Разработка системы моделей, методов и средств для обеспечения прочности коленчатых валов транспортных дизелей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

РГ6 ОД

! " ...... НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБШИНЕНКВ

00 ТЕХНОЛОГИИ 1ШПИН0СТР0ШЯ "ШИИШШ*

На правах рукопвсн

ТВДЕНКО АЛЕКСЕЯ ТИМОФЕЕВИЧ

Ш 621.436-233.13:539.432

РАЗРАБОТКА. СИСТЗШ ШЩЕДЕП. МЕТОДОВ П СРЕДСТВ ДШ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ КОЛЕНЧАТЫХ ШОВ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

01.02.06 - Дгяамшса, прочность капшз, приборов в аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискакио ученой степени дохтора тапшческюс наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Брянской государственном педагогической института /кафедра машиноведения/

Официальнкв оппонента: доктор технических наук, профессор

Цархочев В.Ы,

доктор технических наук, профессор Костенко H.A.

доктор технических наух, профессор Школьник Л.II.

Ведущее предприятие: Производственное объединепвэ "Брянский

машиностроительный завод" Защита состоится "5/* MßSi^ 1993 г. в Ш час. на заседании специализированного совета Д 145.03.04 при Научно-производственном объединении по технологии машиностроения "ЩШТМАИ" /109088, г.Ыосква, ул.Шарикоподшипниковская, д.4/.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке НТО ЩШШАШ.

Телефон для справок: 275-85-33.

Автореферат разослан "_" 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

А.Г.Мазепа

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблема. Современными направлениями развития транспортного иалкностровния являются, с одной стороны, совершенствование выпускаемых двигателей путем перехода на более форсированные иоди^импни для обеспечения необходимого роста ресурса и повышения топливной экономичности и, с другой, создание новых типов дизелей с прогрессивными технико-экономическими характеристиками в большой агрегатной мощностью для магистральных тепловозов, судовых энергоустановок, передвижных электростанций, строительно-дорожных машин и большегрузных карьерных автосакосвалов.

Разработка и освоение новых тагов дизелей необходимы для достижения уровня лучших Кировых образцов и обеспечения конкурентоспособности отечественной техники, а также для получения дополнительных возможностей от использования новых изделий в народном хозяйстве, з росте производительности труда и увеличении национального продукта.

Форсирование рабочего процесса на дизелях повышенной ыощ-ности вызывает ужесточение условий работы деталей криволишно-шатунного механизма, в частности увеличение напряжений в коленчатом вале, являющемся одной из наиболее нагруженных деталей дизеля и воспринимавшем в процессе работа переменные нагрузки от сил давления газов, сих инерции врадаищшсся и поступательно движущихся масс, нагибных и крутильных колебаний. Это требует активизации работ по созданию новых и совершенствованию существующих методов проектирования, обеспечивающих надежную работу валов в последующей эксплуатация.

Анализ методов проектирования коленчатых валов на опыте создания тепловозных дизелей трех поколений, начиная от хонст-

руирования по образцам-аналогам и кончая современными методами расчета с применением ЭВМ, показывает невозможность получения полноценного изделия при однократном начально« введении всей информация для расчета. Процесс формирования нового изделия неизбежно разворачивается во времени я является распределенным в нем как последовательно стадийный процесс преодоления неопределенности, согласования г совершенствования, охватывавший весь жизненный цикл изделия: стадию технического задания и эскизного проектирования, стадия технического проекта и выпуска рабочей документации, стадию опытного образца и развертывания серийного производства и стадии расширенной эксплуатации.

Последовательно применяемые на различных стадиях математические и физические модели, методы и средства должны иметь возрастающий уровень точности /адекватности/ с цельп постепенного приближения к оптимально сбалансированным служебно-прочностным качествам вала на всех стадиях жизненного цикла, гарантирующим получение требуемых показателей надежности и долговечности изделия в пределах заданного срока службы.

Таким образом возникает необходимость перехода от совокупности разрозненных прочностных расчетов к комплексной системе для оперативной отработки, всестороннего обоснования и обеспечения прочности коленчатых валов, обладающей, с одной стороны, достаточной полнотой и автономностью и, с другой, возможностью встраивания в более широкий системный комплекс по автоматизированному проектировании двигателя в целом.

В связи с этим в представленной работе решается крупная научная проблема создания системы моделей, методов и средств для оценки в обеспечения прочности коленчатых валов транспорт-пых дизелей, вмещая большое народнохозяйственное значение.

Актуальность разработки данной темы определяется наобхо-

демостью резкого повыпепия эффективности процесса активной отработки конструктивных $оры коленчатых валов, с целью получения в готовом изделии оптимальных прочностных и евсткостных свойств.

Подтверждением актуальности данной темы является разработка направления системного проектирования машин, оборудования, приборов и аппаратуры в таких ведущих институтах страны, как Государственный научно-иссладоват&льскяЯ институт машиноведения Академии Наук, ШиЗГОШ, ШИЕГ, МГГУ им.Н.Э.Баумана, ВШШЕГ-МА!П и др., а также на предприятяях: ПО "Коломенский завод", ЗЩ, Ш "Брянский машиностроительный завод" я др.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в разработке недостающих звеньев в системе формирования основных функциональных свойств коленчатых валов транспортных дизелей в виде комплексов расчетов и испытаний по оценке а обеспечении прочности а жесткости, определенно всего спектра действующих нагрузок и границ предельных состояний, а также в разработке принципов рационального объединения этих созданных моделей, методов я средств в многоуровневую обиуы систему с обоснованием последовательности их применения по этапам становления изделия.

В соответствии с этил в работе бшш поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Разработка системы моделей, включающей расчетные /заменяющие/ модели элементов вала, поисковые /имеющие варьируемые входящие параметры/ рабочие модели, металлические натурные модели для исследования напряжений к деформаций валов, регрессионные модели, математические модели по каждому основному критерию прочности и жесткости и глобальную прочностную модель вала. Для этого требовалось решение следующих вопросов:

- исследование упруго-силовых взаимосвязей между элемента-

ил вала при кручении и изгибе с определением гласных нагрузочных в геометрических параметров, вяиякзих на напряженное состояние опасных участков вала;

- установление необходимое области и интервалов варьирования конструктивными и силовыми параметрами для определения необходимого состава поисковых моделей;

- разработка и изготовление металлических моделей для исследования напряженно-де^ормироЕанвого состояния валов;

- сравнительный анализ основных {ункцнональкых критериев работоспособности коленчатого вала и выбор оптимального их качественно-количественного состава, обеспечивающего достижение в будущем изделии необходимого уровня надежности и долговечности.

2. Создание системы расчетных методов, содержащей новые методы для оценки прочности внутренних полостей шеек при изгибе и кручении, расчета изгибной податливости валов, адаптированные и улучшенные существующие метода расчета прочности опасных сечений, а также поисковые методы, встроенные в стратегию многокритериальной оптимизации конструкции вала. Это потребовало проведения следующего ряда работ:

- анализ и обобщение разработанных отечественными и зарубежными учеными методов расчета коленчатых валов и выбор наиболее прогрессивных из них, обеспечивающих необходимую точность получаемых результатов и наилучшую возможность встраивания в общую систему проектирования вала;

- обоснование применения для оценки напряженно-деформированного состояния щеки рала известных решений плоской /двумерной/ задачи теории упругости;

- проведение широкого комплекса расчетно-экспериментальных исследований по оценке влияния изменения каждого конструктивно-

го параметра вала на напряженное состояние внутренних полостей аеек л на иэгнбную податливость шла;

- выбор поисковых методов оптимизация а разработка принципов та объединения в общей стратегии поиска оптимальных конструктивных параметров вала.

