Оцінка теплонапруженого стану поршнів ДВЗ з урахуванням порогу повзучості їх бічної поверхні

Abstract

При створенні нових конструкцій двигунів до них висувають усе більш жорсткі вимоги щодо показників питомої потужності та надійності при забезпеченні сукупності інших експлуатаційних показників. Застосування нових конструктивних рішень або перехід на інший матеріал поршня дозволяє значно підвищити можливий рівень форсування двигуна. Це вимагає обов'язкового аналізу теплонапруженого стану конструкції. Саме такий аналіз може показати, чи буде ефективним те чи інше конкуруюче рішення. Дане дослідження показує можливу ефективність застосування певних конструктивних заходів. За об'єкт дослідження прийнято поршень дизеля 4ЧН12/14. Рівні форсування відповідали 20-30 кВт/л. Виконано моделювання температурного та теплонапруженого станів поршня у двох конструктивних виконаннях і для двох матеріалів – сплавів АЛ25 та АК4. Рівень термічних напружень конструкції встановлено в пружній постановці. Отриманні дані дозволяють проводити аналіз стану поршнів і робити висновки на основі концепції гарантованого забезпечення надійності. Проведено аналіз температурного стану у зоні кромки камери згоряння поршня та у зоні канавки під перше поршневе кільце, де можлива втрата фізичної надійності конструкції. Оцінено поріг повзучості матеріалів бічною поверхнею поршня. При аналізі були використані раніше визначені нами межі повзучості матеріалів, що досліджувались. Пояснено факти появи натирів на поршнях в початковий період їх навантажень на основі перевищення порогу повзучості незміцненого матеріалу. Показано, що перевищення порогу повзучості незміцненого матеріалу поршня може мати місце, коли за критеріями температурного стану кромки камери згоряння, зони першого компресійного кільця та порогу повзучості зміцненого матеріалу конструкція є працездатною. За результатами багатоваріантного аналізу зроблено висновки щодо працездатності конкуруючих конструкцій поршня при граничних рівнях форсування дизеля.

When creating new engine designs, they are subject to ever more stringent requirements for specific power and reliability indicators while ensuring a combination of other performance indicators. The use of new design solutions or the transition to a different piston material can significantly increase the possible level of engine power. This requires a mandatory analysis of the thermal stress state of the structure. It is this analysis that can show whether one or another competing solution will be effective. This study shows the possible effectiveness of certain constructive measures. The diesel piston 4ChN12/14 was taken as the object of the research. Power levels corresponded to 20-30 kW/l. The analysis of the temperature and heat-stress states of the piston in two designs and for two materials - AL25 and AK4 alloys was carried out. The level of thermal stresses of the structure is set in an elastic setting. The obtained data allow to analyze the condition of the pistons and draw conclusions based on the concept of guaranteed reliability. In the analysis, we used the creep limits of materials that we previously determined. The analysis of the temperature state in the zone of the edge of the combustion chamber of the piston and in the zone of the groove for the first piston ring, where the reliability falling of the piston design is possible, has been analyzed. The creep threshold of materials by the side surface of the piston is estimated. The facts of the appearance of rubbing on pistons in the initial period of their loads are explained on the basis of exceeding the creep threshold of an unhardened material. It is shown that the creep threshold of the nonhardened piston material can be exceeded when, according to the criteria of the temperature state of the combustion chamber edge and the zone of the first compression ring, the design is operable. Based on the results of the analysis, conclusions were drawn about the performance of piston structures during power increasing using two options for oil cooling of the piston and during the transition from aluminum alloy AL25 to alloy AK4.