142 "Енергетичне машинобудування"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/49918
Переглянути
1 результатів
Результати пошуку
Документ Забезпечення надійності поршня форсованого транспортного дизеля шляхом врахування повзучості матеріалу(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Ликов, Сергій ВалентиновичДисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі, пов'язаної з підвищенням надійності роботи поршнів з алюмінієвим корпусом у високофорсованих двигунах. Мета роботи – забезпечити надійну роботу поршня форсованого дизеля за рахунок: – врахування процесів повзучості, які виникають при високих робочих температурах під час експлуатації двигуна; – шляхом створення моделі параметричної надійності твірної поверхні алюмінієвого корпусу поршня; – удосконалення існуючої моделі надійності за рахунок залучення розробленої моделі параметричної надійності корпусу поршня шляхом використання додаткового критерію не перевищення порогу повзучості матеріалу. Об’єкт дослідження – процеси втрати параметричної і фізичної надійності бічної поверхні корпусу поршня при комплексному врахуванні чинників, вимог та обмежень щодо його створення та використання в умовах нестаціонарних термічних навантажень високофорсованих дизелів для транспортних наземних машин. Предмет дослідження – закономірності, що характеризують процес термічного навантаження та його вплив на повзучість матеріалів корпусу поршня, температурний і напружено-деформований стан у поршні високофорсованого дизеля для транспортних наземних машин. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. Сформульовані мета і задачі дослідження. У першому розділі проведено аналіз сучасного стану проблематики з підвищення надійності поршнів. Розглянуті питання напружено-деформованого стану поршня, головні аспекти підвищення надійності, шляхи, методики та підходи які пропонуються для вирішення цього питання в Україні та в світі. Описано методи дослідження напружено-деформованого стану, експериментальні методи дослідження деформації та температури, розрахунковий метод дослідження. Виконано аналіз та описано конструкції поршнів сучасних двигунів, які добре зарекомендували себе під час експлуатації. У другому розділі розглянуто матеріали складеного поршня високофорсованого спеціального дизеля та проблеми, які виникають зараз при спробах подальшого форсування двигуна, а також проведено загальний розгляд проблем надійності поршнів високофорсованих двигунів та сформульовано завдання для успішного вирішення поставленої задачі шляхом залучення відомих методів і методик оцінки повзучості поршневих алюмінієвих сплавів. Виконано аналіз проблем втрати параметричної і фізичної надійності та термонапруженого стану характерних зон поршня. Проведено удосконалення моделі прогнозування надійності теплонапружених зон деталей циліндро- поршневої групи. Описано вплив процесу повзучості матеріалу на параметричну надійність та запропоновано використовувати методику визначення порогу повзучості. При цьому пропонується розглядати на самому початку експлуатації стан матеріалу як незміцнений, а у подальшому як зміцнений, виходячи з рівня розрахованого згідно використаної методики порогу повзучості в залежності від температури в дослідній зоні. У третьому розділі представлені результати розрахункового дослідження термонапруженого стану поршнів високофорсованих двигунів з урахуванням властивостей процесу повзучості. Виконано порівняння процесів повзучості поршневих алюмінієвих сплавів АК4 та АК12М2МгН (АЛ25) під впливом температури і представлено результати визначення порогу повзучості для сплаву АК4. Проведено оцінку параметричної надійності бокової поверхні поршня з урахуванням зміцнення матеріалу у часі. У четвертому розділі виконано аналіз рекомендацій з підвищення параметричної та фізичної надійності поршнів. Запропоновано та описано тепловий стенд за допомогою якого можна реалізувати представлені рекомендації для підвищення параметричної та фізичної надійності поршнів з алюмінієвих сплавів АК4 та АК12М2МгН (АЛ25) завдяки модифікації фізичного стану матеріалу. У висновках наведено основні результати роботи щодо вирішення поставлених задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Вперше були встановлені коефіцієнти математичної моделі опису перших двох стадій повзучості для матеріалу АК4, що дозволяє виконувати порівняльний аналіз деформації та швидкості повзучості для сплавів АК4 та АК12М2МгН (АЛ25). 2. Вперше встановлені відмінності для порогів повзучості незміцненого та зміцненого в часі матеріалу поршневих алюмінієвих сплавів АК4 та АК12М2МгН (АЛ25). 