Оценка концентрации напряжений в кривошипной головке шатуна форсированного дизеля

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 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

98 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 Р _j 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.

99

Если же рассматривать кривошипную головку как пластину со взаимным влиянием напряженного состояния внутреннего отверстия А под расточку подшипника и радиуса ρ сопряжения опорной поверхности шатунного болта с телом кривошипной головки (радиус расточки R существенно больше радиуса сопряжения ρ), то при растяжении такой пластины, как это отмечено в [4], наибольшее из напряжений возникает на контуре радиусного сопряжения ρ в точке В (рис.3), при этом на контуре расточки из-за малости радиуса ρ 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 ρ крышки кривошипной головки с учетом эффекта разгрузки. При растяжении продольными силами максимальные локальные напряжения в точке В имеют вид [3]

При изгибе моментом М максимальные локализованные напряжения в точке В имеют вид [3]

101

102

Так, например, расчетное значение ɑ_∑ по приведенной зависимости для радиусного перехода крышки кривошипной головки шатуна высокофор - сированного 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 рис.4 и рис.5.

Эпюра напряженного состояния нижней галтельной зоны кривошипной головки подтверждает высокий уровень рабочих напряжений ^^^=175 Мпа), а теоретический коэффициент концентрации напряжений, определенный из известной зависимости ɑ_б = б_тах /6_h для нижней галтели кривошипной головки шатуна дизеля 6ЧН 21/21 соответствует 2,3 (здесь б_тах - максимальное значение рабочего напряжения в нижней галтели при действии силы инерции на кривошипную головку, б_н – номинальное напряжение в нижней галтели, полученное экстраполяцией рабочих напряжений при обработке результатов расчета).

На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы.

1. 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.

1. 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

1. Жуковский В.С., Кригер В.А. Расчетно-экспериментальное исследование шатунов двигателей внутреннего сгорания//Изв.ВУЗов. Машиностроение.-1978.-№ 11.-С.72-76.
2. Косырев С.П. Повышение запаса усталостной прочности шатуна высоко форсированного дизеля//Двигатели внутреннего сгорания/ ЦНИИтэитяжмаш/ .-1983 .-№ 4-83-I5 .-С .1-4.
3. Верховский А.В. и др. Определение напряжений в опасных сечениях деталей сложной формы. М. :Машгиз, 1958.-248 с.
4. 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.