3. Формирование сестемы технологических методов с цельо установления рациональных' режимов упрочнения галтелей валов повер-хкостюм пластическим деформироганием /ииЛ/, табора состава ма-тариала сэдехня и технологии его получения, нейтрализации внутренних ыэталлургических дефектов в литых залах. Для этого ропа-лнсь следующие вопроси:

- проведение натурных усталостных испытаний стачышх п чугунных коленчатых валов тэпловозгах дазалеЁ различных типов;

- проведение пспытанМ на усталость на изгиб с вращением з на растявдние-смтие образцов из стала я высокопрочного чугуна;

- псследованкэ напряжений на погоргаости шеек п щек, а также в поперечных сечениях шатунно? шейки в местах залегания внутренних металлургических дефектов;

- оценка влияния различякх сХаятороэ на сопротивление усталости материала валов /асимметрии цикла яагруяення, качества поверхности п др./.

4. Разработка системы средств для пояска л выбора оптимальной конструкции вала, а аервуо очередь в виде блок-схемы создания п отработки его конструктивных форм с указанием необходимого инструментария, а такяе в ввде стендов для исследования наггря-аенного состояния и яесткости валов, в виде грантов, диаграмм

з результатов исследований. С этой целью проводился рад работ, включающий:

- разработку блок-схемы формирования оптимальной конструкции коленчатого вала;

- проектирование и изготовление стендов для исследования напряженно-деформированного состояния валов;

- создание пакета прикладных программ для ЭБМ по определению основных параметров прочности и жесткости валов я др.

Методы исследований. Расчетные исследования основаны на использовании методов теории упругости. Экспериментальные исследования напряжений выполнялись методом электротензометрирования в условиях стендового нагружения. Сопротивление усталости материала и циклическая прочность валов устанавливались по результатам испытаний, соответственно, стандартных образцов и натурных изделий. Для обработки результатов испытаний использовались статистические метода. Получение системных расчетных и опытных данных осуществлялось с использованием методов планирования эксперимента. Сравнительная оценка влияния входящих исследуемых параметров на заданные функции цели проводились методом регрессионного анализа. Оптимизация выполнялась на основа применения поисковых методов, обеспечивающих нахождение локальных и глобального экстремумов.

Научная новизна. Разработана комплексная система моделей методов и средств, позволявшая получить оптимальные параметры коленчатого вала транспортного дизеля для обеспечения требуемых служебных показателей /по надежности и ресурсу/ на всех стадиях становления изделия с учетом своевременной корректировки последующего исполнения изделий путем периодических оценок их состояния в реальных условиях производства и эксплуатации по мера . расширения выпуска и с$еры применения.

Разработаны принципы объединения аффективных методов и средств в предаетно-ориентироЕанные комплексы расчетов и испытаний для охвата сложного структурного состава основных звеньев вала, в целях объективной оценки и отработки принимаемых про-

ектировяшком решений для достижения в конструкции требуемой прочности и жесткости в сочетании с заданной металлоемкостью и технологичностью изготовления.

Усовершенствованы существующие методы расчета напряженного состояния и циклической прочности валов в сечениях по галтелям и в районе отверстий для сказки за счет охвата многообразия нагрузочных состояний за цикл работы двигателя, что является дальнейшим развитием теории расчета коленчатых валов.

Разработан новый метод расчета запасов циклической прочности во внутренних полостях пеек вала с учетом многообразия действующих нагрузок. Количественно оценено влияние каждого конструктивного параметра вала на напряженное состояние полостей при различных типах нагружения.

IIa основании серии расчетов моделей 2-го и 3-го уровней в сочетании с экспериментальными дачными получены значения безразмерных коз^ицпентсЕ, показывапда: степень влияния конструктивных параметров коленчатого вала на его изгнбную податливость. На базе полученных зависимостей разработаны методы расчета податливости валов при чистом и поперечном изгибе, позволяйте при расчете вала по неразрезной схеме с учетом несоосности и упругой податливости опор задавать его яесткостные параметры не по результатам предшествунцих трудоемких експериментальннх исследований, а на основании оперативных расчетов указанными методами.

Исследовано влияние усталостных нераспространяотихся трепан в упрочненных галтелях на долговечность коленчатых валов. Впервые показано, что наряду со стальными валами, в интенсивно наклепанных галтелях валов из высокопрочного чугуна проявляет себя эффект торможения усталостных трещин, что служит существенным резервом увеличения долговечности детали. Найдены предельные

размеры нэраспространягашпсся трещин.

Осенена эффективность применения прогрессивных методов получения высокопрочного чугуна /суспензионная заливка н модифицирование комплексной лигатурой/ с целы) устранения количества металлургических дефектов в литых валах и, в конечном счете, повышения сопротивления усталости материала и циклической прочности натурных валов.

Исследовано влияние различных факторов /асимметрия цикла нагруяения, качество поверхности и др./ на сопротивление усталости материала валов.

Проведено обоснование выбора критериев оптимальности формы вала. Получена система критериальных неравенств, составляющая математическую многофункциональную модель коленчатого вала.

Разработана стратегия многокритериальной оптимизации конструкции с использованием построенной математической модели вала| нахождением локальных экстремумов и опорных областей по условию равнопрочности всех потенциально опасных сечений, минимизации массы и заданной изгибной жесткости вала, с учетом технологических факторов в качестве ограничений на область оптимальных решений.

Практическая значимость. Внедрение разработанной системы моделей, методов и средств для оценки и обеспечения прочности коленчатых валов позволяет значительно сократить сроки проектирования, а также устранить большие непроизводительные материальные затраты на внеплановые ремонты в эксплуатации изделий, на получивших в период проектирования и опытного изготовления всесторонних оценок и комплексного обоснования принятых решений. Система позволяет получить равнопрочную конструкцию вала, удовлетворяющую требованиям надежности на заданный срок службы в эксплуатации.

Определены главные нагрузочные и геометрические параметры, влитие ка напряденное состояние опасных участков вала и его аесткостныа характеристики.

По результатам натурных усталостных испытанна установлены рациональные режимы поверхностного пластического деформирования галтелей коленчатых валов тепловозных дизелей с диаметром шатунных шеек 165-250 ым.

Установлены критические размеры ^распространяющихся трещин в интенсивно наклепанных галтелях валов из высокопрочного чугуна.

Подтверждена эффективность специальной технологии ремонта коленчатых валов, получитлих повреадения в эксплуатации п восстановленных в заводских условиях.

Исследовано сопротивление усталости высокопрочного чугуна с сароЕидным гранитом в зависимости от микроструктуры, химического состава, асимметрии цикла, качества поверхности. Полученные данные могут быть использованы в практике проектирования на всех предприятиях машиностроения, выпускающих детали из данного материала.

Установлена степень' разупротаяотего действия внутренних металлургических дефектов в лптых коленчатых валах и уровень предельных напряжений, при которых происходит развитие усталостных трещин от дефектов. Даны практические рекомендации по устранению опаоьости разрушений от внутренних дефектов.

Разработана подсистема "Автоматизация проектирования коленчатых валов транспортных дизелей", применяемая в учеСно-проект-ной САПР в рядо вузов.

Научные положения работы внедрены в практику проектирования коленчатых валов на предприятиях транспортного мапиностроения. Результаты исследований вошли составной частью в отраслевой

стандарт ССТ 24.062.08-83 "Валы коленчатые чугунные дизелей в газовых двигателей. Общие технические условия". Экономический фект от внедрения результатов работы на предприятиях транспортного малиностроения за счет увеличения долговечности валов, повышения их надежности в эксплуатации, снижения затрат на внеплановые ремонты дизелей составил 260 тыс.рублей в год.