3. Вперше шляхом залучення критерію визначення порогу повзучості незміцненого та зміцненого у часі матеріалу було обґрунтовано та виконано удосконалення методики визначення параметричної та фізичної надійності бічної поверхні поршня для підвищення працездатності та забезпечення надійності алюмінієвих поршнів високофорсованих дизелів. 4. Вперше для модифікації матеріалу від рівня порогу повзучості незміцненого стану матеріалу до рівня порогу повзучості зміцненого стану матеріалу запропонували продукування у заготовці нерівномірного просторового теплонапруженого стану на тепловому стенді, що дозволило забезпечити надійність та підвищити працездатність алюмінієвих поршнів для високофорсованих двигунів при створенні нових зразків, або під час їх модернізації. Результати теоретичних досліджень підтвердженні розрахунковими результатами удосконаленої моделі параметричної надійності поршня. Використання розробленої методики дозволяє підвищити надійність поршнів під час проектування нових зразків та при модернізації існуючих прототипів. Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: – удосконаленні моделі прогнозування надійності теплонапружених зон поршня шляхом використання концептуальних положень з забезпечення надійності поршнів високофорсованих двигунів; – отриманні значення змінного у часі порогу повзучості сплаву АК4 і доведено його перевагу перед поршневим алюмінієвим сплавом АК12М2МгН (АЛ25) при температурах 250 °С і вище; – отримані рівнянь з визначення змінних в часі порогів повзучості в залежності від діючої температури; – представлено конструкцію теплового стенду для модифікації структури матеріалу заготовок поршнів і подано заявку на патент (№ МПК C22F 1/04…– u202305560; заявл. 20.11.2023.). Результати дисертаційної роботи використані на ДП «Завод імені В.О. Малишева» (м. Харків) при впровадженні нових розрахункових методик з підвищення надійності поршнів високофорсованих двигунів (акт про впровадження від 27.05.2024 р.) та передані до використання на кафедру двигунів та гібридних енергетичних установок НТУ «ХПІ» у бакалаврських та магістерських освітніх програмах навчання (акт впровадження від 05.06.2024 р.). The dissertation is devoted to the solution of an actual scientific and technical problem related to increasing the reliability of pistons with an aluminum body in highperformance engines. The purpose of the work - to ensure reliable operation of high-performance diesel piston due to: – consideration of creep processes that occur at high operating temperatures during engine operation; – by creating a parametric reliability model of the forming surface of the aluminum piston housing; – improvement of the existing reliability model due to the involvement of the developed parametric reliability model of the piston body by using the additional criterion of not exceeding the creep threshold of the material. The object of the study is the process of loss of parametric and physical reliability of the side surface of the piston body with the comprehensive consideration of factors, requirements and limitations regarding its creation and use in conditions of non-stationary thermal loads of high-performance diesel engines for ground transport vehicles. The subject of the study is the regularities characterizing the process of thermal loading and its influence on the creep of the materials of the piston body, the temperature and stress-strain state in the piston of a high-performance diesel engine for ground transport vehicles. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines research tasks, shows the connection of the work with scientific topics, provides data on scientific novelty, practical significance, approval of results and publications. The goal and objectives of the research are formulated. In the first chapter, an analysis of the current state of the problem of increasing the reliability of pistons is carried out. The issues of the stress-strain state of the piston, the main aspects of increasing reliability, the ways, methods and approaches proposed to solve this issue in Ukraine and in the world are considered. Some methods of studying the stress-strain state, experimental methods of studying deformation and temperature, and a calculation method of research are described. The design of pistons of modern engines, which have proven themselves well during operation, is analyzed and described. In the second chapter examines the materials of the compound piston of a highperformance special diesel engine and the problems that arise now when attempting to further boost the engine, and also conducts a general review of the reliability problems of the pistons of high-performance engines and formulates a task for successfully solving the task by involving well-known methods and techniques for evaluating the creep of piston aluminum