Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

БЕЗМОТОРНЫЕ СТЕНДЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЕЙ НА НАДЕЖНОСТЬ

Гоц А.Н. 1 Клевцов В.С. 1 Прыгунов М.П. 2
1 ФБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
2 Владимирский автоцентр КАмаЗ
Статья посвящена обзору и анализу безмоторных стендов для ускоренных испытаний на надежность головок цилиндров дизелей. На стадии доводки поршневого двигателя вместо длительных и дорогостоящих эксплуатационных испытаний надежность отдельных узлов и деталей определяется при ускоренных испытаниях. Ускоренные испытания характеризуются коэффициентами ускорения. Проведен обзор и анализ конструкций созданных в России стендов для ускоренных испытаний на термоциклическую прочность головок цилиндров поршневых двигателей. В результате анализа выявлены достоинства и недостатки установок, которые влияют на достоверность результатов исследований. Предложена конструкция стенда, сочетающая наибольшее количество описанных достоинств и наименьшее количество недостатков, что приведет к высокой достоверности результатов исследования, но минимальным техническим и материальным затратам при создании установки.
ускоренные испытания
коэффициент ускорения
трещина
усталостное разрушение
1. Гоц А.Н. Машиностроение. Энциклопедия. Двигатели внутреннего сгорания. Т. IV-14 / под общ. ред. А.А. Александрова, Н.А. Иващенко. – М.: Машиностроение. 2013. – С. 657–661.
2. Гоц А.Н., Иванченко А.Б., Прыгунов М.П., Французов И.В. Моделирование теплонапряженного состояния головки цилиндра тракторного дизеля воздушного охлаждения // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6–5. – С. 1061–1067.
3. Захаров А.А. Повышение долговечности головок блока цилиндров дизелей при восстановлении путем применения деконцентраторов напряжений: дис. … канд. техн. наук: 05.20.03 – Саратов, 2005. – 207 с.
4. Методика ускоренных испытания на термоциклическую прочность головок цилиндров тракторных и комбайновых двигателей / НИКТИД / РД 23.3 84-88. – Владимир, 1988. – 50 с.
5. Насыров Р.А., Иващенко Н.А., Тимохин А.В. Статические тепловые стенды для исследования поршней и цилиндров крышек дизелей // ДВС: Реф. сб. НИИинформтяжмаш. – 1978. – С. 14–17.
6. Стенд для исследования теплонапряженного состояния головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания / Гоц А.Н., Прыгунов М.П., Французов И.В., Клевцов В.С., Сысоев С.Н. / Патент России № 142963. 2014. Бюл. № 19.
7. Сальников М.А. Оценка долговечности крышек цилиндров тепловозных дизелей в зависимости от уровня теплонапряженности: дис. … канд. техн. наук: 05.04.02: 01.02.06 – Коломна, 1984. – 212 с.
8. Эфрос В.В. Развитие научных основ конструирования тракторных дизелей с воздушным охлаждением: дис. … д-ра техн. наук: 05.04.02 – Владимир, 1977. – 475 с.

При разработке опытного образца поршневого двигателя большое внимание уделяется конструированию и расчету наиболее нагруженных деталей, в частности головки цилиндра (ГЦ), которая должна обладать малой массой, быть технологичной, иметь низкую стоимость, а самое главное – обеспечивать требуемые показатели долговечности и надежности. Это вызвано тем, что оценка надежности и принятие решения о ее достаточности могут быть осуществлены лишь по истечении весьма длительного времени эксплуатации двигателя, на который будет установлена ГЦ. В случае необходимости повышения надежности ГЦ требуется не только устранить причину отказа, но и снова провести цикл длительных испытаний [1]. Этот процесс называется доработкой и, как правило, бывает многоцикловым. Доработка часто продолжается несколько лет.

Для ускоренного определения надежности ГЦ необходимо интенсифицировать причины появления отказов, то есть провести ускоренные испытания посредством увеличения скорости или количества нагружений в единицу времени. И хотя режимы ускоренных испытаний принципиально отличаются от реальных режимов эксплуатации, при их выборе необходимо прежде всего обеспечить качественное подобие реальных и смоделированных процессов, определяющих возникновение отказов, а также отсутствие отказов, не встречающихся в эксплуатации.

Коэффициенты ускорения при таких испытаниях – величины статистические, зависящие от рассеяния показателей надежности испытуемого изделия. Точность их определения, как и точность прогнозов эксплуатационной долговечности и безотказности по результатам ускоренных испытаний, зависит от объема имеющейся информации о надежности двигателей в эксплуатации и при испытаниях [1].

Таким образом, задачу определения надежности спроектированной ГЦ можно решить путем проведения ускоренных испытаний на безмоторном стенде (БС).

