Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Тракторные двигатели большую часть времени эксплуатируются на неустановившихся режимах работы ввиду непрерывного изменения момента сопротивления при выполнении машинно-тракторным агрегатом (МТА) сельскохозяйственных, транспортных или других видов работ. Колебания нагрузки на валу тракторного двигателя (и как следствие среднего эффективного давления и частоты вращения коленчатого вала ) могут быть вызваны различными факторами: зоной эксплуатации МТА и её почвенно-климатическими условиями, периодом года, видом работ, принятой технологией производства, свойствами МТА и его энергетической установки, требованиями охраны труда, субъективными факторами оператора и др.

Колебания среднего эффективного давления и частоты вращения коленчатого вала вызывают изменение механических и температурных нагрузок действующих на головку цилиндра (ГЦ). Наиболее опасными являются низкочастотные температурные напряжения, возникающие при переходе с одного режима работы на другой. Они могут превышать предел текучести материала ГЦ и при последующем охлаждении в результате сброса нагрузки или останова дизеля в наиболее нагруженных элементах (в основном в межклапанных перемычках, а также в перемычках между отверстием под форсунку и впускным или выпускным каналами) возникают растягивающие напряжения. Циклы нагрева и охлаждения вызывают термическую усталость и разрушения наиболее слабых сечений ГЦ.

Рис. 1. Зависимость температуры в межклапанной перемычке ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) от среднего эффективного давления при различных значениях частоты вращения коленчатого вала , мин-1: 1 – 1200; 2 – 1400; 3 – 1600; 4 – 1800; 5 – 2000; 6 – 2200

При прогнозировании долговечности ГЦ возникает необходимость моделирования изменения температур в виде цикла нагружения, который эквивалентен условиям работы тракторного дизеля при эксплуатации. Поскольку температурное состояния ГЦ зависит от нагрузки () и частоты вращения коленчатого вала (), для определения температур огневого днища на различных режимах работы двигателя была разработана математическую модель на основании экспериментальных данных, которая позволила бы однозначно определить температуру в межклапанной перемычке, а затем и в любой точке огневой поверхности днища ГЦ при заданных и .

На рис. 1 приведены данные из работ [2,3,4] по изменению температуры в межклапанной перемычке ГЦ в зависимости от и для дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т).

Поскольку графики зависимостей при различных частотах вращения коленчатого вала эквидистантны, то каждая из кривых может быть описана полиномом второго порядка [1]:

(1)

где – температура в межклапанной перемычке ГЦ; , , – коэффициенты, которые принимают разное численное значение в зависимости от частоты вращения коленчатого вала .

Действительно, каждая из шести кривых на рис. 1 может быть описана уравнением:

(2)

Рис. 2. Зависимость коэффициентов а0, а1, а2 от частоты вращения коленчатого вала n, мин-1

Отметим, что коэффициенты парной корреляции для полученных выше зависимостей составляют (с точностью до третьего знака). Следовательно, они имеют достаточно хорошее приближение к экспериментальным данным.

На рис. 2 представлена зависимость коэффициентов , , в (2) от частоты вращения коленчатого вала .

Из графиков на рис. 2 следует, что коэффициенты , , линейно зависят от частоты вращения коленчатого вала и могут быть описаны уравнениями:

(3)

Для каждого из уравнений системы (3) коэффициент парной корреляции .

Тогда окончательно для определения получим следующее уравнение:

(4)

При расчетных исследованиях зависимость (4) позволяет определить температуру в межклапанной перемычке на различных режимах работы дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) или при форсировании дизеля по среднему эффективному давлению и частоты вращения .

Заметим, что температура в отдельных точках огневого днища ГЦ зависит от более нагретой в центре межклапанной перемычки [5].

Используя данные экспериментальных исследований, в которых определены температуры в различных точках ГЦ и межклапанной перемычке, найдем зависимость . Здесь – температура в характерных точках огневого днища.

На рис. 3 показано численное значение замеренных температур в 16 точках огневого днища ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) в зависимости от температуры в межклапанной перемычке

Рис. 3. Зависимость температур в 16 точках огневого днища головки цилиндров дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т) от температуры в межклапанной перемычке . Цифрами обозначены термопары в точках огневого днища

Из графиков следует, что зависимости являются линейными и могут быть описаны уравнением вида:

(5)

где , – некоторые константы; – температура в межклапанной перемычке.

В табл. 1 приведены численные значения коэффициентов и , полученные по данным графиков рис. 3, для расчета температур в точках огневого днища в зависимости от температуры в межклапанной перемычке .

Таблица 1

Значения коэффициентов и в формуле (5)

Таким образом, зная значения и по зависимости (4), можно определить температуру в межклапанной перемычке, а затем по (5) и в 16 других точках огневого днища ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т).

Уравнения (4) и (5) с численными значениями коэффициентов полиномов справедливы только для расчета температур в двухклапанной ГЦ дизеля 4ЧН 10,5/12 (Д-145Т). Однако располагая экспериментальными данными, аналогично приведенным на рис. 1 и рис. 3, таким же образом можно получить зависимости , при изменении конструкции ГЦ (например, трехклапанной), а также и для других двигателей.

Рецензенты:

Гаврилов Александр Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры «Тепловые двигатели и энергетические установки» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) Министерства образования и науки РФ, г. Владимир.

Кульчицкий Алексей Рэмович, д-р техн. наук, профессор, главный специалист ООО «Завод инновационных продуктов» КТЗ, г. Владимир.