При повышении запаса усталостной прочности шатуна высокофорсированного дизеля повреждения усталости проявляются в более ранние сроки, определяемые вычислением силы. Анализ переломов усталости показал, что образование ядра усталостных трещин наблюдалось в радиусе перехода ребра на участке в области наименьшего поперечного сечения. Подобный образец взламывания указывает на высокий уровень операционного напряжения и присутствие высокого градиента концентрации.
Проблема повышения работоспособности шатунов высокофорсированных дизелей связана с усталостным разрушением крышек кривошипных головок в районе опорных площадок под головки нижних шатунных болтов. Анализ усталостных изломов показывает, что зарождение усталостных трещин наблюдается в галтельном радиусе перехода ребра жесткости в опорную площадку в зоне наименьшего сечения (рис.1). Подобная закономерность трещинообразования свидетельствует о высоком уровне рабочих напряжений и наличии их концентрации с высоким градиентом.
Данные о характере распределения напряжений в пределах опасного сечения в нижнем галтельном радиусе кривошипной головки с учетом концентрации напряжений в технической литературе не описаны.
Вместе с тем при оценке запасов усталостной прочности (по выносливости) кривошипной головки теоретические коэффициенты концентрации напряжений, как частные случаи, определяются по справочным пособиям и формулам в зависимости от схемы нагружения и соотношения геометрических характеристик рассматриваемой зоны. Многочисленные формулы и методики определения теоретических коэффициентов концентрации напряжений в частных случаях не решают проблемы в целом для кривошипных головок, в основу расчета полагаются критерии, характерные для частного напряженного состояния и не являющиеся универсальными. Кроме того значения теоретических коэффициентов концентрации напряжений, полученные в частных случаях, имеют существенно заниженные значения по сравнению с экспериментальными данными, что в конечном итоге вносит существенную ошибку в оценку запасов усталостной прочности и может дать неверное представление о прогнозируемом ресурсе и долговечности конструкции шатуна в целом. Изложенное позволяет констатировать, что требуются новые подходы к оценке напряженного состояния
78 кривошипных головок шатунов в условиях форсированного динамического нагружения.
Шатуны современных высокофорсированных V-образных дизелей изготавливаются с крышками кривошипных головок, существенными особенностями которых являются входящие галтели радиусами ρ от обработанных опорных поверхностей под головки шатунных болтов к крышке кривошипной головки (рис.2).
Для оценки номинальных напряжений и прочностного расчета кривошипной головки в производственных условиях с успехом используется метод стержневой аналогии, преимущество которого в относительной простоте и возможности учета переменности толщины головок. Однако, как это отмечено в [1], при сложных по конфигурации кривошипных головках и массивах по объему радиусных сопряжениях ρ упомянутый метод может «оказаться недостаточно точным и в связи с этим потребовать дополнительной проверки более точными и независимыми расчетно-аналитическими методами».
В условиях нагружения шатунов знакопеременными динамическими нагрузками в отечественной литературе отмечались случаи локального перенапряжения радиусного сопряжения [2] из-за концентрации напряжений, однако количественная оценка последней в этой зоне не проводилась.
При инерционном растягивающем нагружении Pj кривошипной головки в радиусном переходе крышки (рис.3 - вид I по рис.2) возникают внутренние силовые факторы: изгибающие моменты и растягивающие усилия N. Аналитически оценить концентрацию напряжений в этой зоне можно приближенно по гипотезе цилиндрических сечений для бруса с
односторонним вырезом [3] при его растяжении и изгибе. Однако приближенная оценка концентрации напряжений [3] не позволяет полностью решить задачу: можно получить только приближенное распределение главного напряжения по ослабленному сечению в зоне концентрации напряжений. Таким путем невозможно учесть эффект взаимного влияния общего напряженного состояния расточки А (рис.2) под подшипник в кривошипной головке (разгружающий эффект) на концентрацию напряжений в радиусном переходе р. По этой причине расчеты концентраций напряжений по указанной методике получаются существенно завышенными, что, в конечном итоге, вносит грубую ошибку в оценку запасов усталостной прочности и может дать неверное представление о прогнозируемом ресурсе и долговечности конструкции шатуна в целом.
