К.т.н. Марьина Н.Л., ст. Селифонов Е.К.

Балаковский институт техники, технологии и управления

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СТЫКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ КРИВОШИПНОЙ ГОЛОВКИ ШАТУНА ФОРСИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ МЕТОДОМ КОНТАКТНЫХ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Современное дизелестроение характеризуется непрерывным ростом цилиндровой и агрегатной мощностей за счет форсирования дизелей по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала, приводящим к резкому возрастанию действующих в них сил. Согласно статистическим данным, в связи с форсированием дизелей увеличилось число отказов шатунов, коленчатых валов и их подшипников скольжения. Одной из причин этого является нарушение плотности разъемов подшипниковых узлов, появление усталостных трещин, фреттинг – коррозии и износа их стыкуемых поверхностей.

Комплексные исследования в области гидродинамической смазки коленных и шатунных подшипников дизелей показали, что на несущую способность масляного слоя существенно влияет податливость постели подшипника. Наличие же стыка уменьшает общую жесткость последних, а поэтому ее следует учитывать в оценке деформации поверхности расточки подшипника.

Причиной выхода из строя подшипникового узла из – за повреждений поверхности стыка крышки и корпуса кривошипной головки шатуна (как правило, наклеп и изнашивание) являются относительные микроперемещения контактирующих поверхностей и раскрытие стыка в условиях динамического нагружения, связанные с недостаточным усилием предварительной затяжки или с ее неравномерностью по поверхности, а также недостаточной жесткостью упругого контура. Изнашивание разъемов обуславливает потерю затяга болтом, в связи с чем увеличивается амплитуда циклических напряжений и снижается усталостная прочность. Изнашивание разъемов способствует также искажению начальной геометрии постели подшипников, что нарушает гидродинамику масляного слоя и способствует последующим прихватам и задирам трущихся деталей.

По данным работы [1] вследствии недостаточного обеспечения плотности разъемов изнашивание контактирующих поверхностей достигает 0,2 – 0,3 мм (за время работы дизеля 500 – 1000 часов). Это соизмеримо с вытяжкой болтов при их предварительной затяжке и масляным зазором в подшипнике.

В настоящее время поверхности разъемов подшипниковых узлов подразделяется на два вида – плоские и зубчатые.

Плоский стык является наиболее предпочтительным для подшипникового узла по причине его технологичности. Наиболее опасным для него являются срезывающие нагрузки, которые передаются как за счет сил трения в предварительно затянутом соединении и призонными болтами или штифтами, работающими на срез. С целью повышения касательной жесткости соединения плоский стык иногда снабжается буртом или призонной трубкой.

Непрерывный рост цилиндровой и агрегатной мощностей дизелей приводит к возрастанию нагрузок, действующих в деталях КШМ. Для снижения давлений в коренных и шатунных подшипниках, а также для повышения жесткости коленчатых валов шейки последних стремятся делать возможно большего диаметра. Ограничения, накладываемые на размеры кривошипной головки необходимого демонтажа шатунов через цилиндровые втулки, приводят к тому, что с увеличением диаметра шатунной шейки уменьшается длина стыков кривошипной головки [2]. Это существенно ухудшает работу стыкового соединения и делает стык одним из самых опасных элементов конструкции.

Увеличить площадь поверхности стыка в этом случае возможно, применяя косые разъемы. Вместе с тем, анализируя векторную диаграмму нагрузок на шатунный подшипник, отметим, что с возрастанием угла наклона разъема к горизонтальной оси кривошипной головки увеличивается величина перерезывающей силы, передаваемой разъемом. Указанное обстоятельство вынудило обратиться к использованию шлицевых или зубчатых стыков, которые в настоящее время нашли широкое распространение в отечественном и зарубежном дизелестроении. Основным достоинством зубчатого стыка является его способность передавать значительные перерезывающие нагрузки и повышать жесткость упругого контура корпуса подшипника, хотя обработка зубчатых поверхностей стыков представляет значительные технические трудности, связанные с жесткими допусками на точность изготовления зуба и площади контактирования.

Анализ существующих методик расчета и экспериментальных исследований [3], [4] разъемных подшипниковых узлов с плоскими и зубчатыми стыками, показал, что все они основаны на гипотезах плоскостности и спаянности стыка и имеют грубо ориентировочный характер. Эти методики не отражают физики процесса контактирования и не объясняют причины износа поверхностей разъема. В общем виде эта проблема должна решаться только при совместном рассмотрении взаимодействия всех элементов подшипникового узла (стержня и крышки шатуна, вкладыша и стягивающих их болтов) с учетом особенностей стыка. Представляется, что наиболее корректна она может быть решена на базе численных расчетов по МКЭ.

Обычно при оценке прочности конструкции МКЭ применяют только для сплошных тел. Поэтому целью настоящей работы является разработка методики расчета контактных задач, учитывающей трение и деформирование поверхностных микронеровностей, и оценка на основании этой методики работоспособности стыкового соединения кривошипной головки шатуна форсированного дизеля.

В соответствии с целью исследования был поставлен ряд задач.

1. Выбор математической модели контактирования поверхностных микронеровностей и на их основе получение расчетных зависимостей для определения упруго – пластических свойств контакта.

2. Разработка алгоритма расчета по МКЭ трибоконтактной задачи. Оценки достоверности их путем решения тестовых примеров, имеющих точное аналитическое или экспериментальное значение.

3. Для предварительно затянутого соединения разработка расчетной КЭ аппроксимации, включающей в себя части стягивающих деталей шатуна и болта.

4. Исследование (с помощью математического эксперимента) стыкового соединения шатуна форсированного дизеля.

Литература:

1. Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей [Текст]. М.: Машиностроение. – 1974. 234 с.

2. Косырев, С.П. Основы теории и эксперимента в условиях технологического поверхностного пластического деформирования элементов коленчатых валов. Учебное пособие [Текст]/ С.П.Косырев, Н.Л.Марьина. – Саратов: Сарат. гос.техн.ун-т. – 2010. – 116с.

3. Кинасошвилли, Р.С. Расчет прочности шатунов авиационных двигателей [Текст]/ Р.С.Кинасошвили. – Тр. ЦИАМ, №66. – 1945. – 45 с.

4. Федосьев, В.И. Сопротивление материалов [Текст]/ В.И.Федосьев. – М.: Наука. – 1973. – 400 с.