Двигатели
внутреннего сгорания

 
         

 

Главная
Основы конструирования
Расчеты
Силы и моменты
Поршневая группа
Шатуны и штоки
Коленчатые валы
Подшипники
Система газораспределения
Корпусные детали
Анализ конструкции
Устройство и
принцип действия

КШМ
ГРМ
Система смазки
Система охлаждения
Система питания
Система зажигания
Пуск двигателей
Увеличение мощности
Разное

Расчет деталей на прочность с учетом влияния переменной нагрузки

Поломки ответственных деталей двигателей происходят наиболее часто от усталости металла в результате влияния переменных напряжений, циклически изменяющихся по времени. Как известно, пределом выносливости называется максимальное напряжение, которое способен выдерживать материал без разрушения при заданном числе циклов. Для большей части материалов после 107 циклов максимальное (разрушающее) напряжение сттах (или ттах) остается постоянным.
В расчетные уравнения прочности при переменной нагрузке включают обычно предел выносливости, полученный при испытании на изгиб. Экспериментальные исследования показывают, что наиболее устойчивы соотношения для усталостных и статических характеристик между пределом выносливости a_j при симметричном цикле в случае изгиба, пределом прочности при растяжении ав и пределом текучести стт при растяжении.
Для сталей с пределом прочности от 400 до 1500 МПа обычно считают, что предел выносливости при нормальных напряжениях для симметричного цикла при изгибе a_j « « (0,45-f-0,5)ств; для стального литья и чугуна = 0,4ств; для цветных металлов значения  колеблются в более широких пределах.
С увеличением статической напряженности при уменьшении амплитуды нормального напряжения ста значение о^ (предел выносливости стг при несимметричном цикле) возрастает. Прочность детали при несимметричном цикле характеризуется диаграммой предельных напряжений, показанной на рис. 26 (а0-предел выносливости при отнулевом цикле). Эта диаграмма характеризует зависимость предельного напряжения атах от среднего напряжения стш. Левая часть диаграммы (от точки А до точки С) относится к области, в которой максимальное напряжение меньше предела текучести. В этом случае прочность характеризуется сопротивлением разрушению.