Апгобалкя работа. Основные положения и результаты диссертации по мере разработки ее содержания докладывались и обсуждались на межотраслевых и межвузовских научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах: на межотраслевой конференции по проблемам прочности и динамики локомотивов во Всесоюзном научно-нссле-довательском тепловозном институте, г.Коломна, 1977г., на научно-технических конференциях ]ГТР ПО "Коломенский заЕод" в 1977, 1978, 1979, 1931, 1983, 1984, 1935г.г., на 11-й научно-технической конференции ИГР ГО "ЕрянсхиЯ машиностроительный завод" в 1979г., на 50-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Брянского института транспортного машиностроения в 1991г., на заседаниях кафедры Двигателей внутреннего сгорания Б;!?», г.Брянск, 1984, 1992г.г., на техническом совещании 1ГГР завода тепловозных дизелей ПО "Брянский машиностроительный завод", 1984г., на республиканских научно-практических конференциях БГПИ, г.Брянск в 1991, 1992г.г. и др.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в монографии, 15 статьях и 19 научно-технических отчетах, выпущенных автором в ПО "Коломенский завод".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы 329 наименований и приложения. Работа содержит 300 страниц основного текста, 107

рисунков и 38 таблиц, приложения приведены на 79 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТК

1. Состояние вопроса

В данной главе на основании рассмотрения достаточно широкого круга литературных источников проведен обзор и анализ традиционных методов проектирования коленчатых валов, а также рассмотрены различные аспекты системного подхода к решению данной проблемы.

Основные направления развития методов расчета прочности коленчатых валов изложены в работах С.Б.Серенсена, Р.С.Кинасставили, А.С.Орлина, В.Ф.Грозы, Б.А.Шороха, Л.Д.Котельяикова, А.СЛей-ккна, Н.С.Ханина, а также Х.Мааса, А.обергарда, Х.Гайгера, И.Та-катаки, И.Араи и др. Технологическим методам обеспечения прочности коленчатых валов посвящены работы И.Б.Кудрявцева, Л.М.Школьника, Е.ИДуха, И.Т.Гончарова, а таххе В.Финнерна, М.Нишихары, А.Риста, У.Босси, М.Щендера и др.

Анализ опубликованных материалов по традиционным методам проектирования коленчатых валов в отработки конструктивных форы их элементов на основ« расчетных и экспериментальных исследований, а также использования прогрессивных технологических методов упрочнения показывает, что в практике проектирования имеется достаточно большое количество расчетных схем в моделей, экспериментальных методов исследования напряженно-деформированного состояния, технологических способов повышения циклической прочности,

разных по содержанию, назначении, уровню достоверности и возмож-

)

востям реализации на практике.

В последние годы преобладали два основных подхода к расчетам на прочность, в одном из хоторнх предпочтение отдавалось

упрошенным моделям и методам, представленным в справочных пособиях и новых разработках ряда авторов, в которых наблюдается стремление к необоснованному исключению некоторых важных сторон задачи, к разрозненности отдельных направлений, затрудняллих их объединений в совместные решения и комплексные программы. Другой подход связан с нарастающей тенденцией применения высокоточных методов /конечных элементов или суперэлементов/ с палью единого охвата всей сложности конструкции, при частичном или полном отрицании приближенных методов, что зачастую ведет к потере эффективности точных методов из-за их информативной несовместимости с ранними стадиями проектирования конструкции.

Создание оптимальной конструкции коленчатого вала невозможно при использовании самых современных направлений отдельно друг от друга, что свидетельствует о необходимости развития каждого направления в тесной взаимосвязи друг с другом для последующего эффективного совместного применения. Для преодоления односторонности каждого из подходов возникает необходимость их рационального объединения в общую систему и распределения по уровням применения, совпадающим с этапами создания вала с целью постепенного сокращения неопределенности при продвижении по стадиям формирования конструкции будущего изделия.

Для коленчатых валов тепловозных дизелей наиболее предпочтительным является применение квазистатического расчета по неразрезной схеме с учетом несоосности и упругой податлетости опор. Однако жесткостные характеристики валов, вводимые в расчет в качестве исходных данных определяются, как правило, по приближенным полуэмшркчаским справочным формулам, имеющим ограниченную достоверность для валов с большим перекрытием шеек, или по результатам трудоемких экспериментальных исследований на натур-

ЕЛОК 2

от блока 1

Углубленное обоснование конструкции вала на расчетных моделях 2-го и 3-го уровней

5.1

Расчет вала по неразрезной схеме по методике предприятия. Определение размахов напряжений /по длине вала/ за счет охвата нагрузочных состояний за цикл работы двигателя

г

6.1.1 5.1.1

Опре- Опре-

деле- деле-

ние ние

сопро- изги-

тивле- бной

ния пода-

уста- тли-

лости вости

мате- коле-

риала нча-

вала того вала

X

5.2

Расчет осевых и изги-Сных колебаний вала

5.1.2

Расчет

УПРУГОЙ

податливости опор

Олок-картера

6.1

Определение запасов прочности при изгибе по галтелям Пбг2,0

Ш

5.3

Расчет крутильных колебаний валопровода.Выбор конструкции и параметров антивибрационных агрегатов. Определение размахов /амплитуд/ крутящих моментое

X

5.3.1

Определение запасов прочности на необработанных

участках

внутренних полостей при кручении ¡гв?-2.3 /для валов из

БОТ/ <

X

5.3.2

Расчет на неподвижность и прочность разъемных соединений, входящих в конструкцию вала /прессовых и фланцевых/

Оценка вариантов по-следователь-ности работы цилиндров по условию ограничения коути-льных колебаний, нагрузки на подшипники и внутренних изгибающих моментов, действую— щих на Олох-картер

Расчет подшипников по методике предприятия и уточнение величин

^•и > 'к >

массы противовесов и схемы их расположения

Определение запасов прочности при кручении по галтелям и кромкам смазочных отверс-

тий М^»2,5

Уточнение $ч>рм и размеров ^ вала /во втором приближении/ для опнтного изготовления по расчетным данным и заданным критериям раСотоспосоОности

____ к блоку 3 | ______

Рис. 2. Елок-схема создания коленчатого Бала транспорт ного двигателя /стадия технического проекта н выпуска рабочей документации/

Гбгок

7.1

Статическое тензометриро-вание кр/Еопи-па для уточнения коэ^жие-нтог концентрации напряжений е галтелях

7.2

Динамическое тензометриро-вание на работающем деэтэ-теле

от блока 2

Экспериментальные исследования напряженного состояния и прочности натурных Балов

8

Проверка запасов прочностг при изгибе и кручении на основании экспериментальных исследовании из условия ПлЫ,9, гг_ь2,3.

При получении кэблагопри-ятнкх результатов производится уточнение размерных параметров вала и возврат к п.5 блок-схемы

X

7.2.1

Сценка уровня напряжений изгиба и кручения в зале в рабочем диапазоне режимов

7.2.2 7.2.3

Проверка Оценка

наличия влияния

изгибкых отключе-

и продо- ния ци-

льных линдров

колеба- вследст-

ний в вие вы-

вале хода из

строя

элемен-

тов топ-

ливной

аппара-

туры

7.2.4

Оценка предельно допустимой величины износа пальцев антивибраторов и срока службы демпферов

к блоку 4

7.3

Испытания на усталость натурных валов при изгибе

Испытания на усталость натурных галов при кручении

7.5

Испытания на усталость /при изгибе и кручении/ валов из ЕПЧ для установления в технических тое-боганиях верхней границы допустимых размеров металлургических дефектов в вале

Рис. 3. Блок-схема создания коленчатого вала транспортного двигателя /стадия опытного образца и развертывания серийного производства/

ПОК 4

9.1

Установление верхних гранил роста амплитуд напряжений из-гиоа в условиях работы вала: при максимально допустимой разнице изно-сов в подшипниках и предельной ступенчатости опор в блок-картере /с учетом влияния его неравномерного нагрева/

от блока 3

п

Проверка достаточности за-плсое прочности б условиях серийного производства и расширенной эксплуатации: Н<<»1.6, 1Ц.»2,0, и 1и»1,6 наеденных с учетом нитаея /допускаемой/ границы качества изготовления вала и предельно достигаемого роста амплитуд циклических напряжений в нем за период назначенного ресурс3 и последующих ремонтов /до списания двигателя .

