Методы моделирования вибраций цилиндровых втулок тронковых дизельных двигателей

Коррозионно-эрозионное изнашивание в системах жидкостного охлаждения дизелей является фактором, снижающим их эксплуатационную надежность. Статистика отказов свидетельствует, что выбраковка цилиндровых втулок средне-и высокооборотных двигателей (СОД и ВОД соответственно) в 20−50% случаев происходит по причине эрозионных повреждений боковой поверхности и на посадочных поясах. Примерно столько же втулок выбраковывают из-за трещин под посадочными буртами. При этом по износу «зеркала» цилиндра наработка втулок составляет не более 60% от расчетного ресурса.

Согласно современным представлениям, эрозионные разрушения цилиндровых втулок развиваются в виде одновременно протекающих с различной интенсивностью процессов чисто механического разрушения при вибрационной кавитации, водородного охрупчивания и коррозии.

Анализ причин повреждений стенок втулок и образования трещин под посадочными буртами, результаты экспериментальных работ и эксплуатационных испытаний позволяют сделать вывод, что полностью исключить процессы эрозионно-коррозионных разрушений и образования трещин в большинстве типов эксплуатирующихся дизелей невозможно. Однако, изменения конструкции цилиндровых втулок, ведущие к снижению уровня вибраций, позволяют снизить интенсивность эрозионных разрушений и величину напряжений в опасных сечениях буртов и тем самым продлить срок службы втулок.

Несмотря на глубокие и обстоятельные исследования ученых Л. И. Погодаева, Н. Н. Иванченко, А. А. Скуридина, А. П. Пимошенко, O.K. Безюкова в области коррозионно-эрозионного разрушения поверхностей охлаждения судовых дизелей, многие актуальные вопросы продолжают оставаться не до конца решенными. Такими вопросами являются, в частности, влияние конструкционных особенностей втулок на уровни их вибраций и напряжений, учет фактических условий закрепления втулок в блоке цилиндров при создании расчетных моделей, проверка расчетов уровней вибраций цилиндровых втулок в виртуальных средах, разработка методов демпфирования колебаний и снижения кавитации охлаждающей жидкости.

Основной проблемой существующих в настоящее время методов расчета вибраций втулок цилиндров является то, что они не в полной мере отвечают задачам разработки оптимальных конструкций и оценки влияния конструкционных изменений втулок на уровни вибраций и напряжений. Отсутствие учета фактических условий закрепления втулки в блоке и воздействия на стенки сил газового давления в цилиндре, использование в методиках расчета эмпирических коэффициентов приводят к невозможности нахождения распределения амплитуд вибраций по поверхности втулки и применения данных методик на этапе конструирования детали. Так, внедренные на некоторых типах дизелей конструктивные меры в виде установки дополнительных опор и уплотнительных соединений с целью снижения уровня вибраций и защиты бурта от разрушений, приводили к негативным последствиям, которые не могли быть спрогнозированы на основе имеющихся расчетных моделей. В частности, указанные конструкционные изменения приводили к более интенсивному износу отдельных частей втулки, разрушению блоков и обрыву опор, в то время как согласно расчетам ожидалось снижение уровня вибраций.

В основе определения ресурса цилиндровых втулок лежит научная теория эрозионно-коррозионных разрушений при вибрационной кавитации и структурно-энергетическая модель изнашивания, которая устанавливает связь между долговечностью детали и уровнем действующих напряжений и виброускорений, определяющими ведущий механизм разрушения. Поэтому необходимость усовершенствования методов расчета и разработки новых подходов к оценке вибрационных характеристик цилиндровых втулок вызвана также тем, что при расчете ресурса втулки требуется учитывать наличие локальных зон интенсивных разрушений, обусловленных повышенными значениями виброускорений и напряжений в этих зонах.

В связи с изложенным выше, цель работы заключается в разработке методов моделирования вибраций цилиндровых втулок ДВС любых конструкций под воздействием локальных и распределенных внешних нагрузок. Разработанная модель должна удовлетворять следующим условиям:

— решать задачи по определению амплитуд и частот колебаний втулок и выявлению зон, наиболее опасных с точки зрения эрозии поверхности и усталостных разрушений материала;

— иметь возможность применения на стадии конструирования детали либо изменения существующих конструкций цилиндровых втулок;

— выступать основой при разработке оптимальных конструкционных решений с целью повышения ресурса втулок.

Для достижения цели были определены следующие основные задачи исследования:

1. Провести всесторонний анализ существующих методов расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС и оценку их теоретической базы.