Основными факторами, влияющими на прочность деталей при переменной нагрузке, следует считать асимметрию цикла, тип напряженного состояния, концентрацию напряжений, абсолютные размеры деталей и качество поверхности.
лом выносливости аг. Правая часть диаграммы (от точки С до точки D) относится к той области, где прочность определяется сопротивлением пластическим деформациям, т.е. пределом текучести стт. Область, расположенная левее прямой ОС-область усталости, а правее - область пластических деформаций. Точки G и Е расположены на таких же расстояниях от прямой OD, как точки С и В.
Можно построить так называемую схематизированную диаграмму предельных напряжений, ограниченную двумя прямыми (рис. 27). Левая верхняя прямая проходит через точки А и В, относящиеся к пределам выносливости при симметричном цикле (а_х) и отнулевом (а0). Прямая CD расположена горизонтально, ее ордината ат. Диаграмма может быть построена по заданным значениям а_1} ст0 и ат или, аналогично для касательных напряжений, по значениям пределов выносливости соответственно при симметричном И| и отнулевом Ц циклах и пределе текучести тт.
Влияние концентрации напряжений в расчетах обычно учитывается эффективным коэффициентом концентрации напряжений К, который представляет собой отношение предела выносливости (тг или тг при отсутствии концентрации напряжений к пределу выносливости Ш или Ц при их наличии, или соответственно ст _ 1к и 1 _ 1к для симметричных циклов. Таким образом, для нормальных напряжений щ = иг/сп. Для симметричного цикла Кд =
Ввиду отсутствия данных для Кг при расчете деталей двигателей принимают Кг = К0 или соответственно Кг = Кх. Связь между Ка и Кх приближенно может быть выражена соотношением Кхх (0,4+0,6) Ка.
Коэффициент, учитывающий снижение предела выносливости в зависимости от абсолютных размеров детали, называют коэффициентом влияния абсолютных размеров Kd. Он представляет собой отношение предела выносливости детали к пределу выносливости лабораторного образца. Значения Kd -для стальных валов в зависимости от размеров сечения показаны на диаграмме, приведенной на рис. 28.
Снижение предела выносливости a_jn для данного вида обработки по сравнению с пределом выносливости a.j гладких образцов характеризуется коэффициентом влияния шероховатости поверхности KF = c_in/a_t. Значения коэффициентов KF для конструкционных сталей при различных видах обработки лежат в пределах 0,6-1,1. Для полированной поверхности KF ~ 1,1; для необработанной поверхности после проката KF « 0,6; для шлифованной KF я 1.
Влияние концентрации напряжений, размеров и состояния поверхности детали учитывают в выражении для амплитуды напряжений:          сттах =
В практике при расчете деталей двигателя обычно учитывают концентрацию напряжений и влияние абсолютных размеров детали. Влияние качества поверхности следует принимать во внимание главным образом при расчете напряжений вне зон концентрации.
Вид диаграммы предельных напряжений при учете концентрации напряжений и абсолютных размеров изменяется. Амплитуды напряжений в области усталости уменьшаются в K/(KdKF) раз. Кривую (близкую к прямой) экстраполируют по значениям максимальных напряжений, соответствующих пределу текучести ат при наличии концентрации напряжений.
В дальнейшем произведение KdKF обозначим еа (или соответственно ет).
Запас прочности равен отношению наибольшего напряжения <тг = <ттахд, определяемого по схематизированной диаграмме предельных напряжений (см. рис. 27), к наибольшему напряжению в детали.

Если известны характеристики прочности о"_15 сг0, т_и т0, стт, то по схематизированной диаграмме предельных напряжений может быть составлено выражение запаса прочности, содержащее величины су_! и ст0 вместо атахд или соответственно.
При определении зала-сов прочности основываются на подобии циклов, соответствующего диаграмме предельных напряжений и действующего при рабочем нагружении детали.
(80)
Аналогично для касательных напряжений где || 11|Щ I т0)/т0.
(81)
Ниже приведены значения коэффициентов чувствительности к асимметрии цикла для сталей в зависимости от предела прочности при растяжении (в МПа).

Прочность детали определяется меньшей из величин, получаемых по формулам (80) или (82) и (81) или (83). При наличии сложного напряженного состояния (двухосного) запасы прочности по нормальным п0 и по касательным пх напряжениям, а также общий запас прочности вычисляют, используя следующее выражение:

 

При оценке прочности необходимо учитывать как циклические нагрузки в наиболее напряженных местах деталей, так и статические, а также связанную с ними (в условиях повышенных температур) ползучесть материала.

Разрушение наступает, когда макротеплосмены сопровождаются повторной пластической деформацией материала детали. При этом существенную роль играет временная характеристика цикла, обусловливающая возможность проявления ползучести, в частности, релаксационных процессов в зонах высоких температурных напряжений.

