Температурное состояние поршня

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение заданного ресурса термонапряженных деталей камеры сгорания, в первую очередь поршней высокофорсированных дизелей, является одной из самых важнейших проблем, которые требуют своего разрешения в процессе проектирования перспективных двигателей и их модификаций.

Соединение и разрешение этих проблемных задач является возможным с учетом раскрытия механизма и характеристики упругой и пластической деформации материала в особенно термически нагруженной зоне кромки камеры сгорания поршня.

Применение новых научных результатов и разработок теории теплообмена позволяет выполнять прогнозирование ресурса особенно термически нагруженных зон поршней и выполнить оптимизацию их конструкции с учетом особенностей эксплуатационных нагрузок двигателей конкретного технологического предназначения.

Основной задачей теории теплообмена является определение полей рабочих температур в каждой точке исследуемого объекта в произвольный момент времени эксплуатации для выявления массива термопластических деформаций.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Задание на выполнение работы:

1. Объект исследования.

Исследованию на достижение требуемого ресурса и работоспособности при заданном уровне форсирования двигателя подлежит деталь "поршень".

2. Уровень форсирования двигателя.

Расчет ведется для форсировки Nл = 20 кВт/л.

3. Особенности конструкции детали.

Поршень имеет камеру сгорания щ-образного типа, три компрессионных и одно маслосъемное кольцо.

4. Конструктивные размеры детали.

Конструктивные размеры детали и эскиз исследуемой детали "поршень" представлены на рисунке.

5. Особенности задания граничных условий.

Рисунок 1:

Граничные условия для исследования термонапряженности детали задаются в целях упрощения расчета с обеспечением требуемой точности в базовых, наиболее ответственных с точки зрения термоупругих напряжений и текучести материала, точках.

6. Индивидуальное задание.

Расчет поршня с промежуточным охлаждением воздуха и масляным охлаждением поршня при различных степенях полинома:

Достаточно эффективным методом определения поля температур в САПР ДВС можно считать применение структурного метода (R-функций) предложенного В.Л. Рвачевым.

Метод предполагает получение аналитической функции распределения температуры в исследуемой детали.

Выбор уровня сложности задачи:

Для учета степени термических нагрузок деталей типа "поршень" с заданным типом камеры сгорания для прогнозирования их ресурса можно применить асимметрический вариант рассмотрения метода R-функций. Этот вариант предполагает нахождение значений температуры в базовых точках и построение поля температур в детали в зависимости от координатных функций:

Наличие такого аналитического выражения позволяет отказаться от определения температур по всей области детали и осуществить расчеты лишь для характерных точек детали с обеспечением качественной достоверности результатов расчета.

Это позволяет существенно уменьшить объем конечной информации и сократить время расчета. Расчет методом R-функций ведется для характерных контрольных точек, который позволяет получать расчетные значения для тех точек объекта проектирования, которые определяют его технический уровень.

Общее описание метода решения задачи.

Основная идея метода заключается в том, что решение задачи отыскивается с использованием непрерывной аналитической функции, определенной в границах исследуемого объекта вида:

Где:

И - искомое решение;

Ф₁,..., Ф_n - неопределенный компонент, который отвечает подобласти среды (региону);

ц₀ - известная функция.

Поиск решения возможности автоматизации расчета термонапряженного состояния поршня для модели второго уровня сложности отвечает определению минимума функционала вида:

Где:

Т - искомая температура тела;

r,z - координаты тела;

Щ - исследуемая область;

- граница исследуемой области;

б - коэффициент теплоотдачи;

л - коэффициент теплопроводности;

Т_ср - температура окружающей среды.

При заданных граничных условиях 3-го рода на границе тела :

Где:

- градиент изменения температуры.

Тогда при заданных граничных условиях и при заранее известном виде описывающей поле температур функции осуществляется поиск неизвестных коэффициентов этой функции. Поиск решения методом R-функций основывается в прохождении следующих этапов:

1) Аналитическое описание исследуемой области:

Здесь необходимо разработать логическую формулу описания области и при необходимости её регионов. Затем логические операции могут быть заменены соответствующими R-операциями, а аналитические функции будут иметь вид:

Где:

- функции, позволяющие описать контур детали.

В методе R-функций реализован подход, заключающийся в переходе от логических описаний области Щ детали к аналитическим так, что:

Здесь так же необходимо задание геометрических размеров конструкции в виде координат опорных точек, при которых становится однозначно определенными функции .

2) Отыскание структуры решения.

Структуру решения для определения температурного состояния поршня можно записать как:

Где:

Ф - неопределенная компонента решения:

Где:

- координатная функция;

- неизвестные коэффициенты.

3) Определение неизвестных коэффициентов .

Функционал J(T) с учетом выбранного вида функции Ф и определенного вида функции со, а также с учетом известных граничных условий приобретает вид:

Неизвестные коэффициенты определяются по системе Ритца:

При нахождении коэффициентов искомое поле температур найдено:

4) Определение поля температур.

Для выбранных координат r,z на основе выбранной функции и значения коэффициентов определяют поле температур по зависимостям:

Таким образом, можно заключить, что в целом автоматизация нахождения поставленной задачи методом R-функций не представляет трудностей.

