Технические науки/ 5 энергетика

Д.т.н. Гоц А.Н., асп. Прыгунов М.П., асп. Французов И.В.

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ), Россия

Термоциклические испытания головок цилиндров тракторного дизеля воздушного охлаждения

Рис. 1. Трехмерная модель безмоторного теплового стенда: 1 – жесткое основание; 2 – нижняя плита; 3 – корпус; 4 – галогенные лампы; 5 – верхняя плита; 6 – проставочное кольцо; 7 – медная трубка; 8 – головка цилиндра

При форсировании дизеля по среднему эффективному давлению p_e или частоте вращения коленчатого вала n неизбежно возникает вопрос о доводке деталей, окружающих камеру сгорания, до заданных показателей надежности, так как возрастают температурные напряжения в поршне и головке цилиндров (ГЦ). Для анализа теплового напряженно-деформированного состояния (ТНДС) деталей образующих камеру сгорания двигателей широко используются безмоторные тепловые стенды (БТС). Трехмерная модель БТС для термоциклических испытаний ГЦ, созданного авторами, приведена на рис. 1.

На жестком основании 1 с помощью четырех шпилек смонтированы нижняя плита 2, корпус 3 в виде рамы с ложементами для галогенных ламп 4, а также верхняя плита 5. В плите 2, корпусе 3, верхней плите 5 по периметру имеются закрытые каналы и во время работы они охлаждаются проточной водой. Галогенные лампы общей мощностью 30 кВт уложены продольно в два ряда, причем в верхнем ряду расположено девять ламп, а в нижнем шесть. В плите 5 для фокусирования теплового потока сделано коническое отверстие, через которое тепло излучаемое лампами поступает на огневую поверхность головки цилиндров 8. Верхняя поверхность плиты 2 выполнена из алюминиевого сплава и отполирована для лучшего отражения потока излучаемого лампами. На плите 5 установлено проставочное кольцо 6, которое по форме полностью повторяет верхнюю часть гильзы двигателя. Внутри кольца 6 выполнена канавка, в которой проложена медная трубка 7, охлаждаемая проточной водой. Для определения количества отведенного тепла во время проведения эксперимента измеряется расход воды проходящей через трубку 7, а также температура на входе и выходе из неё. Исследуемая головка цилиндра 8 установлена на плите 5 с помощью четырех шпилек, момент затяжки гаек которых такой же, как и на двигателе.

Галогенные лампы 4 подключены к реле, которое управляется ПИД-регулятором, связаным с компьютером через автоматический преобразователь интерфейсов. Обратную связь с ПИД-регулятором обеспечивает хромель-алюмелевая термопара, которая установлена на днище исследуемой головки на глубине 1 мм от огневой поверхности.

Рис. 2. Расположение термопар вблизи огневой поверхности головки цилиндров дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т): цифрами обозначены номера термопар; буквой ф – отверстие под форсунку

Для исследования температурного поля на днище головки дизеля ЧН 10,5/12 (Д-145Т) были установлены семнадцать термопар на глубине 1 мм от огневой поверхности (рис.2). Все термопары были подключены к цифровому многоканальному самописцу, который преобразовывал аналоговый сигнал в цифровой и передавал его на компьютер.

При испытании ГЦ на БТС возникает необходимость моделировать температуры в виде цикла нагружения, которые были бы эквивалентны условиям работы тракторного дизеля при эксплуатации. Известно, что температурное состояния ГЦ зависит от нагрузки, которая определим через среднее эффективное давление p_e, а также от частоты вращения коленчатого вала n.

Для определения температур на поверхности огневого днища при различных режимах работы двигателя на основании экспериментальных данных была разработана математическую модель, которая позволяла однозначно определить температуру в межклапанной перемычке, а затем и в любой точке огневой поверхности днища ГЦ при заданных значениях p_e и n для дизеля ЧН 10,5/12 (Д-145Т):

При ускоренных испытаниях на надежность установка термопар (для контроля температур) вблизи межклапанной перемычки (т.8, см. рис.2) может ослабить поперечное сечение, что приведет к ошибочным результатам в определении числа циклов, при которых появилась трещина усталости. Поэтому целесообразно контролировать температуру межклапанной перемычки косвенным способом. При расчетных исследованиях можно использовать зависимость температуры в межклапанной перемычке в зависимости от температуры в отдельных точках огневого днища.

В действительности нагрев в первую очередь происходит в центральной части огневого днища ГЦ (в межклапанной перемычке) и за счет переноса теплоты нагреваются участки на периферии, т.е. . Здесь T_i – температура в произвольной точке огневой поверхности ГЦ (см. рис. 2), а T_МКП – температура межклапанной перемычки. Как показали результаты экспериментальных исследований, эти зависимости являются линейными.

Однако, независимо от действительных условий протекания процессов, справедливой будет и линейная зависимость . При экспериментальных исследованиях головки дизеля ЧН 10,5/12 (Д-145Т) нами были получены следующие модели для вычисления температуры в межклапанной пермычки T_МКП в зависимости от температуры в отдельных точках огневого днища (номера точек см рис. 2):

_или

Коэффициенты парной корреляции при определении по приведенным зависимостям составляет 0,9997.