Цель – провести анализ разработанных в России стендов для ускоренных испытаний ГЦ дизелей.

Анализ стендов для ускоренных испытаний

По типу создаваемого напряженно-деформированного состояния в сечениях ГЦ БС можно разделить на температурные (нагружение происходит за счет создания температурных перепадов в плоскости и по глубине днища ГЦ), механические (нагружение происходит за счет изменения давления в объеме камеры сгорания) и комбинированные (сочетающие первые два способа). По типу источника теплоты БС можно разделить на электрические (в качестве нагревателя используются ТЭНы, галогенные лампы, индукторы, графитовые стержни и т.д.) и химические (нагрев осуществляется с помощью сжигания топлива).

Для определения ресурса, или времени наработки ГЦ, методом ускоренных испытаний наиболее предпочтительными являются комбинированные стенды, так как они позволяют создавать напряженно-деформированное состояние, переменное во времени, тем самым приводя условия воздействия на ГЦ близкие к реальным. Однако, по данным исследований [2], наибольшие напряжения в ГЦ создает именно температурное нагружение, а не механическое. Так, для ГЦ двигателя 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) на номинальном режиме интенсивность напряжений в межклапанной перемычке от воздействия монтажной и температурной нагрузок составила 108 МПа [2], в то время как от монтажной нагрузки и имитации давления газов составила 31,1 МПа (рис. 1).

pic_78.tif pic_79.tif

Рис. 1. Распределение интенсивности напряжений при действии монтажной нагрузки и температур (слева) и при действии монтажной нагрузки и сил давления газов (справа)

То есть, интенсивность напряжений от температурного нагружения оказывается почти в 3,5 раза выше, чем от механического. К тому же сочетание этих двух типов нагружения приводит к высокой трудоемкости разработки, сборки и обслуживания стендов данной категории.

Таким образом, создавая установку для ускоренных испытаний ГЦ можно исключить систему, имитирующую давление рабочего тела на ГЦ, при сохранении достоверности результатов прогнозируемой надежности.

Для исследования термоусталостной прочности ГЦ был разработан БС [3], принцип работы которого заключается в нагреве днища исследуемой ГЦ с помощью графитовых пластин, через которые проходит электрический ток. Стенд позволяет проводить испытания с ускорением по наработке. Недостатком данной установки является использование в качестве испытуемого образца только днища ГЦ (верхняя часть головки срезается). Но, как известно, ГЦ представляет из себя сложную пространственную деталь, в которой поперечное сечение постоянно изменяется и при нагреве тепловое состояние днища целой ГЦ будет отличаться от состояния только днища ГЦ из-за различий теплопередачи в окружающую среду. Также нагрев днища осуществляется только через клапанную перемычку, в то время как на реальном двигателе нагрев происходит по всему днищу или по проекции камеры сгорания в поршне на днище ГЦ. По этим причинам происходит трудность с достижением идентичных разрушений.

В ЦНИИ МПС [5] был разработан и построен тепловой БС, в котором используется радиационно-конвективный тип нагревателя. В отличие от предыдущего стенда в этой установке производится нагрев всей ГЦ, а не только днища. Нагревательное устройство БС ЦНИИ МПС состоит из корпуса, охлаждаемого водой, двух панелей из асбоцементных плит, предназначенных для установки токопроводящих пружин патронов, и ламп марки КГ220-2000-4. Корпус нагревателя изготовлен из алюминиевого сплава марки АМг, имеющего отражательные свойства, близкие к серебру, и отполирован. В нем установлены лампы общей мощностью 42 кВт, расположенные в два ряда (первый ряд 11 ламп, второй 10 ламп) и ориентированные параллельно друг другу, что значительно упростило конструкцию нагревательного устройства и уменьшило его размеры. Нагревательное устройство имеет возможность передвигаться в горизонтальной плоскости по направляющим (для осмотра и протирки ламп) и в рабочем состоянии прижимается к торцу рубашки водяного охлаждения при помощи четырех винтов-фиксаторов. Для контроля за тепловым состоянием корпуса нагревателя в нем установлены 12 термопар. Нагревательное устройство и испытуемая деталь устанавливаются на подставку, образованную четырьмя стойками, жестко соединенными между собой. БС имеет водяную систему охлаждения корпуса нагревателя и ГЦ. Испытания на данном стенде проходят с ускорением по времени и наработке.

В НИКТИДе был создан БС [4], источником термоциклического нагружения которго является высокочастотная установка типа И32-100/8, имеющая кольцевой индуктор, который с помощью ТВЧ нагревает днище ГЦ. Температура нагрева поддерживается с помощью системы автоматического регулирования путем включения-отключения высокочастотной установки. Охлаждение головки осуществляется водой и воздухом, пропускаемыми соответственно по водяным и воздушным каналам ГЦ.