2. Разработать математическую модель втулки для расчета вибрационных характеристик при любом количестве опор и их взаимном расположении с учетом условий посадки втулки на этих опорах и сил газового давления в цилиндре.

3. Разработать имитационную модель втулки и поставить виртуальный эксперимент по получению ее вибрационных характеристик путем прямых измерений в виртуальной среде.

4. Провести физический эксперимент для проверки адекватности разработанных моделей.

5. С помощью разработанных моделей оценить местоположение зон, наиболее подверженных эрозионным разрушениям, и показать практическое применение модели в разработке нового конструкционного решения с целью снижения вибрационных напряжений.

Объектом исследования в настоящей диссертационной работе являются вибрационные процессы, приводящие к эрозионным разрушениям цилиндровых втулок и образованию трещин под буртами. Предметом исследования являются цилиндровые втулки тронковых среднеи высокооборотных судовых дизельных двигателей.

Методологическую и теоретическую основу моделирования вибрационных процессов и оценки их влияния на эрозионное разрушение цилиндровых втулок составили труды ученых Л. И. Погодаева, А. А. Самарского, С. Н. Кана, С. П. Тимошенко, Н. Н. Иванченко, А. А. Скуридина, А. П. Пимошенко, O.K. Безюкова,.

B.В. Пахолко.

Для определения вибрационных характеристик цилиндровых втулок был использован метод математического моделирования, в котором втулка была представлена в виде статически неопределимой системы. Раскрытие статической неопределенности проводилось энергетическим методом, разработанным С. Н. Каном для цилиндрических оболочек. Определение компонент деформаций, являющихся функциями координат и времени, осуществлялось с использованием метода разделения переменных (метода Фурье) с получением однородного дифференциального уравнения (ДУ) четвертого порядка для функции, описывающей форму деформаций вдоль оси цилиндра. Корни характеристического уравнения полученного ДУ находились численным методом простых итераций из условия нетривиальной совместности системы линейных алгебраических уравнений, составляющих граничные условия задачи. Для их решения был использован матричный метод в соответствии с общей теорией систем линейных алгебраических уравнений. Для нахождения величины деформации втулки в месте удара поршня в момент его контакта со стенкой была использована теория удара.

C.П. Тимошенко. Вынужденные колебания втулки под воздействием распределенной силы газового давления были получены методом построения функции влияния единичного сосредоточенного импульса. Расчет амплитуд вынужденных колебаний, а также определение скорости поршня в момент его контакта со стенкой производились численным интегрированием уравнений движения с применением метода конечных разностей на основе теории разностных схем А. А. Самарского.

Для исследования процесса вибраций цилиндровых втулок был применен метод компьютерной имитации путем реализации на ЭВМ виртуальной математической модели, включающей систему динамических уравнений. При переходе от механических параметров модели к электрическим использовался метод электро-механических аналогий.

Для обработки экспериментальных данных, полученных в ходе натурного эксперимента, применялись методы математической статистики и теории вероятностей.

В качестве информационной базы исследования в диссертации были использованы научные источники в виде сведений и данных, в том числе экспериментальных, из книг, журнальных статей, материалов научных конференций, приведенных в библиографическом списке, а также результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

Научной новизной в работе обладают:

— метод расчета частот вибраций, позволяющий учитывать реальные условия заделки втулки в блок;

— учет изменяющихся сил давления газов в цилиндре и получение расчетной осциллограммы вибраций втулки;

— получение распределения амплитуд вибраций по поверхности втулки и определение зон, наиболее подверженных эрозионному разрушению;

— имитационная модель втулки и постановка виртуальных экспериментов по определению вибрационных характеристик втулки с учетом её конструкционных особенностей;

— исследования влияния упругих сопротивлений деформациям в местах закрепления втулок на их вибрационные характеристики.

В работе также впервые показано, что установка демпфирующей прокладки под буртом втулки приводит к снижению амплитуд асимметричных циклов изменения напряжений в области бурта и снижению виброускорений втулки.

Все теоретические исследования в работе выполнены автором самостоятельно, а экспериментальные исследования — в составе групп, возглавляемых научным руководителем работы. Автору принадлежит разработка математической модели и решение задачи по определению амплитуд вибраций втулок с учетом распределенных нагрузок методом построения отклика на импульсное воздействие, метод определения параметров звеньев эквивалентной схемы втулки при постановке виртуального эксперимента, оценка вибрационных напряжений в опасном сечении бурта втулки и предложения по разработке мер для снижения вибрационных напряжений.