Введение корректив в конструкцию или технологию, а также в систему управления качеством и эксплуатационную документацию для обеспечения требуемых уровней прочности, гарантирующих заданную надежность _

9.1.1

Определение предельно достигаемо?, ступенчатости опор блок-карте ра после отработки валом назначенного ресурса и последующих межремонтных сроков /с учетом предусмотренного восстановления точности при ремонтах/

9.1.2

Получение и обработка ста-, тистиче-ских данных по формоиэ менению блок-ка ртера и разъемных опор износов вкладышей и шеек вала

I

9.2

Сценка роста амплитуд напряжений кручения в вале е рабочем диапазоне режимов двигателя /с наибольшей разрегулировкой 110 щдои-драм/ при—' ' предельно допустимом состоянии антивибрационных агрегатое, демпферов и соединительных муфт

9.3

Проверка сохранения стабильности качества изготоглення по результатам периодических испытаний на уС' талость /при изгисе и кручении/ валов серийного производства из Ы1Ч, имеющих наибольший допустимый объем металлургических дефектов /по контролю/

9.2.1 8.2.2

Уточнение Получение

сроков за- и обрабо-

мены вту- тка ста-

лок и па- тистичес-

льцев ан- ких дан-

тивибрато- ных по

роЕ,элеме- износу

нтов упру- деталей

гих муфт. антивиб-

восстанов- раторов

ления ре- и сроку

гулировки службы

двигателя демпфе-

/по мощ- ров

ности/

Рис. 4. Елок-схема создания коленчатого вала транспортного двигателя /стадия серийного производства и расширенной эксплуатации/

отельных части, отвечанциа основным периодам существования конструкции: 1. техническое задание и эскизное проектирование,

2. стадия технического проекта к выпуска рабочей документации,

3. стадия опытного образца и развертывания серийного производства, 4. стадия серийного производства и расширенной эксплуатации. Такой подход был использован ранее М.А.Салтыковым при разработке блок-схемы создания транспортного дизеля.

с разработка блок-схемы /рис. 1-4/ выполнена на основе системного подхода и обобщения накопленного опыта по созданию коленчатых валов с диаметром шатунных шеек в диапазоне от 165 до 250 мм,, результатов завершенных исследований, разработки методов расчета разных уровней и испытательных средств, а также привлечения имеющихся литературных источников по анализу нагруженнос-ти, оценкам работоспособности и совершенствованию валов для двигателей внутреннего сгорания.

Требуемый поэтапный подход от начально низких на более высокие уровни в достигаемой полноте охвата существенных сторон формируемой конструкции и правильности их отражения выполняется за счет расширения состава и качественного содержания поочередно вводимых расчетных и экспериментальных моделей и методов, соответственно возрастающих уровней достоверности, с реализацией получаемых возможностей в виде взаимно дополняющих комплексов расчетов и испытаний. При этом по мере возрастания точности и объективности результатов предусматривается в системе отработки углубленное рассмотрение состояния конструкции во всех важных стадиях жизненного цикла изделия, с возможностью введения корректирующих поправок /обратных связей/ в целях достижения необходимого соответствия получаемых /итоговых/ показателей с заданными критериями работоспособности на каждой стадии формирования конструкции коленчатого вала.

Благодаря этому становится возможным обеспечение для вала достаточных псказататеЯ сопротивления действующим эксплуатационным нагрузкам, при которых будет гарантироваться /с высокой степенью вероятности/ заданная надежность в период всего срока службы.

3. Разработка и применение моделей 2-го и 3-го уровней для оценки циклической прочности элементов коленчатых валов

Данная глага состоит из трех частей, в первой из которых рассмотрены методы и средства оценки прочности традиционно опасных сечений по галтеля:.; п отверстиям для смазка, во второй изложены принципы построения нового метода расчета элементов вала п в третьей показана эффективность рекомендуемых новых подходов к расчета?/, запасов црочностк в опасных зонах вала.

Методика определения напряжений в галтелях коленчатых валов р в поперечных сечениях веек у отверстий для смазки подробно разработана А,С.£ейкклым, немецкими учеными Х.Маасом. ©.Гангом, Г.Зоннтагом, японскими - ТЛйи, И.Такагаки, американскими Ч.Кано, У.Фесслером и др. Б целях улрошенкя авторы предлагают принять совпадающими области на поверхности галтели, где возникает максимальные нормальные напряжения при изгибе вала в плоскости кривошипа и максимальные касательные напряжения при кручении, а е некоторых случаях и пренебречь напряжениями от действия тангенциальных сил.

Практика проектирования валов вксокофорсированных транспортных дизелей показывает, что такой подход возможен лишь на стадии эскизного проектирования, а на стадии технического проекта ведет к неточности в определении запасов прочности. Б связи с этим для получения достоверных результатов было предложено

при проЕвденин расчетов учитывать многообразие нагрузочных состояний вала за цикл работы дизеля. При этом графичесике зависимости для коэффициентов концентрации и общей неравномерности напряжений, полученные различными исследователями, анализировались, сопоставлялись г дополнялись исследованиями аЕХ9рз.,Л»разулад:ате.~»-- -чего были получены обобщенные зависимости, приведенные к некоторой базовой модели коленчатого вала, геометрические параметры которой соответствовали середина диапазона значений, характерных для коленчатых валов тепловозных дизелей.-

Отличие предлагаемой методики расчета от традиционно известных заключается в том, что на основании полученных обобщенных зависимостей проводятся серия расчетов при различных положениях результирующего Еектора радиальной нагрузки и для каждого положения в местах концентрации напряжений в автоматическом режиме ведется /методом совмещения/ построение эпюр напряжений с последующ®,! выделением огибающих минимумов и максимумов и установлением амплитудных и средних значений напряжений, используемых далее для определения запасов прочности. Учет многообразия нагрузочных

Рис* 5. Эпюра размахов переменных нормальных напряжений в галтели коленчатого вала двигателя 1641126/26 /а/ и значения коэффициентов запаса прочности /б/ при совместном действии кручения и изгиба с учетом многообразия нагрузочных состояний за цикл работы двигателя /кривая 1/ и без учета данного фактора /кривая 2/

состояний за цикл работы даигателя уточняет расчетные запасы прочности в галтелях и на кромках отверстяй для смазки в среднем на 10,% /рис. 5/, что подтверждается результатами натурных усталостных испытаний валов.

При традиционном проектировании совершенно отсутствовали методы расчета кангх-либо других участков вала кроме галтелей в смазочных каналов, что незамедлительно проявилось на дизелях повышенной форсйровки, имеющих валы из высокопрочного чугуна, где усталостные тренжня в изделиях первых конструктивных вариантов, развивались от участков внутренних полостей шеек, примыкавших ж торцам цен. При этом разрушения носили крутильный характер.

Подробные расчетные и экспериментальные исследования условий деформационного п силового взаимодействия элементов вала при кручении п изгибе позволили установить, что главны/, нагрузочным состоянием, определяющим прочность внутренних поверхностей щек является крученое, и что уровень переменных напряжений в этих зонах зависит главным образом от ее собственных геометрических параметров и величины передаваемого крутящего момента.

