Прыгунов М.П., Французов И.В.

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

Безмоторный стенд для исследования температурных полей головок цилиндров тракторных и автомобильных дизелей

Безмоторные стенды (БС) широко используются отечественными и зарубежными исследователями для анализа теплового напряженно-деформированного состояния (ТНДС) деталей образующих камеру сгорания двигателей и в частности головок цилиндров. Это объясняется удобством проведения необходимых измерений и возможностью с удовлетворительной точностью моделировать тепловое состояние исследуемых деталей [1,2]. Классификация БС приведена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация безмоторных стендов

При создании БС необходимо получить близкие к действительным средние тепловые потоки, а также обеспечить распределение тепловых потоков по поверхности детали, аналогичное распределению на реальном двигателе [3]. Для воспроизведения тепловых нагрузок обычно используются электрические (ТВЧ, электрические спирали, силитовые стержни), радиационные (галогенные лампы) и химические (пропан) источники тепла.

В качестве объекта исследования в данной работе была выбрана головка цилиндра тракторного дизеля воздушного охлаждения Д-145Т. Трехмерная модель БС, созданного авторами приведена на рис. 2.

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

Стенд устроен следующим образом: на жестком основании 1 с помощью четырех шпилек смонтирована нижняя плита 2, корпус 3 с ложементами для галогенных ламп 4, а также верхняя плита 5. Плита 2, корпус 3 и плита 5 во время работы охлаждаются проточной водой. Галогенные лампы 4 КГ230-2000-5 общей мощностью 30 кВт уложены продольно в два ряда, причем в верхнем ряду расположено девять ламп, а в нижнем шесть. В плите 5 сделано отверстие, через которое тепло излучаемое лампами поступает на исследуемую деталь. При этом для использования отраженного света отверстие выполнено коническим. Верхняя крышка плиты 2 выполнена из алюминиевого сплава и отполирована для лучшего отражения потока излучаемого лампами. На плите 5 установлено проставочное кольцо 6, опорный бурт которого по форме полностью повторяет бурт гильзы цилиндра двигателя. Для создания градиента между центральной и периферийной зоной головки цилиндра внутри кольца 6 проложена медная трубка 7, которая охлаждается проточной водой. Для определения количества отведенного тепла во время проведения эксперимента измерялся расход воды проходящей через трубку 7 с помощью ротаметра LZM-15G, 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 равен 120 Н∙м. Место контакта трубки 7 и днища головки 8 покрывалось теплопроводной пастой КПТ-8.

Для исследования температурного поля на днище головки были установлены семнадцать термопар на глубине 1 мм от огневой поверхности. Все термопары были подключены к цифровому многоканальному самописцу 5 S-Recorder-L, который преобразовывал аналоговый сигнал в цифровой и передавал его на компьютер.

Результаты термометрирования полученные на безмоторном тепловом стенде, а также их сравнение с данными работ [4,5] приведены на рис. 3.

Рис. 3. Результаты термометрирования полученные на БС (цифрами 1-17 обозначены термопары): 1 – данные полученные на БС; 2 – данные приведенные в работах [4,5].

Как видно из графика максимальный температурный градиент наблюдается между межклапанной перемычкой и периферийной зоной со стороны впускного канала и составляет 65 ºС. Градиент между межклапанной перемычкой и периферийной зоной со стороны выпускного канала равняется 56 ºС. Наибольшее отличие между температурами, измеренными на стенде и данными приведенными в работах [4,5] наблюдается в месте, где установлена термопара с номером 1, при этом погрешность моделирования составила 14%. Это главным образом связано с отличием расположения термопар на днище головки при проведении эксперимента на стенде и на двигателе.

Таким образом, можно сказать, что созданный БС позволяет с удовлетворительной точностью моделировать тепловое напряженно-деформированное состояние головок цилиндров.

Список литературы

1. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учеб.пособие для вузов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 472 с., ил.

2. Тимохин А.В. Тепловая напряженность деталей, образующих камеру сгорания высокофорсированных дизелей: Дис. … док.техн. наук: 05.04.02, 01.02.06. – М., 1991. – 307 с.

3. Чайнов Н.Д., Руссинковский С.Ю., Станкевич И.В., Сидоров А.А. Моделирование теплового состояния крышек цилиндров дизелей на стенде с лучистым нагревом // Известия ВУЗов. Машиностроение. – 1985. – №11. – С. 42-47.

4. Шароглазов Б.А., Закомолдин И.И. Численная оценка температур деталей цилиндропоршневой группы двигателей воздушного охлаждения // Двигателестроение. – 2009. – №3. – С. 13-18.

5. Эфрос В.В. Развитие научных основ конструирования тракторных дизелей с воздушным охлаждением: Дис. … док.техн. наук: 05.04.02. – Владимир, 1977. – 458 с.