Сравнение расчетных схем для оценки напряженно-деформированного состояния поршневого пальца | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 21 декабря, печатный экземпляр отправим 25 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №20 (154) май 2017 г.

Дата публикации: 21.05.2017

Статья просмотрена: 124 раза

Библиографическое описание:

Щепакин Е. О. Сравнение расчетных схем для оценки напряженно-деформированного состояния поршневого пальца // Молодой ученый. — 2017. — №20. — С. 97-101. — URL https://moluch.ru/archive/154/43636/ (дата обращения: 09.12.2019).



В работе рассмотрена прочностная надежность одного из главных элементов поршневого двигателя, поршневого пальца. Проведено сравнение расчетных схем для оценки напряженно-деформированного состояния поршневого пальца. Выведены формулы для оценки изгибных напряжений в поршневом пальце.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, поршневой палец, коэффициент запаса, прочность, метод конечных элементов

Введение: Детали поршневых двигателей, а также многие детали машин в эксплуатационных условиях подвергаются действию переменных напряжений, многократно изменяющихся во времени. Такие напряжения испытывают, например, коленчатые валы, шатуны, шатунные болты, головки цилиндров двигателей внутреннего сгорания (в том числе переменные температурные напряжения), поршневые пальцы, валики коробок скоростей, рессоры, клапанные пружины и другие детали [1].

Поршневой палец обычно рассчитывается:

‒ на прочность от изгибающих его моментов;

‒ на предельно допустимую деформацию (овализацию) во избежание заклинивания в верхней головке шатуна;

‒ на удельное давление на его трущихся поверхностях.

На поршневой палец действует максимальная нагрузка на такте впуска от сил инерции массы поршневой группы при работе на режиме максимальной частоты вращения. [2]

(1)

где mпг — масса поршневой группы (без массы поршневого пальца); ωmax = (πnmax)/30 — угловая частота вращения коленчатого вала при максимально допустимой nmax; r — радиус кривошипа; λ=r/lш; lш — длина шатуна.

Кроме того, на расчетном режиме (максимального крутящего момента или номинальном) на поршневой палец на такте расширения действует нагрузка

(2)где pz — максимальное давление сгорания на расчетном режиме; p0 — атмосферное давление; ω — угловая частота вращения коленчатого вала на этом же режиме.

На рис.1 показаны основные схемы нагружения поршневого пальца, по которым можно оценить его напряженно-деформированное состояние [2].

Рис. 1. Основные схемы нагружения поршневого пальца

Толстостенные пальцы наиболее чувствительны к изгибным напряжениям. Наиболее распространенные поломки в них связаны с появлением трещин в поперечном направлении, и излом начинается в среднем сечении под упрочненным слоем, от излишне высоких напряжений изгиба [3]. Поэтому важно определить, какая из схем дает наиболее достоверные результаты. Для этого выводились формулы для определения изгибных напряжений по трем расчетным схемам и рассчитывались максимальные напряжения, после чего, полученные значения сравнивались с конечно-элементным расчетом в программе ANSYS. Расчет в ANSYS проводился для максимального случая нагружения поршневого пальца, силами инерции и давлением газов.

Для вывода формул изгибных напряжений, по основным зависимостям сопротивления материала [4] строились эпюры внутренних сил и изгибающих моментов, после чего для среднего наиболее нагруженного сечения находились напряжения изгиба. При рассмотрении схемы (в), возникают сложности в установлении перепада сил между краями и центром в верхней головке шатуна. Для приближенной оценки этого перепада, использовался численный расчет, описанный ниже. В качестве результатов расчета, был получен характер распределения усилий по поршневому пальцу (рис. 2). В результате отношение сил между краями и центром принимался равным 10. Также можно заметить, что распределения усилий имеет неравномерный характер по всей длине поршневого пальца.