alloys. The analysis of the problems of loss of parametric and physical reliability and the thermal stress state of characteristic areas of the piston was performed. The model for predicting the reliability of heat-stressed zones of parts of the cylinder-piston group has been improved. The influence of the material creep process on parametric reliability is described, and the method of determining the creep threshold is proposed. At the same time, it is proposed to consider the state of the material as unstrengthened at the very beginning of operation, and as strengthened later on, based on the level of the creep threshold calculated according to the used methodology, depending on the temperature in the research area. In the third section presents the results of a calculated study of the thermal stress state of the pistons of high-performance engines, taking into account the properties of the creep process. A comparison of the creep processes of piston aluminum alloys AK4 and AK12M2MgN (AL25) under the influence of temperature was performed, and the results of determining the creep threshold for the AK4 alloy were presented. The parametric reliability of the side surface of the piston was evaluated taking into account the strengthening of the material over time. In the fourth section analyzes the recommendations for increasing the parametric and physical reliability of pistons. A thermal stand is proposed and described, with the help of which it is possible to implement the presented recommendations for increasing the parametric and physical reliability of pistons made of aluminum alloys AK4 and AK12M2MgN (AL25) due to the modification of the physical state of the material. In the conclusions, the main results of the work on solving the set research problems are given. The research has yielded the following scientific results: 1. For the first time, the coefficients of the mathematical model describing the first two stages of creep for the AK4 material were established, which allows performing a comparative analysis of the deformation and creep rate for the AK4 and AK12M2MgN (AL25) alloys. 2. For the first time, differences were established for the creep thresholds of unhardened and time-hardened material of piston aluminum alloys AK4 and AK12M2MgN (AL25). 3. For the first time, by including the criterion for determining the creep threshold of unstrengthened and time-hardened material, the method of determining the parametric and physical reliability of the side surface of the piston was substantiated and improved in order to increase the performance and ensure the reliability of aluminum pistons of high-performance diesel engines. 4. For the first time, in order to modify the material from the level of the creep threshold of the unstrengthened state of the material to the level of the threshold of creep of the strengthened state of the material, it was proposed to produce a nonuniform spatial thermal stress state in the workpiece on a heat bench, which made it possible to ensure the reliability and increase the performance of aluminum pistons for high-performance engines when creating new samples, or under time for their modernization. The results of theoretical studies are confirmed by the calculation results of the improved model of the parametric piston reliability. The use of the developed methodology makes it possible to increase the reliability of pistons during the design of new samples and during the modernization of existing prototypes. The practical significance of the obtained results is as follows: – improved models for predicting the reliability of heat-stressed areas of the piston by using conceptual provisions for ensuring the reliability of pistons of highperformance engines; – оbtaining the value of the time-varying creep threshold of the AK4 alloy and proving its superiority over the piston aluminum alloy AK12M2MgN (AL25) at temperatures of 250 °С and higher; – derived equations for determining time-varying creep thresholds depending on the operating temperature; – the construction of a thermal stand for modifying the material structure of piston blanks was presented and a patent application was submitted (No. MPC C22F 1/04 ... – u202305560; application 11/20/2023.). The results of the dissertation work were used at the State Enterprise «Malyshev Plant» (Kharkiv) in the implementation of new calculation methods for increasing the pistons reliability of high-performance engines (implementation act dated 05.27.2024) and transferred to the department of engines and hybrid power plants of NTU «KhPI» for use in bachelor's and master's educational programs training (implementation act dated 06.05.2024).