Оценка работоспособности теплонапряженных деталей двигателя
Большинство разрушений в теплонапряженных деталях начинается с зон, где температурные деформации ограничены, а также в зонах с высокой концентрацией напряжений. Однако при этом отсутствуют характерные признаки механической усталости. Вместе с тем разрушение деталей, образующих камеру сгорания двигателя, нельзя объяснить одноразовым или кратковременным действием тепловой нагрузки. Разрушение не наступает сразу, а происходит часто через весьма значительное время (сотни, а иногда и тысячи часов) работы двигателя. Изменение температуры и давления в течение одного рабочего цикла двигателя также не может быть главной причиной разрушения теплонапряженных деталей. Колебания температуры наружных слоев снижают долговечность деталей. Однако эти колебания и связанные с ними напряжения невелики и быстро затухают с удалением от поверхности. Кроме того, количество рабочих циклов, которое успевает наработать двигатель до разрушения, например, днища головки цилиндра, обычно столь велико, что если бы причиной разрушения было циклическое изменение давления, то разрушение наступало бы гораздо быстрее. Если число рабочих циклов двигателя за время наработки очень велико, то число циклов, связанных с глубокими изменениями режимов работы установки, включая пуски и остановки двигателя, гораздо меньше и составляет тысячи или десятки тысяч циклов. Указанные циклы сопровождаются значительным изменением теплового состояния теплонапряженных деталей -макротеплосменами, в отличие от микротеплосмен в поверхностных слоях деталей в течение одного рабочего цикла.
Следствием макротеплосмен является термическая усталость материала, которая отличается от обычной многоцикловой механической усталости значительно большим по величине размахом деформаций Де за цикл и меньшим числом циклов Nr до разрушения. Наиболее нагретый участок детали оказывается максимально нагруженным и поглощает деформации более холодных участков, где материал имеет повышенный предел текучести ат. В чистом виде термическая усталость наблюдается при работе детали по пилообразному циклу изменения температуры (рис. 29). Связь между числом циклов Nf до разрушения и значением пластической деформации Де^ за цикл в первом приближении выражается степенными зависимо-
стями типа экспериментально полученных формул Мэнсона-Коффина: где к, С-константы, характеризующие материал.
Для достаточно пластичных материалов к = 0,5, а С = = 0,51п [1/(1 — \|/)], где vj/-коэффициент поперечного сужения материала при разрыве.
Детали форсированных двигателей работают в условиях переменных по длительности циклов нагружения с выдержками при максимальной температуре цикла (рис. 30). С увеличением времени выдержки твыд число циклов Nf до разрушения резко уменьшается. Это связано с протеканием в высокотемпературной части цикла процессов ползучести материала, приводящих, в частности, в результате релаксации температурных напряжений сжатия к большим остаточным напряжениям растяжения.
В случаях, подобных рассматриваемому, влияние на общее повреждение числа циклов нагружения и времени пребывания при высокой температуре в условиях циклического деформирования условно разделяют.
Повреждения, накапливаемые в материале, обусловлены как термической усталостью, к которой может присоединиться и влияние механических нагрузок (например, в элементах тонкостенных головок поршней), так и процессами направленного пластического деформирования, приводящего к разрушению статического характера.
При необходимости в первом слагаемом можно учесть и высокочастотную составляющую (влияние газовой силы р2 и микротеплосмен). Справедливость зависимости (89) подтверждает тот факт, что окончательное разрушение некоторых теплонапряженных деталей происходит при охлаждении, когда остаточное напряжение растяжения максимально. Однако следует иметь в виду, что предел прочности материала детали двигателя может оказаться существенно ниже предела прочности материала образца, не подвергавшегося нагревам в агрессивной среде. Для оценки работоспособности детали в выражения (87), (89), являющиеся критерием долговечности образца, работающего в условиях циклического нагружения с выдержками при высокой температуре, нужно ввести соответствующие коэффициенты запаса прочности по числу циклов nN и статической нагрузке лст. При этом вместо, например, N f в выражение (87) подставляют Njдоп == Nf/nN. Значение nN обычно выбирают равным примерно 10. Высокое значение nN объясняется чрезвычайно сложными процессами деформирования материала деталей в рассматриваемых условиях и большим количеством допущений, использованных при получении выражений (86)-(89). Выбирая ист по ползучести или остаточным напряжениям, вычисляют второе слагаемое в уравнениях (87)-(89). Условие обеспечения работоспособности детали заключается в том, что левая часть выражений (87)-(89) не должна превышать единицы.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 



  Разработано специально для liciss.ru, все права защищены.
Копирование материалов сайта разрешается только с указанием прямой индексируемой ссылки на источник.