Это позволило выделить щеку в качестве отдельного расчетного объекта в виде плоской двухконтурной проушины переменной тол-щп®, нагруженной в срединной плоскости двумя кольцевыми потоками суммарно уравновешенных касательных усилий.

При расчете напряжений в выделенной двумерной модели щека был применен метод макроэлементов ДИЭ/, разработанный ранее М.А.Салтыховым для замкнутых силовых контуров шатунов и подшипниковых узлов дизелей. Для рассматриваемой ыногосвязной /многоконтурной/ области, какой является дека вала, с очертаниями в виде отрезков прямых и дуг окружностей, в качестве укрупненных единиц для создаваемой модели принимаются внутренне однородные

подобласти-анаяоги исходной макроформы тела, выделяемые в ней введенными граничными сечениями, в веде макроэлементов двух типов: основных СМЭ - криволинейно-кдиновддноЗ формы и согласующих СМЭ - треугольной формы /рис. 6/.

Они образуют только две взаиаиодополняегше группы в составе любой по сложности расчетной области указанного типа, каждая из которых допускает разработку для нес обобщенного аналитического аппарата /на основе решений прикладной механики твердого

деформируемого тела/ для получения экономных в реализации и достаточно точных результатов при расчете конкретных конструктивных звеньев.

Далее осуществляется переход от телесного элемента к эквивалентному стержневому аналогу - одномерному конечному элементу и построению из этих элементов рамного отображения исходного контура щеки. Признаком равноценности замены принята эквивалентность построенной системы и исходного контура по упругой энергии изгибных деформаций. Преимущество принятой схемы заключается в универсальности применения благодаря возможности широкого варьирования параметрами входящих элементов-стержней при сохранении определяющих признаков стержневой системы как расчетного образа.

Статическая неопределимость стержневой модели щеки раскры-

' ?? • ■ у I

Рис. 6. Схема разделения плос кой модели щеки на макроэлементы

Бается применением распространенного метода сил путем решения системы канонических уравнений а матричной форме. Далее выполняется определение напряжений в сечениях исходного контура щеки по схеме обобщенного кривого бруса с локальной приведенной кривизной п уадго«! (фактических характеристик сечений.

На стадии разработки технического проекта коленчатого вала для обеспечения достаточного запаса прочности на внутренних поверхностях пек необходимо применение многократно повторяющихся

расчетов каждого нового варианта конструкции. Для сокращения затрат временя на проектирование был разработал метод расчета, основанный ка использовании коэффициентов влияния.

На основании серии расчетов более ста двадцати вариантов рабочих моделей /иакро-злементных двумерных при кручении и кснечно-элементных при изгибе, рис. 7/, а также широких экспериментальных исследований были выявлены наиболее значимые геометрические параметры, изменение которых существенно влияет на уровень напряжений в опасных зонах щек: ширина щеки В , диаметр продольного отверстия в шейке (1 , толщина Н а скос Б щеки.

Рис. 7. Объемная модель коленчатого вала, представленная ансамблем конечных изопарамет-рических криволинейных элементов

В соответствий с разработанным методом .напряжения в любой точке внутреннего контура щеки, соответствующей определенному значению центрального угла 9, ыогут быть найдены по формулам:

б(к\в)= б(„к)п ff(0), б(и\в) =б(ни)п^(0) /1/

«•■' iM

где

б™ в б'«' - ноинаальнко напряжения в базовой модели, fïtBj и fit®) - коэффициенты относительного влияния L -го ; параметра при кручении и изгибе,

m е Z - число основных /влияющих/ конструктивных параметров при кручении е изгибе.

Погрешность разработанного метода не превышает ±8%, что подтверждается результата® экспериментальных исследования.

На рис. 8,а показана эпюра размахов пе-

Рис. 8. Суммарная эпюра размахов перемен- Р*"6™ напряжений, них напряжений /а/ и значения расчетных найденная с учетом запасов прочности /б/ на внутреннем кон- ШОГСЮ0разия нагрузоч-туре щеки вала дизеля 16ЧН26/26 при совместном действии кручения а изгиба; *** состояний за цикл

дд экспериментальные значения работы дизеля и значе-

ния запасов прочности /жривая 1 на рис. 8,6/ в этой зоне. Для сравнения на рис. 8,6 изображена кривая 2, полученная Оез учета многообразия действующих нагрузок. Таким образом учет данного важного фактора позволяет на уточнить расчетные запасы

прочности, что подтверждается результатами динамического тензо-

метряроЕания на работающем двигателе а испытаниями на усталость натурных валов.

4. Разработка и применение технологических методов в средств повизекия циклической прочности коленчатых валов

Технологические методы и средства являютя обязательным элементом системы Армирования конструкции вала. Для езяов тепловозных дизелей принят комбинированный метод упрочнения, включающий азотирование шеек и упрочнение галтелей поверхностным пластическим деформированием /ШЩ/. Исследования, проведенные учеными ЦНЯПМАШа под руководством И.Б.Кудрявцева, показали, что рациональными границами для глубины наклепа являются С.¿0,051), а для степени наклепа - 0,02^^^0,08, где I) -диаметр вала, ц = = Ь /г , Ь -глубина пластического вдавливания ролика с профиль-

4 Ь с 1 т

2- »

е «Г;

2 а

ным радиусом р /см.область йбсс£ на рис. 9/. Области в{ф и Итп , расположенные внутри прямоугольника йВсс!, соответствуют режимам обкатки, устало-:иенным для стальных и чугунных валов

тепловозных дизелей. Задание парамог- 9* 0йласть Р3"

II циональных режимов ШЩ и "

ра * левое тратт ef н Н » па- р(Ш1Ш 0(5кагм стмьных

рачетра а ниже границ вп и кп я чугунных

не обеспечивает необходимого эффекта Еал0Е тепловозных дизелей упрочнения, а выбор их правее линий ^ и ШП. и выше линий и 1п сопряжено с увеличением коробления в результате накатки. На рис. 10 показаны кривые усталости, полученные при испытаниях валов из высокопрочного чугуна.

Как известно скорость развития усталостных трещин является

одним из главных факторов, определяющим долговечность конструкции. Использование различных возможностей уменьшения скорости роста трещины служит существенным резервом увеличения предела выносливости детали. Наибольшую практическую ценность имеют условия полного прекращения роста трещины и возможность длительной безаварийной работы детали при наличии в ней остановившейся усталостной трещины.

Учитывая, что до настоящего времени исследования нераспро-страняюешхся трещин в коленчатых валах практически не проводились, был проведен ряд работ с целью изучения поведения таких треакн в интенсивно наклепанных галтелях, оценки э£$екта торможение трещин £ условиях ШЩ и определения критической длины трещин. Исследования проводились на коленчатых валах нз высокопрочного чугуна. Регламентированная глубина упрочненного слоя в галтелях К 6 и Я 8 таких валов с диаметром шатунных шеек З^, = = 165-2001.« составляет а >0,02 2>

Испытания на усталость при изгибе показали, что усталостные трещины е интенсивно наклепанных галтелях начинают проявлять себя при долговечности 6 1С6цихлов, а ускоренный рост их заканчивается при 2'1Сб-5'106цкклах нагружений, причем конфигурация фронта этих трещин имеет кольцевую форму, примыкающую к поверх-

Рис. 10. Кривые усталости коленчатых валов с азотированными /3,5/ и упрочненными ПЛД /1,2,4/ галтелями при изгибе. 1,2 - валы двигателя 16ЧН26/26, 3,4,5 - валы двигателя 23/30, 4 и 5-усилие обкатки соответственно 16 кН и 20 кН