Если же рассматривать кривошипную головку как пластину со взаимным влиянием напряженного состояния внутреннего отверстия А под расточку подшипника и радиуса р сопряжения опорной поверхности шатунного болта с телом кривошипной головки (радиус расточки R существенно больше радиуса сопряжения р), то при растяжении такой пластины, как это отмечено в [4], наибольшее из напряжений возникает на контуре радиусного сопряжения р в точке В (рис.3), при этом на контуре локальные напряжения в точке В расточки из-за малости радиуса р и расположения последнего в непосредственной близости от радиуса расточки проходит «разгрузка» по сравнению с концентрацией напряжений у одного отверстия А в пластине. Учитывая изложенное, рассмотрим напряженное состояние и концентрацию напряжений в зоне радиусного перехода р крышки кривошипной головки с учетом эффекта разгрузки. При растяжении продольными силами максимальные имеют вид [3]
Так, например, расчетное значение ɑ∑ по приведенной зависимости для радиусного перехода крышки кривошипной головки шатуна высокофорсированного дизеля 6ЧН 21/21 соответствует 2,55.
Аналитическое исследование распределения напряжений в нижней галтельной зоне кривошипной головки применительно к быстроходному дизелю 6ЧН 21/21 выполнено численным методом конечных элементов (МКЭ), оценен теоретический коэффициент концентрации напряжений. Конечно-элементная аппроксимация и эпюра напряженного состояния зоны радиусного перехода крышки кривошипной головки представлены на рисунках 4 и 5.
Эпюра напряженного состояния нижней галтельной зоны кривошипной головки подтверждает высокий уровень рабочих напряжений (0max=175 Мпа), а теоретический коэффициент концентрации напряжений, определенный из известной зависимости ɑб = 0max /6h для нижней галтели кривошипной головки шатуна дизеля 6ЧН 21/21
соответствует 2,3 (здесь 6max - максимальное значение рабочего напряжения в нижней галтели при действии силы инерции на кривошипную головку, бн - номинальное напряжение в нижней галтели, полученное экстраполяцией рабочих напряжений при обработке результатов расчета).
На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы.
- Расчетно-аналитическим путем исследована возможность учета теоретического коэффициента концентрации напряжений в зоне радиусного перехода опорной поверхности под головку шатунного болта к крышке кривошипной головки. Сравнительный анализ результатов для различных моделей показал, что теоретический коэффициент концентрации напряжений в указанной зоне для высокофорсированного дизеля 6ЧН21/21 оставляет 2,3-2,55, что необходимо учитывать при усталостном расчете шатуна.
- В сочетании метода стержневой аналогии и приведенной методики оценки концентрации напряжений можно при сохранении необходимой точности и полноты достигнуть упрощения в решении задачи о напряженном состоянии в радиусном сопряжении от обработанной опорной поверхности под головку шатунного болта к крышке кривошипной головки.
ЛИТЕРАТУРА
- Жуковский В.С., Кригер В.А. Расчетно-экспериментальное исследование шатунов двигателей внутреннего сгорания//Изв.ВУЗов. Машиностроение. -1978. -№ 11.- С.72-76.
- Косырев С.П. Повышение запаса усталостной прочности шатуна высокофорсированного дизеля//Двигатели внутреннего сгорания/ ЦНИИтэитяжмаш/ .-1983 .-№ 4 .- С .1-4.
- Верховский А.В. и др. Определение напряжений в опасных сечениях деталей сложной формы. М.:Машгиз, 1958.-248 с.
- Шишорина О.И. Концентрация напряжений около двух неравных круговых близко расположенных отверстий при растяженнии//Проблемы прочности в машиностроении.-М.:Вып.9.-1962.- С.97-99.