ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ И ДЕТАЛЕЙ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВС ПОСЛЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Категория: Транспорт.

Вопросам теоретической оценки долговечности деталей работающих в условиях циклической нагрузки при повышенных температурах посвящено множество работ таких авторов, как С. Мэнсон, Л. В. Коффин, Н. Г. Гиршович, В. С. Постников, Б. М. Ровинский, В. В. Новожилов, С. П. Мягков, М. И. Раенко, В. А. Ры жов и др. Ими рассматривалось поведение различных материалов при разных условиях нагружения и температурных режимах, но очень немногие исследователи дают оценку долговечности корпусных деталей и деталей газораспределения ДВС после восстановления.

Деформации и напряжения при работе с периодическим нагревом до температур t2 и остыванием до температуры t1 (термоциклировании, обеспечивающем достижение перепада температур ∆T = (t2–t1)) возникают от сжимающих сил при нагреве огневого днища и растягивающих сил при его охлаждении. На диаграмме механического гистерезиса (рис. 1) напряжения поверхностных слоев металла при эксплуатации дизеля показаны участком линии АОВ. В точке А возникают напряжения в результате сборочных операций (от монтажа форсунки, затяжки силовых шпилек крепления ГЦ), в точке В металл испытывает максимальные сжимающие высокотемпературные напряжения, определяемые выражением:

. (1)

Если внести в эту формулу зависимость модуля упругости (модуля Юнга) от температуры, которую в работе [1, с. 84] приводит Б. М. Драпкин,

, (2)

, откуда

При длительной работе дизеля упругие напряжения релаксируют по линии ВС с появлением σрt2, при этом также набюдается некоторая деформация ползучести материала εпt2. Релаксация напряжений приводит к снижению их на величину σрt2, которая различными авторами определяется из следующих выражений.

В общем виде В. С. Постников в работе [3] приводит обобщенный закон Гука:

, (5)

;b и c – коэффициенты в уравнении свободной энергии упруго деформированного тела.

Б. М. Ровинский в работе [4] полагает, что одна из разновидностей процесса релаксации напряжений – упруго-пластическая релаксация, происходящая преимущественно в области относительно невысоких температур (ниже ~0,25Tпл), может быть описана уравнением

(6)

В работе [5] С. П. Мягков приводит зависимость

(7)

(0) и – соответственно начальное и конечное (эквивалентное) напряжение; – относительное напряжение; t – период времени релаксации напряжений; A, b – экспериментальные коэффициенты.

Ползучесть материала εп t2 может быть оценена с учетом скорости ползучести, которая возрастает с температурой и напряжением. Так, для серого чугуна при напряжениях σ = 12,5 МПа и температуре 370 °C Н. Г. Гиршович приводит данные о том, что скорость ползучести не превышает 3,4%·10–5 [2, с. 322].

Анализируя данные релаксации и ползучести, можно сделать вывод о том, что при температурах до 350–400 °С линия ВС на рисунке 1располагается под достаточно большим углом α к горизонтальной оси ε.

На линии остывания материала ГЦ, линия DF, происходят аналогичные процессы и достигаются σр t1 и εп t1 с той лишь разницей, что интенсивность процессов, характеризуемых углом β наклона кривой к оси ε, будет меньше, чем при повышенных температурах.

Изменения напряжений в течение одного термоцикла можно описать следующим выражением:

, (8)

После n циклов суммарные напряжения определятся из выражения

(9)

Учитывая равенство температурных напряжений цикла после их сокращения

(10)

При положительной разнице релаксации напряжений при температурах t2 и t1 напряжения в металле ГЦ будут увеличиваться с каждым термоциклом и определяться выражением 10.

При малоцикловой усталости разрушение наступит тогда, когда

(11)

Долговечность головок цилиндров и теплонапряженных деталей газораспределения, работающих в термоциклических режимах, можно оценить из аналитических уравнений, связывающих циклическую деформацию с числом циклов до разрушения N:

; (12)

; (13)

, (14)

– коэффициент, характеризующий пластичность образца при статическом разрушении; Ψ – коэффициент уменьшения поперечного сечения, соответствующего достижению предела прочности или разрыву образца; ; ; εe и εp – соответственно упругие и пластические деформации цикла; m – постоянная характеристика материала.

Зависимость (12) долговечности от циклической деформации εp используют в диапазоне чисел циклов менее 103…5·103; зависимость (13) долговечности от циклических упругопластических деформаций ε – во всем малоцикловом диапазоне чисел циклов нагружения (менее 5·104…105). Коэффициенты в уравнениях определяют по экспериментальным данным долговечности при малоцикловом усталостном нагружении с симметричным циклом деформаций.

Для приближенных расчетов кривой малоцикловой усталости используют корреляционные зависимости (14), устанавливающие связь характеристик сопротивления малоцикловой усталости с прочностью и пластичностью материала при статическом разрыве образца.

Показатель m для большинства конструкционных сталей и сплавов в первом приближении равен 0,5–0,6; для серого чугуна он приближается к единице.