Исследование ГЦ проводится в два этапа. Первый – экспериментальное исследование теплонапряженного состояния ГЦ на двигателе в реальных условиях, которое проводится для определения граничных условий нагружения. Это позволяет достигнуть соответствия между реальным и лабораторным нагружениями. Второй – проведение термоциклических испытаний ГЦ на безмоторном стенде.

При испытаниях на термоциклическую прочность определяется зависимость числа циклов до возникновения трещин малоцикловой усталости от максимальной температуры цикла и амплитуды температур в цикле.

Исходный термоцикл (рис. 2, график (б)) [4] определяется по условиям испытаний головок цилиндров на дизеле в режиме максимальной мощности. В первом приближении этот цикл характеризуется максимальной температурой, равной 250 °С, минимальной температурой равной 100 °C, амплитудой 150 °С.

pic_80.tif

Рис. 2. Диаграмма термоциклического нагружения головки цилиндра: а – предельный цикл нагружения; б – базовый цикл нагружения; в – промежуточный цикл нагружения

Предельный термоцикл (рис. 2, график (а)) [4] имеет максимальную температуру 400 ± 10 °С, а минимальную 200 ± 10 °С при той же длительности периода поддержания максимальной температуры (принята равной 3 мин) и периода «охлаждения-нагрева» (принята равной 1 мин).

Минимальная температура 100 °С определяется по предельной температуре охлаждающей жидкости в дизеле. К этой температуре может приблизиться температура днища головки цилиндров на режиме максимальных оборотов холостого хода двигателя. Максимальная температура 400 °С определяется как предельная температура, при которой чугун еще сохраняет свои механические свойства. В данном случае все температуры приводятся для чугунных ГЦ.

Промежуточный цикл (рис. 2, график (в)) [4] уточняется в ходе испытаний и является наиболее приближенным к циклу реального разрушения.

По результатам испытаний на двух уровнях напряжений, соответствующих предельному и промежуточному термоциклам, строится кривая малоцикловой термической усталости днища ГЦ и определяется реальный цикл разрушения.

Испытания проводятся до образования трещин размером 5…10 % от толщины днища ГЦ, определяемых визуально или с помощью оптических средств. Испытания на данном стенде проходят с ускорением по времени и наработке.

Во Владимирском государственном университете был создан стенд [6] для анализа теплового напряженно-деформированного состояния (ТНДС).

Стенд позволяет создавать произвольный по продолжительности режим термоциклического нагружения ГЦ. При этом исследуемая ГЦ подвергается неизотермическому термоциклическому нагружению. Нагрев ГЦ со стороны огневого днища осуществляется тепловым потоком, создаваемым галогенными лампами, а охлаждение осуществляется с помощью обдува воздухом. Трехмерная модель БС приведена на рис. 3. Стенд устроен следующим образом: на жестком основании 1 с помощью четырех шпилек смонтирована нижняя плита 2, корпус 3 с ложементами для галогенных ламп 4, а также верхняя плита 5. Плита 2, корпус 3 и плита 5 во время работы охлаждаются проточной водой. Галогенные лампы 4 КГ230-2000-5 общей мощностью 30 кВт уложены продольно в два ряда, причем в верхнем ряду расположено девять ламп, а в нижнем шесть. В плите 5 сделано отверстие, через которое тепло, излучаемое лампами, поступает на исследуемую деталь. При этом для использования отраженного света отверстие выполнено коническим. Верхняя крышка плиты 2 выполнена из алюминиевого сплава и отполирована для лучшего отражения потока излучаемого лампами. На плите 5 установлено проставочное кольцо 6, опорный бурт которого по форме полностью повторяет бурт гильзы цилиндра двигателя. Для создания градиента между центральной и периферийной зоной головки цилиндра внутри кольца 6 проложена медная трубка 7, которая охлаждается проточной водой. Исследуемая головка цилиндра 8 установлена на плите 5 с помощью четырех шпилек, момент затяжки гаек которых равен 110 Н•м. Место контакта трубки 7 и днища головки 8 покрывалось теплопроводной пастой КПТ-8. Стенд обладает следующими недостатками:

  • из-за наличия галогенных ламп испытание ГЦ с жидкостным охлаждением становится невозможным, так как в случае возникновения трещины, соединяющей днище ГЦ и полости охлаждения, – все лампы будут уничтожены;
  • возникает перегрев верхних ламп нижними, а также боковыми, что приводит к их вздутию и выходу из строя, следовательно, испытания с длительной выдержкой по температуре будут недоступны;
  • лампы имеют бoльшую длину, чем диаметр днища ГЦ, что снижает КПД установки;
  • требуется постоянный осмотр, очистка от нагара и пыли и замена ламп.