Разработанные методы математического моделирования, виртуального эксперимента и имитационная модель цилиндровых втулок имеют практическую ценность, так как обеспечивают получение данных о вибрационных параметрах втулок без проведения серий натурных испытаний, что позволяет осуществлять подбор оптимальных конструкционных решений на этапе проектирования.

На основе разработанной математической модели получены практические данные влияния условий закрепления втулки в блоке, в том числе жесткости закрепления, на частоту и амплитуду вибраций, а также величину вибрационных напряжений в области бурта втулки СДВС типа 48,5/11.

Результаты работы приняты к внедрению в Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота в учебном процессе и научной работе курсантов и аспирантов судомеханического факультета.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1) Математическая модель вибраций втулки для различных условий заделки втулки в блок с учетом изменяющихся сил давления газов в цилиндре.

2) Имитационная модель втулки и постановка экспериментов в виртуальной среде для определения вибрационных характеристик втулки.

3) Влияние демпфирующей прокладки под буртом втулки на снижение её виброускорений и амплитуд асимметричных циклов изменения напряжений в области бурта.

Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Судовые энергетические установки» БГАРФвосьмой межвузовской научно-технических конференции аспирантов, соискателей и докторантов БГАРФ (г.Калининград 2006 г.) — Пятой международной конференции «Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов SSN'2005» (г.Калининград, БГАРФ) — научно-технической конференции «XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий» (г.Миасс, 2006).

По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

• В ходе исследования автором были выполнены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих методик расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок ДВС и дана их оценка с точки зрения учета ими условий, существенно влияющих на параметры вибраций втулок. Показано, что такие факторы, как расположение посадочных поясов и условия закрепления в них втулки, определяющие форму и частоту колебаний, влияние на амплитуду вибраций сил давления газов в цилиндре в ходе рабочего процесса двигателя, не находят полного отражения в существующих методиках расчета вибрационных характеристик цилиндровых втулок, в том числе методиках ГОСТ 7274–70, ГОСТ 17 919–72. Установлено, что результаты, полученные в рамках указанных методик, не дают удовлетворительного объяснения концентрации разрушений в районах.

• посадочных поясов и под буртами втулок, где теоретические виброускорения малы, и, следовательно, не должно наблюдаться интенсивного эрозионного разрушения.

2. Разработана математическая модель, которая адекватно описывает физические процессы возбуждения и протекания колебаний цилиндровых втулок в ходе рабочего процесса, что подтверждается согласованием расчетных кривых с экспериментальной осциллограммой вибраций втулки работающего двигателя. Показано, что данная модель позволяет вести расчет вибрационных характеристик при любом количестве опор и учитывать физические условия закрепления втулки в блоке без нарушения общности расчетных методик. Показано также, что.

• полученная модель может использоваться для оценки влияния конструкционных изменений втулок на уровни их вибрации и напряжений и, следовательно, использоваться для разработки оптимальных конструкций.

3. Разработана имитационная модель втулки и поставлен виртуальный эксперимент в среде автоматизированного проектирования EWB для втулки двигателя типа 48,5/11, в ходе которого были получены осциллограммы вибраций, вызванных импульсным воздействием, и определена частота свободных затухающих колебаний.

4. Проверена адекватность модели путем постановки физического эксперимента по определению частоты колебаний втулки 48,5/11. Получено хорошее согласование данных натурного и виртуального экспериментов.

5. Проведена оценка с помощью разработанных моделей зон, наиболее подверженных эрозионным разрушениям, для втулки двигателя типа 48,5/11. Показано, что расчетные показатели текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания для данной конструкции монотонно возрастают вдоль оси цилиндра и достигают максимальных значений в районе нижнего посадочного пояса. Показано согласование расчетных показателей с фактической картиной разрушения втулки этого типа.

6. Выполнены расчеты вибрационных напряжений для втулки двигателя типа 48,5/11. Установлено, что максимум вибрационных напряжений наблюдается в зоне верхнего опорного бурта втулки. Определена амплитуда асимметричного цикла растягивающих напряжений в опасном сечении бурта втулки в зависимости от периода рабочего процесса двигателя.

7. Выполнена оценка влияния упругого демпфера деформациям втулки в районе верхнего посадочного бурта на уровень напряжений, а также на показатели текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания. Показано, что установка демпфирующей прокладки под буртом втулки приводит к снижению амплитуд вибрационных напряжений в опасном сечении бурта на порядок, а также к снижению показателей текущего объемного износа и критерия кавитационного изнашивания в районе нижнего посадочного пояса.