ности галтели. Пра испытаниях с перегрузкой 1,8-1,9 /то отношение к нагрузкам на вал при работе дизеля на режиме полной мощности/ валы с нераспространяющимися трединами в галтелях глубя-

7

ной 0,4-1,5 мм проходили базу испытаний 10 циклов без разрушений. Была установлена предельная глубина ^распространяющихся трещин 1рр = 2,1-2,5 мм для указанных высе параметров упрочнения галтелей О. и £

Этап серийного производства и расширенной эксплуатации изделия, показанный в качестве заключительного блока блок-схемы создания коленчатого вала, завершается, как правило, еше одним важным периодом жизненного цикла вала. Этот период включает стадии ремонтов и восстановлений вышедшей из строя детали, повторную установку на дизель я последующую работу в эксплуатации. Б связи с этим в данной главе проводилась оценка эффективности одной из прогрессивных технологий /разработанной в ПО "Коломенский завод"/ восстановления в заводских условиях стальных я чугунных валов, получивших в эксплуатации прижогя и задиры шеек. Технология восстановления заключается в перетлифовке шеек со съемом 1,0-1,5 мм на диаметр, повторном азотировании вала, прорезке галтелей и их накатке роликом. Проведенные усталосные испытания валов двигателей 1641126/26 и бЧНЗС/ЗЗ показали, что восстановленные валы обладают достаточным запасом прочности по изгибу, находящимся на уровне запасов для серийных вновь изготовленных валов п6 »1,7-2,0, что подтверждает эффективность предлагаемой те отологии и решает вопрос ремонтопригодности чугунных и сталъных валов транспортных двигателей.

Весьма важным является вопрос выбора состава материала для стальных и особенно чугунных коленчатых валов, составляющих около половины выпускаемых валов для транспортных дизелей.

Лля высокопрочного чугуна с шаровидным графитом /ЧЕТ/ возникает необходимость установления рационального химического состава и микроструктуры, выбора модификатора, способа заливки и учета многих друтих факторов, вдияпцих на свойства материала, условия затвердевания отливки, размеры и форму графитовых включенийь появление внутренних в поверхностных металлургических дефектов и т.д., о предел яшех в конечном счете сопротивление усталости материала и циклическую прочность готовой детали.

Проведенные испытания при изгибе с вращением большого числа стандартных образцов /рис. 11/ показали, что наиболее предпочтительным для коленчатых валов является ЯХТ с перлитной структурой, легированный небольшим количеством меди /0.4-С.б£/.

Легирование медью не является необходимым с точки зрения получения требуемых служебных характеристик материала, т.к. несколько повышает его чувствительность * концентрации напряжений. Основной его целью является повышение устойчивости парлитной основы при нагревах в процессе квотирования я термоправок для

ба, Ща 2СС 1 1 --О- 204

150 N й Й ■ 1>л-'"1

N ч в! Г- 1 ! Ь >

г (О * Т^-148

- ^ 1 -Шн™

1С5 10ь 107

Рис. 11. Кривые усталости образцов из ЧЕГ 1-5 - образцы гладкие, 6-10 - образцы с У-образным надрезом, 3,4,6,8-материал в литом состоянии, 1,2,5,7,9,10-материал термообработан, 1,3,6,10-100!? перлит, ле-гир.м^дью, 2,9-802 феррит, легир.мелью, 5,7-802 феррит, без меди. 4.8-2СЕ? феррит, без меди

сохранения размерной стабильности вала в обеспечения необходимой глубины я твердости азотированного слоя на шейках после шлифовки.

Для валов из Ч2Г большое значение имеет вопрос уменьшения количества усадочных дефектов в отливках." В связи с этим было рассмотрено два предложения, реализованных на Коломенском тепловозостроительном заводе, первое из которых состояло в применения разработанного Л.А.Рыжиковым метода суспензирования. осуществляемого путем введения чугунной дроби или измельченной стружки в струг металла непосредственно при заливке, что увеличивает количество центров кристаллизации при охлаждении отлиеки и ученьсает в связи с этим число усадочных дефектов. Второе предложение состояло в применении вместо магния комплексного модификатора ЗКЖ, разработанного украинскими учеными, позволяющего снизить количество усадочных дефектов я вероятность возникновения дефектов типа плен, повысить качество отливки. В целях реализации указанных предложений были отлиты ДЕв партии опытных валов, испытания которых были проведены автором. Кроме того были проведены испытания на усталость стандартных образцов, вырезанных из этих валов.

Результаты испытаний показали, что предел выносливости образцов из суспензированного чугуна находится на уровне серийного ТЕГ, а обработанного комплексный модификатором на ~ 8% вьсе, чем у серийного. Циклическая прочность при изгибе натурных валов, отлитых с суспензярованием, на ~1С55 Еызе, чем соответствующие показатели для серий'гых валов, а отлитке из чугуна, модифицированного лигатурой ЖЛС, находятся на уровне серийных.

Учитывая полученные результаты испытаний, пониженную дефектность '»аготсвок-отлиток опытннх г-алов и положительный опыт их эксплуатации на транспортных дизелях, продложеннь'о тохнояо-

гии могут быть рекомендованы для более широкого внедрения.

Известно, что даже при тщательно разработанной технологии литья, в условиях хорошо наладочного производства практически невозможно получить 1005? отливок без литейных дефектов. В связи с этим неизбежно возникает вопрос о степени опасности внутренних дефектов, оценке допустимых гранзд их расположения в массиве вала и устранении их из опасных зон технологическими средствами.

Испытания на усталость показали, что усадочные дефекты, залегаташе в шатунных шейках валов с внутренней стороны кривошипа на глубине -10-20 мы оказывают сильное-разупрочнявдее дей— ствие, которое характеризуется эффективным коэффициентом концентрации напряжений = 2,9-3,2 независимо от микроструктуры чугуна, конструктивных форм вала, обкатки галтелей. При этом для дефектных валов характерно снижение выносливости по мере увеличения числа циклов нагружений, т.е. отсутствие горизонтального участка на правой ветви кривой усталости.

С учетом найденных предельных напряжений <5а = 38-43 ЫПа, при которых происходит развитие усталостных трезция от дефектов, очерчена область, где литейные дефекты в валах из ЧШГ по условию прочности не должны допускаться. Эта область ограничивается размерами, измеренными в плоскости колена: /0,16-0,23/ Х^ в среднем сечении шатунной вейки а /0,1-0,125/ Бш в сечении под галтелью. Протяженность ее в окружном направлении в обе стороны от плоскости симметрии холена должна находиться в пределах угла 2 об « 120°.

Технологическим средством, обеспечивающим значительное снижение вероятности образования дефектов в опасной зоне шатунной сейкх является направленное охлаедение отливки за счет при-

6. Оппгмизшгчя конструктивных параметров катенчатых валов тепловозных дизелей s

Логическим подтверждением эффективности разработанной системы моделей, методов а средств повышения циклической прочности коленчатых валов является определение /с помощью данной системы/ оптимальных конструктгекых параметров валов. Оптимизируемый объект - вал зависит от i варьируемых параметров Х4 ,..., Х^ , которые являются координатами точки X в X {,..., X ¿ в i -мерном пространстве. На эта значения накладываются параметрические ограничения XLWín¿ X¡.í XLm0x .где Xir¿ñ я Х^, - заданные границы изменения параметра. Имеются тзкхе функциональные ограничения yjn4r, ( yjrr,Qt • г<59 yjmirx н yjmaj - априорно или апостериоряо заданные пределы изменения j -го функционального ограничения.

Параметрические ограничения очерчивают в i-мерном пространстве варьируемых параметров параллелепипед JC , объем которого V5c = |(X^x-X¡.min) где Xl^X^A^) • функционал: ные ограничения выделяют в ТС некоторое подмножество б .