В. В. Новожилов в своей работе «Микронапряжения в конструкционных материалах» [5] утверждал, что длина пути пластического деформирования λ является необходимым параметром при построении критерия прочности при термоциклическом нагружении деталей. Но одной длины пути пластического деформирования недостаточно для описания процесса накопления повреждений. В процессе пластического деформирования происходят одновременно два процесса: неблагоприятный процесс «разрыхления» материала, определяемый длиной пути деформирования, и процесс релаксации упругих микронапряжений, возникающих при прямом нагружении и частично исчезающих при обратном. Автор после рассмотрения целого ряда экспериментальных факторов и теорий, описывающих эти факты, приходит к необходимости учитывать при построении критерия прочности по крайней мере две величины: длину пути пластического деформирования λ и внутренние упругие микронапряжения.

В процессе пластического деформирования в соответствии с формулой

, (15)

При простом нагружении величина Dкр есть функция компонент тензора напряжений σij, и условие разрушения материала определяется пересечением двух кривых: кривой роста функций накопления повреждений (15) и кривой изменения критического значения функции в зависимости от вида напряженного состояния. Условия накопления повреждений и разрушения запишутся в виде

; (16)

(17)

Если использовать допущение, что хрупкую прочность определяет максимальное положительное упругое удлинение (критерий Мариотта) или, что равносильно, приведенное нормальное напряжение

(18)

; (19)

, (20)

Опыты по определению пластического разрыхления в процессе деформирования и в момент разрушения исключительно трудоемки, и при использовании критерия прочности вместо пластического разрыхления введем некоторую нормированную величину, а нормирующий множитель будем определять из эксперимента косвенным путем. При этом условие разрушения запишется в виде

, (21)

и m – постоянные, которые должны определяться из эксперимента.

Подводя итог вопросам оценки долговечности корпусных деталей и деталей газораспределения ДВС, выполненных из чугуна и работающих на термоусталостных режимах, мы установили, что для повышения долговечности головок и крышек цилиндров, вставных клапанных гнезд:

• во-первых, необходимо снижать уровень температурных градиентов и, как следствие, температурных напряжений, определяемых выражением (14);
• во-вторых, обеспечивать ми нимальный уровень сборочных (мон тажных) напряжений, являющихся одной из составляющих, характеризующих общую напряженность при малоцикловой усталости (выражение 10);
• в-третьих, повышать качество чугуна, который должен иметь повышенное допускаемое напряжение и низкие релаксационные показатели, зависящие от уровня температурных перепадов;
• в-четвертых, оценка долговечности головок цилиндров и теплонапряженных деталей газораспределения, работающих в термоциклических режимах, числом циклов до разрушения N с помощью вы ражений (12)–(14), (19), (20) сопряжена со значительной трудоемкостью и затруднительна для определения долговечности после восстановления.

  Выходом из положения, по нашему мнению, является использование принципа «ограниченной долговечности» при малоцикловом нагружении деталей с напряжениями на уровне предела выносливости. Рассматривая условную логарифмическую кривую усталости (рис. 2), для произвольных точек 1 и 2 ее нисходящей ветви можно записать:

  , (22)

  Обозначая ctgα = m, получим из формулы (22)

  ; (23)
  . (24)

  Потенцируя, получаем:

  ; (25)
  . (26)

  Таким образом, для оценки долговечности, определяемой при термоусталостном режиме работы деталей количеством циклов до появления трещин, необходимо выявление напряженного состояния деталей до и после восстановления (σ1 и σ2), а также экспериментальное вычисление термостойкости образцов из материала восстанавливаемых деталей N1 во взаимосвязи с уровнем напряжений. При этом важно соблюсти аналогию (подобие) условий испытания образцов и условий работы деталей в реальных условиях эксплуатации. Полученные экспериментальные зависимости позволят, используя формулу (24), определить коэффициент m и в дальнейшем с использованием формулы (26) вычислить долговечность детали после восстановления.

  Литература

  1. Драпкин Б. М., Кононенко В. К., Безъязыч ный В. Ф. Свойства сплавов в экстремальном состоянии. – М. : Машиностроение, 2004. – 256 с.
  2. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. – М. – Л. : Машиностроение, 1966. – 564 с.
  3. Постников В. С. Релаксационные явления в металлах и сплавах, подвергнутых деформиро ва нию // Успехи физических наук. – 1954. – Т. LIII, вып. 1. – С. 99.
  4. Ровинский Б. М. Влияние термомеханической обработки на релаксационную стойкость сталей и сплавов // Известия ОТН АН СССР. – 1954. – № 2. – С. 67.
  5. Особенности математического мо делирования напряженно-дефор -мирован ного сос тояния крышки цилиндра форсированного среднеоборотного дизеля / С. П. Мягков, Н. Д. Чайнов, М. А. Салтыков, М. И. Раенко // Двигателестроение. – 2006. – № 4. – С. 8–11.
  6. Микронапряжения в конструкционных материалах / В. В. Но вожилов, Ю. И. Кадашевич. – Л. : Машиностроение. Лен. отд-ние, 1990. – 223 с.

Метки: Транспорт

• Назад
• Вперед