Достаточную точность расчетов на начальных стадиях проектирования поршня можно будет достичь с помощью вида и числа координатных функций путем сравнения результатов, которые получены методом R-функций и экспериментальных данных.

2. РАЗРАБОТКА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЕТАЛИ

Геометрическая модель детали разработана и прорисована в системе "Компас" с нанесением характерных контрольных точек. Все геометрические параметры исследуемого объекта отвечают действительности в соответствии с промышленно выпускаемыми образцами поршней с камерами сгорания щ-образного типа.

3. ЗАДАНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ РЕШАЕМОЙ ЗАДАЧИ

Граничные условия для определения теплонапряженности поршня в процессе его работы задаются в зависимости от форсировки двигателя, конструкции поршня (формы камеры сгорания и т. д.) и длины образующей поршня. Для обеспечения требуемого ресурса работы поршня необходимо знать значение рабочего поля температур данного объекта исследования и значение коэффициентов теплоотдачи а.

Численный расчет определения средних температур и коэффициентов теплоотдачи будет вестись для уровня форсировки двигателя Nл = 20кВт/л наличием промежуточного охлаждения воздуха и масляного охлаждения поршня. Расчет ведется по зонам рисунка 2.

Рисунок 2. - Расчётные зоны поршня:

Где:

I - зона огневой поверхности днища поршня;

II - боковая зона поршня до колец;

III - зона поршневых колец;

IV - зона поршня охлаждаемая маслом.

Зона I. Коэффициент теплоотдачи:

б = (a + b *•l + c *•l²)

Где:

l - текущая координата образующей огневой поверхности поршня, отсчитываемая от оси камеры сгорания.

Для т. 5 когда:

l = 0 * б = 0,3 кВт/м²К

Для т. 1 когда:

l = 0,039 * б = 0,5 кВт/м²К

Для т. 2 когда:

l = 0,065 * б = 0,25 кВт/м²К

Отсюда получаем систему 3-х уравнений:

При решении этой системы получены коэффициенты:

а = 0,3;

b = 14,19;

с = - 232,25.

Температура среды в зоне I изменяется по линейному закону.

Принимается: T_СР = const.

Т_СРI = 646 + 8,234•* Nл = 646 + 8,234•* 20 = 810,68°С

Зона II. Коэффициент теплоотдачи:

б_II = 0,1 + 0,054•* Nл = 0,1 + 0,054•* 20 = 1,18 кВт/м²К

Температура среды в зоне II изменяется линейно:

Зона III. Коэффициент теплоотдачи для первого и второго поршневого кольца:

= 16000кВт/м²К,

= 12000кВт/м²К.

Температура среды в зоне III для первого и второго поршневого кольца:

Где:

град/(кВт/л);

град/(кВт/л).

Зона IV. Коэффициент теплоотдачи:

2,2 кВт/м²К.

Температура среды: = 95,°С.

Эпюры и б по зонам поршня при форсировки двигателя Nл = 20кВт/л, представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. - Эпюра и б по зонам поршня при Nл = 20 кВт:

4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ НА ЭВМ

Решение задачи прогнозирования теплонапряженного состояния и длительной прочности камеры сгорания поршней, оптимизации геометрической модели поршня, учет характера термических нагрузок, деталей камеры сгорания в эксплуатации является неотъемлемым условием обеспечения ими заданного ресурса. В данной работе для получения массива значений температур на образующей поверхности поршня достаточно в качестве исходных данных задать значение управляющей функции. Управляющие функции для определения значений температур в характерных точках для камеры сгорания щ-образного типа. С промежуточным охлаждением надувочного воздуха:

Результаты расчета температур в контрольных точках (температуры в контрольных точках при m = 4, температуры в контрольных точках при m = 8, температуры в контрольных точках при m = 10, температуры в контрольных точках при m = 13) были представлены на рисунке 3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время, при современных уровнях форсировки двигатель с D_ц = 130 мм., и камерой сгорания щ-образного типа является не работоспособным. В работе был произведен расчет теплонапряженности поршня: термонапряженность двигатель промышленный

- при разных уровнях форсировки двигателя;

- при разных значениях полинома;

- при заданных условиях работы (с промежуточным охлаждением воздуха и масляным струйным охлаждением поршня).

В результате были получены значения температур в контрольных точках, которые показали, что при данных уровнях форсировки и с данной камерой сгорания поршень является не работоспособным, т. к., полученные температуры выше допустимых.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Пильов В.О. Автоматизоване проектування поршнів швидкохідних дизелів із заданим рівнем тривалої міцності: Монографія. - Харків: Видавничий центр НТУ,,ХПІ”, 2001. - 332 с.

2. Дьяченко Н.Х., Костин А.К., Бурин М.М., К определению граничных условий при моделировании температурных полей в поршнях ДВС.- Энергомашиностроение. - 1968 г.

3. Рвачев В.Л., Слесаренко А.П., Павловский В.Г., Определение температурных полей в теле поршня двигателей внутреннего сгорания. - Харьков, НАН Украины, ЧП Маш., 1974. - 59 с.

Размещено на Allbest.ru