pic_81.tif

Рис. 3. Трехмерная модель безмоторного теплового стенда: 1 – жесткое основание; 2 – нижняя плита; 3 – корпус; 4 – галогенные лампы; 5 – верхняя плита; 6 – промежуточное кольцо; 7 – медная трубка; 8 – головка цилиндра

pic_82.tif

Рис. 4. Схема БС для определения монтажных напряжений и напряжений от сил давления газа: 1 – шатун; 2 – гильза цилиндра; 3 – поршень; 4 – масло; 5 – ГЦ; 6 – блок цилиндров; 7 – форсунка; 8 – коленчатый вал; 9 – насосная установка

Испытания проходят до появления трещин размером 0,2 мм и более, определяемых невооруженным глазом или с помощью микроскопа. Ускорение испытаний производится по времени и наработке.

Для определения монтажных напряжений и напряжений от механической нагрузки давления газов был разработан стенд [7] (рис. 4), имитирующий давление газов на днище ГЦ с помощью давления масла от насоса высокого давления.

Стенд состоит из блока цилиндров 6, в котором располагаются, шатун 1, гильза 2, поршень 3, коленчатый вал 8. Снаружи к блоку с помощью шпилек притягивается ГЦ 5. С помощью этих же шпилек создается монтажная нагрузка. Имитация давления газов достигается путем создания насосом высокого давления 9 масла 4 в камере сгорания. Для герметизации КС со стороны поршня 3 используются резиновые кольца в двух первых канавках, а со стороны клапанов герметизация достигалась применением клея на посадочных фасках седел клапанов. Недостатком этого стенда является отсутствие термоциклической составляющей нагружения. И это может привести к тому, что стендовое разрушение будет отличаться от эксплуатационного. Ускорение испытаний в данном случае происходит по наработке.

На Владимирском тракторном заводе [8] был создан комбинированный БС для исследования ГЦ и цилиндров воздушного охлаждения, конструкция которого представлена на рис. 5.

pic_83.tif

Рис. 5. Схема БС для исследования ГЦ и цилиндров: 1 – аэродинамическая камера; 2 – ГЦ; 3 – манометр; 4 – баллон со сжатым воздухом; 5 – нагревательный элемент; 6 – масляная ванна; 7 – цилиндр

Стенд имеет системы, регулирующие интенсивность охлаждения ГЦ 2 и цилиндра 7 за счет изменения расхода воздуха и масла. В качестве источников теплоты использовались электронагреватели 5, установленные внутри цилиндра 7, а также в выпускном канале ГЦ 2. Имитация давления газа внутри цилиндра 7 достигалась подачей воздуха из баллона со сжатым воздухом через форсуночное отверстие. Данный БС позволяет с высокой точностью имитировать стационарные тепловые и механические нагрузки. Однако вследствие большой тепловой инерционности электронагревателей 5 моделирование переходных процессов на данной установке не представляется возможным. Ускорение испытаний на данной установке происходит по времени и наработке.

Выводы

Проведенный анализ разработанных стендов для ускоренных испытаний ГЦ показывает, что они обладают существенными недостатками. Наиболее приемлемым был бы стенд, который:

  • производил нагрев ГЦ сгорающим сжиженным газом, т.к. он недорогой, обладает низким содержанием сажи при сгорании и его продукты сгорания будут подобны газам в цилиндре двигателя, что позволит получить сходство с реальными условиями работы ГЦ и получить высокую достоверность результатов;
  • не имел систему имитации давления газов, что немного снизит достоверность результатов, но ощутимо увеличит простоту изготовления и обслуживания;
  • обладал автоматической системой управления для смены циклов нагрева и охлаждения – среднее увеличение трудоемкости изготовления взамен простоты эксплуатации и однообразия картины нагружения;
  • обеспечивал создание монтажной нагрузки на ГЦ, так как без этого условия проводить термическое нагружение вообще не имеет смысла.

Также объектом исследования должна служить полноразмерная ГЦ, а не только днище, потому, что характер теплопередачи целой ГЦ и днища сильно различаются. В добавок к вышесказанному, для соблюдения подобия работы, необходимо подводить теплоту не только к днищу ГЦ, но и к выпускному каналу.


Библиографическая ссылка

Гоц А.Н., Клевцов В.С., Прыгунов М.П. БЕЗМОТОРНЫЕ СТЕНДЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОЛОВОК ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЕЙ НА НАДЕЖНОСТЬ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 10-1. – С. 31-36;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40804 (дата обращения: 22.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074