давление в 0.JPG

Рис. 2. Распределение давления в контактах, МПа

Формулы изгибных напряжений для средних, наиболее нагруженных, расчетных сечений, представлены ниже:

Для схемы а): (1)

Для схемы б): (2)

Для схемы в): (3)

Чтобы сравнить три схемы, посчитаем по полученным формулам значения максимальных изгибных напряжений в среднем сечении поршневого пальца для трех случаев нагружения. Давление газов на такте сжатия принимается равным .

Параметры поршневого пальца:

Длина пальца

Расстояние межде бобышками поршня

Ширина шатуна

Отношение внутреннего диаметра к наружнему

Таким образом, получились следующие изгибные напряжения:

=481,7 МПа =412,9 МПа =375,3 МПа

Для сравнения аналитически полученных значений, проводился численный расчет поршневого пальца в программном комплексе ANSYS Workbench 16.2. Сначала в системе трёхмерного твердотельного проектирования Siemens NX10 создается сборка: упрощенная модель поршня, поршневой палец и верхняя головка шатуна. Затем сборка экспортируется в программу ANSYS. Далее генерируется сетка (рис.2), задаются контакты, прикладывается давление к поршню, ускорение к поршневой группе и фиксируется низ шатуна. Расчетная схема изображена на рис.3.

Сетка.PNG

Рис. 3. Сетка конечных элементов поршневого пальца

Расчетная схема.PNG

Рис. 4. Расчетная схема

В качестве результата численного расчета в программе ANSYS выводится значение нормальных напряжений по оси Z (рис. 5.), значение которого можно будет сравнить с аналитически полученными значениями изгибных напряжений. Как видно на рисунке, максимальное напряжение возникает в среднем сечении и составляет 338 МПа. А аналитически полученные значения напряжений по схеме нагружения в) дают наиболее близкие значения. Погрешность аналитической формулы по схеме в) и численным расчетом составляет 9,8 %.

Изгибное максимум.jpg

Рис. 5. Значение изгибных напряжений, при сжатии

Проведенные расчеты показали, что действительный характер распределения нагрузки неравномерный по всей длине поршневого пальца, и наиболее достоверная схем для определения напряженно-деформированного состояния пальца, соответствует схеме в). Также были выведены формулы для определения изгибных напряжений по трем расчетным схемам. Наименьшая погрешность аналитического и численного расчета, соответствует схеме в) и составляет 9,8 %.

Литература:

  1. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 624с.
  2. Гоц А. Н. Расчет на прочность при переменных напряжениях: монография. / А. Н. Гоц. — Владим. Гос. Ун-т имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. — Владимир: Изд-во ВлГУ, 2012. — 138 с.
  3. Конструирование двигателей внутреннего сгорания/ Н. Д. Чайнов [и др.]; Под ред. Н. Д. Чайнова. — М.: Машиностроение, 2011. — 496 с.
  4. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. — 10-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э.Баумана, 1999. — 592с.
Основные термины (генерируются автоматически): поршневой палец, ANSYS, численный расчет, напряжение, схема, верхняя головка шатуна, поршневая группа, внутреннее сгорание, коленчатый вал, напряженно-деформированное состояние.


Похожие статьи

Моделирование напряженного состояния главного шатуна...

В зонах сопряжения поршневого пальца с главным шатуном, шатуна с шатунной шейкой коленчатого вала выполнено сгущение сетки для повышения точности решения (рис. 8б,в). а).

О достоинствах плавающей посадки поршневого пальца

бобышка поршня, палец, поршневой палец, втулка шатуна, верхняя головка шатуна, двигатель, втулка, плавающая посадка, общий вид, некачественная сборка.

Расчет напряженно-деформированного состояния...

Расчет напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки по заданным перемещениям.

Формулы для рассчета осевых безразмерных напряжений. Рис. 2. График осевых напряжений на внутренней поверхности трубы.

Математическая модель для расчёта утечек через поршневые...

– разработать математическую модель для расчета состояния газа в цилиндре и объёмах между кольцами четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания с учётом утечек через поршневые кольца

Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров...

посадочный поясок гильзы, износ, поршневое кольцо, наружная поверхность, внутреннее сгорание, гильза цилиндра, охлаждающая жидкость, моторное масло, коленчатый вал, верхняя часть.

Пути снижения потерь на трение в кривошипно-шатунном...

Эта суммарная сила, действующая на поршневой палец раскладывается на две составляющие: одна действует на тело (стержень) шатуна (Рш), а вторая

Действие нормальной силы с классической системой КШМ при повороте коленчатого вала на 720о показано на рисунке 2.

Оценка коэффициента запаса циклической прочности прицепного...

Расчет напряженно-деформированного состояния шатуна может быть выполнен с различной степенью детализации особенностей конструкции и условий нагружения. Современные методы численного моделирования на основе метода конечных элементов позволяют детально учесть...

Восстановление рабочей поверхности гильз цилиндров двигателей...

По величине износа внутренней поверхности гильзы сортируют на три группы.

Разрешается наличие нетронутой шлифовальным камнем выработки от верхнего поршневого кольца.

Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания...

Моделирование насосных ходов в картере одноцилиндрового...

внутренняя энергия, Дж; — поток энтальпии втекающего газа, Дж

О достоинствах плавающей посадки поршневого пальца. Моделирование напряженного состояния главного шатуна авиационного двигателя.

Моделирование напряженного состояния главного шатуна...

В зонах сопряжения поршневого пальца с главным шатуном, шатуна с шатунной шейкой коленчатого вала выполнено сгущение сетки для повышения точности решения (рис. 8б,в). а).

О достоинствах плавающей посадки поршневого пальца

бобышка поршня, палец, поршневой палец, втулка шатуна, верхняя головка шатуна, двигатель, втулка, плавающая посадка, общий вид, некачественная сборка.

Расчет напряженно-деформированного состояния...

Расчет напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки по заданным перемещениям.

Формулы для рассчета осевых безразмерных напряжений. Рис. 2. График осевых напряжений на внутренней поверхности трубы.

Математическая модель для расчёта утечек через поршневые...

– разработать математическую модель для расчета состояния газа в цилиндре и объёмах между кольцами четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания с учётом утечек через поршневые кольца

Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров...

посадочный поясок гильзы, износ, поршневое кольцо, наружная поверхность, внутреннее сгорание, гильза цилиндра, охлаждающая жидкость, моторное масло, коленчатый вал, верхняя часть.

Пути снижения потерь на трение в кривошипно-шатунном...

Эта суммарная сила, действующая на поршневой палец раскладывается на две составляющие: одна действует на тело (стержень) шатуна (Рш), а вторая

Действие нормальной силы с классической системой КШМ при повороте коленчатого вала на 720о показано на рисунке 2.

Оценка коэффициента запаса циклической прочности прицепного...

Расчет напряженно-деформированного состояния шатуна может быть выполнен с различной степенью детализации особенностей конструкции и условий нагружения. Современные методы численного моделирования на основе метода конечных элементов позволяют детально учесть...

Сравнение ресурса неподвижных неразъемных соединений...

Состояние цилиндро-поршневой группы- удовлетворительное.

Основные термины (генерируются автоматически): коленчатый вал, нижняя головка шатуна, км пробега, двигатель, тепловой метод

Расчет стоимости получения заготовки различными методами.

Восстановление рабочей поверхности гильз цилиндров двигателей...

По величине износа внутренней поверхности гильзы сортируют на три группы.

Разрешается наличие нетронутой шлифовальным камнем выработки от верхнего поршневого кольца.

Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания...

Похожие статьи

Моделирование напряженного состояния главного шатуна...

В зонах сопряжения поршневого пальца с главным шатуном, шатуна с шатунной шейкой коленчатого вала выполнено сгущение сетки для повышения точности решения (рис. 8б,в). а).

О достоинствах плавающей посадки поршневого пальца

бобышка поршня, палец, поршневой палец, втулка шатуна, верхняя головка шатуна, двигатель, втулка, плавающая посадка, общий вид, некачественная сборка.

Расчет напряженно-деформированного состояния...

Расчет напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки по заданным перемещениям.

Формулы для рассчета осевых безразмерных напряжений. Рис. 2. График осевых напряжений на внутренней поверхности трубы.

Математическая модель для расчёта утечек через поршневые...

– разработать математическую модель для расчета состояния газа в цилиндре и объёмах между кольцами четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания с учётом утечек через поршневые кольца

Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров...

посадочный поясок гильзы, износ, поршневое кольцо, наружная поверхность, внутреннее сгорание, гильза цилиндра, охлаждающая жидкость, моторное масло, коленчатый вал, верхняя часть.

Пути снижения потерь на трение в кривошипно-шатунном...

Эта суммарная сила, действующая на поршневой палец раскладывается на две составляющие: одна действует на тело (стержень) шатуна (Рш), а вторая

Действие нормальной силы с классической системой КШМ при повороте коленчатого вала на 720о показано на рисунке 2.

Оценка коэффициента запаса циклической прочности прицепного...

Расчет напряженно-деформированного состояния шатуна может быть выполнен с различной степенью детализации особенностей конструкции и условий нагружения. Современные методы численного моделирования на основе метода конечных элементов позволяют детально учесть...

Восстановление рабочей поверхности гильз цилиндров двигателей...

По величине износа внутренней поверхности гильзы сортируют на три группы.

Разрешается наличие нетронутой шлифовальным камнем выработки от верхнего поршневого кольца.

Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания...

Моделирование насосных ходов в картере одноцилиндрового...

внутренняя энергия, Дж; — поток энтальпии втекающего газа, Дж

О достоинствах плавающей посадки поршневого пальца. Моделирование напряженного состояния главного шатуна авиационного двигателя.

Моделирование напряженного состояния главного шатуна...

В зонах сопряжения поршневого пальца с главным шатуном, шатуна с шатунной шейкой коленчатого вала выполнено сгущение сетки для повышения точности решения (рис. 8б,в). а).

О достоинствах плавающей посадки поршневого пальца

бобышка поршня, палец, поршневой палец, втулка шатуна, верхняя головка шатуна, двигатель, втулка, плавающая посадка, общий вид, некачественная сборка.

Расчет напряженно-деформированного состояния...

Расчет напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки по заданным перемещениям.

Формулы для рассчета осевых безразмерных напряжений. Рис. 2. График осевых напряжений на внутренней поверхности трубы.

Математическая модель для расчёта утечек через поршневые...

– разработать математическую модель для расчета состояния газа в цилиндре и объёмах между кольцами четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания с учётом утечек через поршневые кольца

Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров...

посадочный поясок гильзы, износ, поршневое кольцо, наружная поверхность, внутреннее сгорание, гильза цилиндра, охлаждающая жидкость, моторное масло, коленчатый вал, верхняя часть.

Пути снижения потерь на трение в кривошипно-шатунном...

Эта суммарная сила, действующая на поршневой палец раскладывается на две составляющие: одна действует на тело (стержень) шатуна (Рш), а вторая

Действие нормальной силы с классической системой КШМ при повороте коленчатого вала на 720о показано на рисунке 2.

Оценка коэффициента запаса циклической прочности прицепного...

Расчет напряженно-деформированного состояния шатуна может быть выполнен с различной степенью детализации особенностей конструкции и условий нагружения. Современные методы численного моделирования на основе метода конечных элементов позволяют детально учесть...

Сравнение ресурса неподвижных неразъемных соединений...

Состояние цилиндро-поршневой группы- удовлетворительное.

Основные термины (генерируются автоматически): коленчатый вал, нижняя головка шатуна, км пробега, двигатель, тепловой метод

Расчет стоимости получения заготовки различными методами.

Восстановление рабочей поверхности гильз цилиндров двигателей...

По величине износа внутренней поверхности гильзы сортируют на три группы.

Разрешается наличие нетронутой шлифовальным камнем выработки от верхнего поршневого кольца.

Основные эксплуатационные дефекты гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания...

Задать вопрос