Б целях конкретизации оптимизационной задачи необходимо один из локальных критериев выбрать в качестве решающего У(х)

— А А

н наилучшие значения X = X отыскивать из условия У(Х) =

= т1аУ(Х) , где Х£ G . Однако в ряде случаев проектировщику

— о

необходимо Н8 множество резекхЗ, а оптимальная точка X = X , которая может быть найдена при введении ограничения на решанздЗ криторий У(Х)<У* при условии 9iX*) *шш У(Х) , где У* -худшее допустимое значение критерия У(Х). Подобный подход был использован при оптимизации конструктивных форы коленчатых валов.

Практика проектирования и эксплуатации колончатых валов тепловозных дизелей показывает, что для достижения необходимых по-

казателей надежности г долговечности вала следует рассмотреть, в первую очередь, пять основных критериев качества: критерий минимума массы У^ , критерии оптимальной жесткости вала Уд и Уд . критерий минимума переменных напряжений в галтелях Уг , критерий ограничения циклических напряжений на кромках отверстий для смазки У„ и критерий минимума напряжений на внутренних поверхностях сек Ук . Таким образом оптимизация конструктивных форм вала является многокритериальной задачей с противоречивыми целевыми функциями.

_Поскольку критерий минимума массы практически всегда противоречит критериям минимума напряжений в элементах вала и часто не совпадает с требованиями получения необходимой жесткости, наиболее предпочтительной стратегией поиска оптимальных параметров вала является получение математических моделей для массы, жесткости, запасов прочности и взаимное "увязывание" моделей с отысканием компромиссных реиений в I-мерном пространстве ЗГ варьируемых параметров.

Комплексную оценку влияния параметров, например, на жесткость вала с учетом его массы целесообразно проводить по коэффициентам эффективности, которые показывают в какой мере относительное повышение жесткости опережает относительное увеличение массы: к;, »= - ^ -1) . Подобные коэффициенты эффективности следует рассматривать также при анализе других критериев работоспособности вала.

Б этой связи хорошо зарекомендовали себя регрессионные модели, получаемые в результате применения теории планирования экспериментов.

На рис. 14 показана геометрическая интерпретация регрессионных моделей для функции массы у^ в функций податливости при чистом Ух в поперечном У! изгибе в случае варьирования четы-

- 41 -

Н . 1м

я Г при неизменном диаые-

рьмя параметрами: А тре шятуяноЧ сейкл 1)и , радиусе кривошипа Й и расстоянии между коренными опорами ¿> . Поверхность АБСЕ является левой границей области рациональных соотношения рассматриваемых параметров, т.к. при выборе их значений справа от указанной поверхности необхо-

/ Г/РшД

" димое повыле-ние жесткости достигается при меньшем значении массы колена по сравнению со значениями, лежащими слава от поверхности А ВСЕ . Поверхность Хб'СГ проходящая через " точки пересечения поверхностей моделей для У* и У'х , имеющих одинаковые значения параметра ДД\я , является поверхностью "равной з ¡Активности". При выборе параметров сорпадаюглли с данной поверхность*) эффективность изменения жесткостных характеристик вала будет одинаковой как для чистого, гак и для поперечного изгиба.

Совершенно иной вид имеет геометрическая интерпретация регрессионной модели для критерия минимума переменных напряжений

0,6 0,7

Рис. 14. Геометрическая интерпретация регрессионных моделей для функций отклика Уд /3/, Уд /2/ и У„, /3/ при поиске оптимальных конструктивных параметров стального вала дизеля 16ЧН26/26

в Iалтелях уг /рис. 15/. Б данном случае в порядке убывания степени значимости варьируете параметры располагаются следующим образом: Г , Н , , А , что характеризуется углом наклона области АБСЬАВ^"Е* к соответствукда координатным плоскостям. Область (КИЮ рациональных параметрог

Л • Н , I, г Г для критерия У0 имеет характерную форму деформированного в направлении криволинейного паралльлепиледа. Наиболее значимым параметром здесь является толщина щеки Н .

Критерий Ук минимума напряжений на внутренних контурах шек коленчатого вала является

Рис. 15. Область АЬСЕА&СЕ' параметров Л , Н , 1и и Г , обеспечивающих приведенный запас прочности в галтелях вала форсированного дизеля п.^-1,6. Область{^бИО^Ц' рациональных параметров для критерия У0 .

особенно важным для валов, изготовленных из высокопрочного чугуна.' Б суммарном размахе переменных напряжений на внутренних контурах щек основная доля напряжений /до 70-80?/ приходится на состаъляЕщую, связанную с действием крутящего момента и значительно меньшая /до 20-30£/ - с поперечным изгибом вала силами давления газов в циливдре двигателя.

Полученные данные показывают, что минимизация напряжений в этих зонах наиболее эффективно достигается путем рационального варьирования параметрами В , с1 , $ , С ■ слабо связанными с основными конструктивными параметрами дизеля в мало

влняхшми на напряженное состояние сопряженных деталей.

Б результате проведенных исследований получена математическая модель третьего уровня, для которой известны внутренние связи а закономерности основных процессов, а тахже геометрические параметры и их влияние па эти процессы. Математическая модель коленчатого вала представляет собой совокупность моделей по каждому из указанных выше критериев:

Kin < Льк П ft * Хм Хжа 5 Xgk fjt; * J(roQX • 6_,ia-S I Г ТЛт-Ь 1

/3/

n=

if

T.r^S

-I

F>M

/4/

>V I

г>[а] /5/

/6/

-dj 21)К-(a;f-i2K]+г в йн (R+сК) -

- + С.) -

Стратегия многокритериальной оптимизации конструктивных форы коленчатого вала реализуется в вида последовательного выполнения следугсшх этапов: 1. модеот /3-7/ используются в взде "черных яликов", на вход которых подаются варьируемые параметры.

/7/

режимы работы, перечень констант, блок параметров, характеризующих внутренние связи, а на выходе снимаются характеристики объекта; 2. формулируются целевые функции и ограничения, выбираются варьируемые параметры г в окрестности исходной точки производится локальная аппроксимация характеристик системы уравнениями регрессии; 3. используя локальные модели определяются допустимые области для различных критериев; 4. в допустимых областях определяются локальные экстремумы целевых функций путем движения в направлении градиента /крутое восхождение по поверхности отклика/; 5. путем многоступенчатой оптимизации находится глобальный оптимум проектируемой системы в целом.

На рис. 15 показана область КСММЛ.'М'М' оптимальных значений конструктивных параметров А , Н , {,и и Г , найденная в результате решения оптимизационной задачи для вала из высокопрочного чугуна двигателя 16ЧН26/26.

Результаты проведенных исследований внедрены в практику проектирования коленчатых валов тепловозных дизелей на Коломенском тепловозостроительном заводе, где автор проработал около 15 лет. Материалы исследований были использованы при разработке и внедрении в производство новых ТУ /Технических условий/ на изготовление, контроль и приемку валов из высокопрочного чугуна.

Основные выводы

1. Б соответствии с поставленными задачами исследования достигнуто решение крупной, имеющей важное народно-хозяйствен-вое значение, научной проблемы создания системы моделей, методов и средств для оценки и обеспечения прочности коленчатых валов транспортных дизелей, как составной части системы проектирования дизеля в целом, обеспечивающей полноту охвата на стадии проектирования всех структурных звеньев в процессе активной отра-

бстки конструктивных фсри вала для получения заданных служебных свойств в последующей эксплуатации.

2. Построена блок-схема создания к отработки конструкции коленчатого вала транспортного дизеля по критериям прочности и жесткости, регламентирующая обоснованную последовательность применения существующих и разработанных новых расчетных методов и технологических средств по стадиям жизненного цикла изделия от технического задания до серийного производства, в целях приближения к оптимальному соответствию заданным критериям работоспособности.

3. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследования разработана система расчетных ыодалей н методов для достоверной оценки циклической прочности опасных участков коленчатых валов: галтелей, отверстий для сказки и внутренних полостей, отличающаяся от ранее разработанных введением, наравне с пространственно-материальным описанием конструкции, мно-яостгенных, переменных ео времени, нагрузочно-кинематических состояний в пределах рабочего цикла дизеля с возможностью машино-отквитированного проектирования вала на существующих ЗЕМ. Система позволяет количественно оценить влияние кагдого конструктивного параметра вала на напряженное состояние опасных зон при различных типах нагружения!

4. Разработан комплекс технологических методов и средств повышения прочности сталышх и чугунных коленчатых затов транспортных дизелей, рклхчаюций упрочнений галтелей поверхностным пластическим деформированием, рациональней Еыбор состава материала с учетом применения для литых Балов современных методов получения высокопрочного чугуна путем использования комплексных модификаторов вместо магния или суспензирования материала при

ваиивке, а также технологии нейтрализации металлургических дефектов в литых валах за счет направленного охлаждения отливки и оттеснения дефектов из установленных опасных зон в относительно безопасные участки сала.

5. Установлены рациональные ректон накатки галтелей коленчатых валов с диаметром шеек 165-250 мм /при отсутствии коробления от накатки/, обеслочивапцно повышение выносливости на 20--ЗС$ ео сравнению с азотированными валами к запас прочности по галтелям П. ^ 2,8.

6. Исследовано влияние усталостных ^распространяющихся трески в упрочненных галтелях на долговечность коленчатых валов. Бпервые показано, что наряду со сгаланкки валами, в интенсивно наклепанных галтелях валов пз высокопрочного чугуна проявляет себя э^^ект торможения усталостных трещин, что является существенным резервов увеличения долговечлосгл летала. Установлена критическая глубина ^распространяющихся трещин в чугунных валах, подтвержденная результатами натурных усталостных испытаний.

7. Разработан новый метод расчета жесткости коленчатых валов при чистой в поперечном изгибе, на основе установления упруго-силовых связей между элементами вала и применения расчетных моделей 2-го а 3-го уровней, позволяющий оценить степень влияния каждого конструктивного параметра вала на его изгибную податливость и обеспечивающий точность получаемых результатов со сравнению с экспериментальными данными в пределах ¿10£. Установлены наиболее значимые конструктивные параметры вала, преимущественное варьирование которыми позволяет вести направленный поиск его рациональных $оры, отвечающих наиболее полному взаимному согласованию углевых деформаций вала и коренных опор блок-картера транспортного дизеля, а также даны рекомендации

по использованию различных типов валов с той или иной конструктива йлок-картера.

Э. Разработана стратегия многокритериальной оптимизации конструктивных форм коленчатых валов тепловозных дизелеЕ на базе разработанной математической модели вала, как совокупности моделей по каждому критерию. В качестве глобального критерия при выборе оптимальных параметров выбрано условие раЕЯОпрочнос-ти всех опасных сечений вала при минимизации массы и обеспечении заданной оптимальной жесткости вала с учетом технологических требований в качестве ограничений на область оптимальных решений.

9. Построенная система прочностного обоснования изделия на основе созданных комплексов расчетов и испытаний для поэтапного формирования и совершенствования конструкции до достижения оптимальных показателей функционирования прошла длительную проверку на результативность в условиях нового проектирования и модернизации ранее созданных конструкций коленчатых валов транспортных дизелей на ГО "Коломенский завод" вначале путем создания частных подсистем обоснования конструкции, а затем их объединения в общий комплекс.

10. Результаты выполненных исследований воали в состав созданного отраслевого стандарта ОСТ 24.062.08-83 "Балы коленчатые чугунные дизелей и газовых двигателей.Общие технические условия", внедрение которого показало высокую эффективность в обеспечении надежности и ресурса валов и важность освоения разработанной системы на ведущих предприятиях отрасли. Экономический эффект от Енедрения результатов работы в народном хозяйстве составил по отрасли 260 тыо.рублей.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. Кудрявцев И.В., Салтыков М.А., Афонский В.П., Тииенко А.Т., Горбунов U.H. ПоЕызение циклической прочности коленчатых валов компрессоров ыетодом пластического формирования малых галтелей //Вестник калиностроения,-1981.-Jf4.-С. 11-13.

2. Тишекко А.Т., Салтыков U.A., Горбунов М.Н. Деформационная и силовая взаимосвязь конструктивных элементов в литых коленчатых валах при кручении н изгибе //Вестник BKZI2T.-1932. -^.-С.36-39.

3. Тшденко А.7. Методика расчета напряженности элементов литых коленчатых валов и улучшения их конструктивных форм в условиях кручения //Цвигаталестроеше.-1983.-^1.-С.26-29.

4. Салтыков U.A., Горбунов М.Н., Тиаэнко А.Т. Определение границ допустимости литейных дефектов в чугунных коленчатых валах из ЧЛ' по уровням циклической напряженности их элементов и заданным показателям надажностн в эксплуатации //Питейное производство .-1983.-JHO.-C.23-24.

5. Тиданко А.Т., Салтыков М.А., Горбунов М.Н. Влияние чувствительности к асимметрии цикла на выносливость чугуна с шаровидным графитом //Ьесгник мазкностроекия.-1983.-510.-С.37-38.

6. Раенко М.К., ГорбуноЕ М.Н., Салтыков Ы.А., Тииенко А.Т. Экспериментальное исследование податливости подшипникового узла блока цилиндров и коленчатого вата транспортного дизеля //Двигатели внутреннего сгорания.-?.!.: 1Е1Г,ТГЭ;ПЛЕ.Х:, 1933.->'4-83-19. -С.7-1С.

7. Тшенко А.Т., Салтыков Ü.A., Горбунов М.Н. Влияние литой поверхности на сопротивление усталости чугуна с парокидным гранитом //Двигатели внутреннего сгорания.-М.: [ДГ.ГЛЭ'.ТГ.'Е.Ж. 1983.-54-83-17.-С.7-9.

3. Тииенко А.Т., Саггь'кор М.А., Горбунов .V.H. Расчет налря-

женнсстн ялементов литчх коленчатых валов при изгибе //Вестник ВЕЗЕТ. -1984. -55. -С. 33-36.

9. Тшлонко А.Т., Горбунов !.!.!!., Салтыков М.А. Еыбор рациональных конструктивных форм коленчатых валов //Двигателестрое-яие.-1985.-.У5.-С.4о-49.

10. Кудрявцев 15.В., Салтыков М.А., Ткденко А.Т. Повышение прочности коленчатых валов методом ППЦ галтелей малого радиуса //Ьестник машиностроения.-1986.. -С.12-14.

11. Тиценко А.Т. Оценка напряженного состояния элементов литых коленчатых валов при совместном действии кручения п изгиба // Проблемы прочности.-1938.-^5.-С.104-1С7.

12. Типенко А.Т. Экспериментальное определение характеристик изгибной податливости коленчатых валов //Вестник ЕКЖ1Т.-1988.-Jf7.-C.30-33.

13. Чтанхо А.Т. Методика определения изгибной податливости коленчатых валов транспортных дизелей //Вестник Ш21ЕТ.-1989. -З.-С.34-37.

14. Тщекко А.Г. Прочность коленчатых валов тепловозных ди-зелей.-М.: ВИНИТИ, деп.*3483-В92, 1992.-98с.

'V-

/МШ'У^иио

Подписано в печать 21.04.93 Зак. 46

Тир.100

Группа электрографии ИГО ЩЖГГМШ. Шарикоподшипниковская, 4