом воздействии шара диаметр отпечатка увеличивается по затухающей кривой, после 15...20 ударов возрастает до 50% и в дальнейшем практически не изменяется. Ударное упрочнение определяется энергией удара и скоростью деформирования.

Рис. 2. Схема контактной зоны и пластических деформаций при ППД

шариком с применением СОЖ

Основной механизм упрочнения ППД заключается в лавинообразном развитии дислокаций, скапливающихся вблизи линии сдвигов, и последующей их остановке перед различными препятствиями.

В первый момент происходит дробление зерен на блоки и образуется мозаическая структура. Далее, из-за развития сдвигов по плоскостям скольжения образуются новые, более мелкие зерна. Кристаллы, теряя первоначальную форму, сплющиваются и вытягивают­ся в направлении деформирования, формируется волокнистая структура с ани­зотропными свойствами. Пластическое деформирование сталей со структурой мартенсита закалки сопровождается частичным превращением остаточного ау­стенита в мартенсит с увеличением удельного объема. При неправильно вы­бранных «завышенных» режимах упрочнения может произойти перенаклеп ме­талла. Последний проявляется в образовании микротрещин, снижении остаточ­ных напряжений сжатия, увеличении шероховатости. Перенаклеп снижает экс­плуатационные свойства деталей, которые не поддаются восстановлению тер­мообработкой.

Создание высокофорсированных дизелей обусловило резкое повышение среднего эффективного давления до 2,46 МПа, а максимальное давление цикла возросло до 14,3... 14,8 МПа, что увеличивает напряженность на наружных по­верхностях шатунов. В связи с этим большое значение приобретают вопросы более достоверного установления данных по расчетным нагрузкам и допускае­мым напряжениям с учетом динамики нагружения. Представляет интерес также изыскание метода обоснованной оценки дополнительного динамического на­гружения как с количественной, так и с качественной стороны. В опубликован­ной литературе имеется более позднее ограниченное количество работ по рас­четно-экспериментальному определению динамики нагружения КШМ [4].

В плане повышения работоспособности элементов КШМ технологиче­скими методами, например, гидродробеструйной обработкой, имеется ряд пуб­ликаций [4], [5], [6], раскрывающих механизм динамики виброударного нагру­жения образцов-свидетелей при поверхностном пластическом деформировании. Анализ указанных работ доказывает, что при виброударном нагружении по­верхностного слоя детали во время ГДО имеется количественная и качествен­ная взаимосвязь между основными критериями ППД- остаточными напряже­ниями и динамикой нагружения. Вместе с тем, следует отметить, что требуется углубленное изучение причинно-следственной связи между указанными пара­метрами в поверхностном слое детали после ГДО и последующая корректиров­ка в связи с этим прогнозируемого ресурса и работоспособности упрочняемых деталей.

В последнее время [9, 10] вопросам образования начальных технологи­ческих остаточных напряжений, возникающих в результате пластических де­формаций и объемных изменений материала по сечению детали при обработке, уделяется первостепенное внимание. При этом полученные результаты имеют важное практическое значение при оценке влияния поверхностного наклепа на эксплуатационные показатели и точные параметры деталей. При ППД в тонких поверхностных слоях происходят изменения, зависящие от способа и режима упрочняющей обработки. При этом стабилизация физико-механических параметров поверхностного слоя перераспределение начальных и остаточных напряжений с образованием эпюр, присущих только поверхностному наклепу, эквивалентно снятию и приложению внутренних сил от начальных остаточных напряжений. Суммируясь с внутренними силами, вносимыми упрочняющей обработкой, оно приводит к формоизменению детали отличному от того, которое имеет место в случае, когда остаточные напряжения в поверхностном слое отсутствуют

 

Литература:

1.  Василевский Б.И. Дискретная модель и граничные условия в расчете шатуна методом коечных элементов/ ЦНИДИ, С-Пб: 1977, №259.

2.  Вахтель В.Ю. Исследование напряжений в шатуне// Тракторы и сельхозмашины/ М: №7, 1962, с. 10-13.

3.  Кинасошвили Р.С. Расчет прочности шатунов авиационных двигателей/ М: ЦИАМ, 1945, вып. 66, с. 3-69.

4.  Косырев С.П. Элементы систем информационного мониторинга управления напряженно-деформированным состоянием шатунов форсированных дизелей/ С.П. Косырев, Н.Л. Марьина// Ст. Оскол, ТНТ, 2014, 190с

5.  Марьина Н.Л. Комплексный критерий для оценки виброударного разрушения при поверхностном пластическом деформировании шатунов/ UA. Тернополь, 2012.с.118-121.

6.  Марьина Н.Л. Исследование концентрации напряжений в кривошипной головке шатуна форсированного дизеля// Н.Л. Марьина, А.Э. Марьин/ Польша, Гданьск: Diamondtredingtour. 2012.C. 30-37.

7.  Кузнецов Н.Д. Технологические методы повышения надежности деталей машин//Н.Д. Кузнецов, В.И. Волков, В.И. Цейтлен/ М: Машиностроение, 1993, 304 с.

8.  Петросов В.В. Гидродробеструйный способ упрочнения деталей машин// М: 1962, с. 138-154.

9.  Носов С.С. Статическая и динамическая прочность элементов шатуна. С-Пб: ЦНИДИ, 1958, вып. 31, с.61-107.

10.  Серенсен С.В. Несущая способность и расчет деталей на прочность. М: Машиностроение, 1985, 488с.

11.  Цветков В.Т. Двигатели внутреннего сгорания. Харьков: 1960, 656с.

12.  Шляхтов В.А. Исследование напряжений в шатуне быстроходного судового дизеля 64НСП 12/14 при действии статической нагрузки. ЛИВТ: 1972, вып. 133, с.29-34.

Основные термины: высокофорсированных дизелей, повышения работоспособности, повышения работоспособности элементов, работоспособности элементов КШМ, остаточных напряжений, методам повышения работоспособности, концентрации напряжений, Исследование напряжений, поверхностного слоя, поверхностях шатунов стационарных, повышения работоспособности шатунов, экспериментальными величинами напряжений, квазистатическому расчету напряжений, деталей методами ППД, механизм упрочнения ППД, начальных остаточных напряжений, шатунов стационарных дизелей, коэффициента концентрации напряжений, комбинированных высокофорсированных дизелей, технологических кон­центраторов напряжений

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle