Обзор опубликованных работ по методам повышения работоспособности элементов КШМ высокофорсированных дизелей

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.